崔坤理,江用勝,齊東華,王 標(biāo)

(1.合肥通用機械研究院,安徽合肥230031;2.青島92132部隊裝備部,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、計算機和數(shù)字通信技術(shù)在內(nèi)的現(xiàn)代控制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個行業(yè)中。當(dāng)前用于控制的計算機類產(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)控制計算機、基于單片機的測控裝置、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、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、過濾器組成;(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)機送入空氣中的熱量,轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐评鋭┱羝?。這個過程使風(fēng)溫下降從而達到制冷的作用。壓縮機吸入低壓制冷劑蒸汽,經(jīng)壓縮后的高溫高壓制冷劑進入冷凝器,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,另一部分通過旁通閥進回?zé)崞?利用冷凝作用對送風(fēng)機送出的空氣進行除濕,節(jié)約能量。在此循環(huán)過程中,空氣的溫度將被降低而相對濕度增加,可高達95%,然后經(jīng)過回?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),即微型計算機技術(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。在具體的工程實踐中,這種控制方式控制程序開發(fā)周期短,現(xiàn)場調(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 突變點分析

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

圖2 溫度與回?zé)衢y閥位曲線圖

3.2 系統(tǒng)控制點分析

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

A點為經(jīng)過現(xiàn)場熱源后的熱濕空氣,該點溫濕度不受控,在系統(tǒng)設(shè)計中考慮;

B點為經(jīng)過蒸發(fā)器吸熱后的出口溫度,該點溫度和絕對濕度都比較低,但相對濕度一般在95%左右;

C點為空氣通過回?zé)崞骱碗娂訜嵘郎睾蟮目諝恻c,該點對B點流入的空氣升溫除濕,使相對濕度達到50%左右;

圖3 系統(tǒng)溫度點

D點為經(jīng)過風(fēng)機熱源后一個升溫點。

系統(tǒng)的送風(fēng)溫度點的探頭在D點,可以將C、D都認為是一個升溫過程。

4 軟件開發(fā)

程序的設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計,將所需實現(xiàn)的各主要功能用子功能塊FC實現(xiàn),然后在主程序OB1調(diào)用。系統(tǒng)主要功能模塊有手動塊、自動塊、PID塊等。程序的所有控制點對外是一種接口,可以通過人機界面實時干預(yù)或更新程序設(shè)定參數(shù)。這樣對過程系統(tǒng)的調(diào)試不會過多關(guān)心程序的實現(xiàn),而是將重心放在過程控制對現(xiàn)場負荷變化。讓程序?qū)φ{(diào)試人員是不可見的。

4.1 PID調(diào)節(jié)

該系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)主要有兩個環(huán)節(jié),一是回?zé)衢y控制送風(fēng)溫度,另一個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),

sp(t)—設(shè)定值;

pv(t)—過程變量 (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分別對應(yīng)于輸入?yún)?shù)GAIN、TI、TD 和I—ITLVAL。

根據(jù)實際情況,采用PI調(diào)節(jié)器來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)驗通過觸摸屏寫入P、I、D的參數(shù)。在現(xiàn)場跑機的過程中對比例、積分修正。

4.2 通信

本系統(tǒng)采用點對點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、計算機或別的帶有串口設(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)束符和帶塊校驗字符的協(xié)議,可以通過用戶程序詢問和控制接口的握手操作。S7提供 FB3” P—SEND” 和 FB2”P—RCV”功能函數(shù)實現(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)接和二次開發(fā),很好的設(shè)備兼容性等指標(biāo),使設(shè)計控制系統(tǒng)的權(quán)重越來越偏向?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。

通過特種循環(huán)冷卻裝置模擬負載聯(lián)調(diào)試驗,以及與專用電子設(shè)備的對接聯(lián)調(diào)試驗,未發(fā)現(xiàn)任何異常現(xiàn)象,亦未發(fā)生任何故障,特種循環(huán)冷卻裝置運行非?？煽?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自動化系統(tǒng)CPU31xC技術(shù)功能 使用手冊,2003

(2)Siemens AG CPU 31xCTechnologicalFunctionsManual,2003