崔坤理,江用勝,齊東華,王 標(biāo)

(1.合肥通用機(jī)械研究院,安徽合肥230031;2.青島92132部隊(duì)裝備部,山東青島266405;3.上海交通大學(xué),上海200030)

1 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展,包括微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)在內(nèi)的現(xiàn)代控制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中。當(dāng)前用于控制的計(jì)算機(jī)類產(chǎn)品大致可以分為這幾類:可編程控制器 (PLC)、基于PC總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、基于單片機(jī)的測(cè)控裝置、用于模擬量閉環(huán)控制的可編程調(diào)節(jié)器、集散控制系統(tǒng)DCS和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS等。本文著重研究某特種循環(huán)冷卻裝置的PLC控制技術(shù)。

2 特種循環(huán)冷卻裝置組成

該特種循環(huán)冷卻裝置主要由三部分組成:(1)制冷系統(tǒng):由壓縮機(jī)、水冷冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器組成;(2)風(fēng)系統(tǒng):由回風(fēng)箱、離心風(fēng)機(jī)、過(guò)濾器組成;(3)控制系統(tǒng):由PLC、觸摸屏、回?zé)衢y、三通閥、和傳感器等組成。特種循環(huán)冷卻裝置的系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。

2.1 制冷系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)原理

低溫低壓制冷劑氣液混合工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收風(fēng)機(jī)送入空氣中的熱量,轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐评鋭┱羝?。這個(gè)過(guò)程使風(fēng)溫下降從而達(dá)到制冷的作用。壓縮機(jī)吸入低壓制冷劑蒸汽,經(jīng)壓縮后的高溫高壓制冷劑進(jìn)入冷凝器,高溫高壓的工質(zhì)與水換熱,使制冷劑變成常溫高壓的液體,通過(guò)膨脹閥節(jié)流作用,使工質(zhì)成為低溫低壓的氣液混合體,進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱,如此循環(huán)。

圖1 特種循環(huán)冷卻裝置系統(tǒng)原理圖

在此裝置中高溫高壓氣體的冷凝為兩部分,一部分為水冷冷凝器,另一部分通過(guò)旁通閥進(jìn)回?zé)崞?利用冷凝作用對(duì)送風(fēng)機(jī)送出的空氣進(jìn)行除濕,節(jié)約能量。在此循環(huán)過(guò)程中,空氣的溫度將被降低而相對(duì)濕度增加,可高達(dá)95%,然后經(jīng)過(guò)回?zé)崞骷訜岷?溫度上升,濕度大大降低,從而使空氣出口溫、濕度滿足負(fù)載要求。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的核心部件是PLC。PLC是隨著自動(dòng)化水平的日益提高及微電子技術(shù)的高速發(fā)展,在傳統(tǒng)的繼電器控制基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種新型控制裝置。它將3C(Computer,Control,Communication)技術(shù),即微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)及通信技術(shù)融為一體,應(yīng)用到控制領(lǐng)域的一種高可靠性控制器。在具體的工程實(shí)踐中,這種控制方式控制程序開(kāi)發(fā)周期短,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便,是一種 “傻瓜”型的控制方式。

3 控制系統(tǒng)控制參數(shù)研究

3.1 突變點(diǎn)分析

該機(jī)組控制的關(guān)鍵控制點(diǎn)是送風(fēng)溫濕度。由于該機(jī)組送風(fēng)溫度設(shè)定點(diǎn)和高溫報(bào)警點(diǎn)相距很近,控溫曲線中的首個(gè)峰值易出現(xiàn)壓縮機(jī)工況的突變,壓縮機(jī)工況的突變對(duì)控溫曲線和回?zé)衢y的沖擊是最大的?；?zé)衢y開(kāi)度曲線中的AB段是最易出現(xiàn)波動(dòng)的點(diǎn),如圖2中所示。在時(shí)間T1與T2之間,程序自動(dòng)的跟蹤回?zé)衢y的開(kāi)度來(lái)拉伸壓縮機(jī)變工況溫度點(diǎn)。把變壓縮機(jī)工況點(diǎn)設(shè)定在當(dāng)回?zé)衢y開(kāi)度在5%,溫度突破上限25℃,或是回?zé)衢y開(kāi)度在95%,溫度突破下限17.5℃。在該點(diǎn)應(yīng)立即變壓縮機(jī)工況。讓壓縮機(jī)上載與卸載點(diǎn)在一個(gè)溫度范圍內(nèi)跟蹤回?zé)衢y開(kāi)度來(lái)決定,而不是一個(gè)固定的點(diǎn)。并且上載與卸載點(diǎn)有一個(gè)共同區(qū)。避免出現(xiàn)壓縮機(jī)上載與卸載而引起的正弦震蕩。目標(biāo)是讓系統(tǒng)在壓縮機(jī)單個(gè)工況內(nèi),能適應(yīng)與回?zé)嵯喈?dāng)?shù)臒崃坎▌?dòng)。

圖2 溫度與回?zé)衢y閥位曲線圖

3.2 系統(tǒng)控制點(diǎn)分析

該機(jī)組為封閉式循環(huán)系統(tǒng),空氣變化分別在如圖3所示的A、B、C、D四點(diǎn):

A點(diǎn)為經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)熱源后的熱濕空氣,該點(diǎn)溫濕度不受控,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮;

B點(diǎn)為經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器吸熱后的出口溫度,該點(diǎn)溫度和絕對(duì)濕度都比較低,但相對(duì)濕度一般在95%左右;

C點(diǎn)為空氣通過(guò)回?zé)崞骱碗娂訜嵘郎睾蟮目諝恻c(diǎn),該點(diǎn)對(duì)B點(diǎn)流入的空氣升溫除濕,使相對(duì)濕度達(dá)到50%左右;

圖3 系統(tǒng)溫度點(diǎn)

D點(diǎn)為經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)熱源后一個(gè)升溫點(diǎn)。

系統(tǒng)的送風(fēng)溫度點(diǎn)的探頭在D點(diǎn),可以將C、D都認(rèn)為是一個(gè)升溫過(guò)程。

4 軟件開(kāi)發(fā)

程序的設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),將所需實(shí)現(xiàn)的各主要功能用子功能塊FC實(shí)現(xiàn),然后在主程序OB1調(diào)用。系統(tǒng)主要功能模塊有手動(dòng)塊、自動(dòng)塊、PID塊等。程序的所有控制點(diǎn)對(duì)外是一種接口,可以通過(guò)人機(jī)界面實(shí)時(shí)干預(yù)或更新程序設(shè)定參數(shù)。這樣對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的調(diào)試不會(huì)過(guò)多關(guān)心程序的實(shí)現(xiàn),而是將重心放在過(guò)程控制對(duì)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷變化。讓程序?qū)φ{(diào)試人員是不可見(jiàn)的。

4.1 PID調(diào)節(jié)

該系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)主要有兩個(gè)環(huán)節(jié),一是回?zé)衢y控制送風(fēng)溫度,另一個(gè)是三通閥控制冷凝壓力。程序流程圖如圖4所示。其中高溫工況與低溫工況的程序流程圖基本相同,只是風(fēng)溫等參數(shù)設(shè)定值有所不同。

圖4 PID調(diào)節(jié)程序流程圖

式中參數(shù)如下:

ev(t)—控制器輸入量 (誤差信號(hào)),

sp(t)—設(shè)定值;

pv(t)—過(guò)程變量 (反饋值);

M—積分部分的初始值

KI=Kp/TI、KD=KpTD/Ts分別是積分系數(shù)和微分系數(shù)。在FB41”CONT—C”(連續(xù)控制器)中,Tp、TI、TD和M分別對(duì)應(yīng)于輸入?yún)?shù)GAIN、TI、TD 和I—ITLVAL。

根據(jù)實(shí)際情況,采用PI調(diào)節(jié)器來(lái)控制溫度和冷凝壓力,PID框圖如圖5所示。

圖5 送風(fēng)溫度PID框圖

PID參數(shù)整定,是從應(yīng)用的角度出發(fā)。利用工程經(jīng)驗(yàn)通過(guò)觸摸屏寫(xiě)入P、I、D的參數(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)跑機(jī)的過(guò)程中對(duì)比例、積分修正。

4.2 通信

本系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)PtP(Point to Point)通信。使用帶有PtP通信功能的CP340通信處理器(RS422/RS485)可以與PLC、計(jì)算機(jī)或別的帶有串口設(shè)備通信。使用ASCII傳輸協(xié)議連接外部系統(tǒng),它是采用起始符、結(jié)束符和帶塊校驗(yàn)字符的協(xié)議,可以通過(guò)用戶程序詢問(wèn)和控制接口的握手操作。S7提供 FB3” P—SEND” 和 FB2”P(pán)—RCV”功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)CP340的PtP通信功能。

5 結(jié)論

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,要求控制系統(tǒng)不只是一個(gè)封閉的控制系統(tǒng),還要具有良好的、人性化的控制界面,支持網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接和二次開(kāi)發(fā),很好的設(shè)備兼容性等指標(biāo),使設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的權(quán)重越來(lái)越偏向?qū)ν饨涌诤蛿?shù)據(jù)管理上。我們將這些控制思想體現(xiàn)在該系統(tǒng)中,除了很好的完成控制指標(biāo)外,更多的表現(xiàn)在程序的封裝和接口的冗余上。

通過(guò)特種循環(huán)冷卻裝置模擬負(fù)載聯(lián)調(diào)試驗(yàn),以及與專用電子設(shè)備的對(duì)接聯(lián)調(diào)試驗(yàn),未發(fā)現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象,亦未發(fā)生任何故障,特種循環(huán)冷卻裝置運(yùn)行非常可靠,從而有力地證明:特種循環(huán)冷卻裝置的控制系統(tǒng)是可靠穩(wěn)定的,特種循環(huán)冷卻裝置技術(shù)參數(shù)和負(fù)載能力滿足技術(shù)要求。

[1] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005,1

[2] 薛殿華.空氣調(diào)節(jié)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004,11

(1)Siemens AG.S7-300自動(dòng)化系統(tǒng)CPU31xC技術(shù)功能 使用手冊(cè),2003

(2)Siemens AG CPU 31xCTechnologicalFunctionsManual,2003