吳明亮 潘佳月 張鴻強(qiáng)

(1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,蘭州 730050；2.甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司天水卷煙廠,甘肅 天水 741020)

基于PLC的噴霧降溫控制系統(tǒng)

吳明亮1潘佳月1張鴻強(qiáng)2

(1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,蘭州 730050；2.甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司天水卷煙廠,甘肅 天水 741020)

針對工業(yè)生產(chǎn)過程中環(huán)境溫度過高，通過中央空調(diào)系統(tǒng)難以實現(xiàn)理想降溫的問題，提出了一種基于PLC的噴霧降溫控制系統(tǒng)?；趪婌F降溫原理，建立噴霧降溫數(shù)學(xué)模型。通過S7-200 PLC控制器的PID調(diào)節(jié)功能和WinCC上位組態(tài)軟件實現(xiàn)了對環(huán)境溫度的監(jiān)控。實際運行結(jié)果表明：該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，有效實現(xiàn)了噴霧降溫的目的。

噴霧降溫控制系統(tǒng) S7-200 PLC WinCC PID調(diào)節(jié)

近年來，全球氣溫普遍升高，加之生產(chǎn)環(huán)境中設(shè)備運行的熱輻射，環(huán)境溫度時常高達(dá)40℃以上。改善作業(yè)環(huán)境的溫度已經(jīng)成為一個不容忽視的問題。然而在工藝環(huán)境中，區(qū)域面積動輒幾千甚至上萬平方米，普通空調(diào)制冷無法滿足如此大的作業(yè)面積，而且初期投資和后期運行費用很高。因此，設(shè)計一個既節(jié)能又可以有效降低環(huán)境溫度的控制系統(tǒng)十分必要。

由于PLC運行可靠、操作簡單，因而在工控領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍[1,2]。

筆者首先建立噴霧降溫控制系統(tǒng)內(nèi)，溫度與噴水量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，確定最佳控制參數(shù)[3,4]，然后采用S7-200 PLC對內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán)煤化工煤制油項目中的噴霧降溫控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)合WinCC上位組態(tài)軟件設(shè)計了人機(jī)界面，最終達(dá)到快速降溫、節(jié)約水電資源的目的。

1 噴霧降溫原理與建模①

1.1 噴霧降溫原理

噴霧降溫工作原理：通過噴嘴將水霧轉(zhuǎn)換成微小粒徑的霧滴，霧滴在運動過程中與空氣充分混合并迅速蒸發(fā)。由于水具有較大的汽化潛熱，蒸發(fā)時會吸收環(huán)境中的大量熱量，起到降低周圍空氣溫度的作用[5]。如此，整個區(qū)域不但降溫迅速，而且含有大量負(fù)離子，同時增加了區(qū)域濕度，降低了粉塵濃度。

1.2噴霧降溫建模

將水蒸氣的擴(kuò)散視為一種短時的過程，忽略噴霧時間對水蒸氣擴(kuò)散的影響。如果已知空氣的初始溫度T1、初始壓力p1、空氣相對濕度φ和降溫后空氣溫度T2，就可以求出所需的噴水量。

根據(jù)空氣初始壓力p1和空氣初始溫度T1，可以在相對應(yīng)的飽和空氣狀態(tài)參數(shù)表中查出空氣初始狀態(tài)時水蒸氣飽和壓力ps，且有：

pv=φ·ps

(1)

式中ps——水蒸氣飽和壓力，kPa；

pv——水蒸氣分壓力，kPa。

通過式(1)就可以計算出空氣中水蒸氣分壓力pv。又有：

(2)

式中D1——噴霧前的空氣含濕量，g/kg。

且：

H1=1.005T1+D1(2501+1.863T1)

(3)

式中H1——噴霧前空氣的焓值，kJ/kg(干空氣)。

由熱力學(xué)可知，噴霧降溫法是空氣等焓增濕過程，所以噴霧前空氣焓值等于噴霧后空氣焓值，即：

H1=H2

(4)

結(jié)合式(3)、(4)可推導(dǎo)出噴霧后空氣含濕量D2為：

(5)

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，噴水量Qm等于濕空氣流含濕量的增加，即：

Qm=Qma(D1-D2)

(6)

式中Qma——噴霧過程中空氣的流量，kg/s。

再根據(jù)式(2)、(5)、(6)即可計算出空氣溫度降低ΔT=T1-T2時所需的噴水量。

2 噴霧降溫模型仿真

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行仿真。以內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán)煤化工煤制油項目噴霧加濕控制系統(tǒng)為例，當(dāng)溫度高于32℃時，啟動噴霧降溫控制系統(tǒng)；反之，關(guān)閉噴霧降溫控制系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場考察與測量，該工程選用變頻風(fēng)機(jī)的額定空氣流量為85 000m3/h，空氣密度1.205kg/m3，空氣相對濕度81%，查表得32℃時水蒸氣飽和壓力為4.8kPa，由此建立溫度變化與噴水量的關(guān)系。

通過仿真計算得到環(huán)境溫度與噴水量的關(guān)系曲線如圖1所示。可以看出，環(huán)境溫度在初始溫度32℃時，噴水量為零；環(huán)境溫度升高到33℃時，噴霧機(jī)組運行，噴水量為40kg/h，即環(huán)境溫度升高1℃，噴水量為40kg/h時環(huán)境溫度才可以降低至32℃。因此，可根據(jù)濕度傳感器和溫度傳感器采集的信號，實時計算噴水量，確定噴霧噴嘴的運行數(shù)據(jù)，對噴霧降溫進(jìn)行精確控制。

圖1 環(huán)境溫度與噴水量關(guān)系曲線

3 基于PLC的噴霧降溫控制系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)硬件部分

噴霧降溫控制系統(tǒng)(圖2)由水箱、過濾器、防爆泵組、噴嘴、溫濕度傳感器、電磁流量變送器、液位開關(guān)及就地防爆操作箱等構(gòu)成。

圖2 噴霧降溫控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

防爆泵的現(xiàn)場操作按鈕設(shè)在就地防爆箱內(nèi)，防爆泵和防爆箱的防爆等級均為EXDⅡCT4，工作壓力7～10MPa，流量40L/min。4組泵互為備用，對應(yīng)不同位置的4組噴嘴。

根據(jù)現(xiàn)場需要，溫濕度傳感器安裝在易于檢測溫濕度的位置，安裝方式采用懸掛式，工作電壓24V(DC)，溫度范圍0～80℃，濕度范圍0～100%RH，輸出4～20mA電流信號，T口輸出溫度信號，S口輸出濕度信號[6]。

液位開關(guān)采用連桿浮球式，通過法蘭安裝在水箱右側(cè)，3個浮子分別設(shè)有高、中、低3個液位值，數(shù)字量輸出。水箱水位正常時，中、低液位開關(guān)閉合，高液位開關(guān)斷開。如果中液位開關(guān)斷開，系統(tǒng)會自動打開補水電磁閥，當(dāng)水箱液位過高時，高液位開關(guān)閉合，PLC收到高液位開關(guān)閉合的信號后，便認(rèn)為水箱補水過程完成，將自動關(guān)閉補水電磁閥。當(dāng)?shù)鸵何婚_關(guān)斷開時，表明水箱液位過低，PLC收到低液位開關(guān)斷開的信號后，將立即停機(jī)報警并打開補水電磁閥。

電磁流量變送器安裝在緩沖管進(jìn)水端，測量水流量并記錄進(jìn)水量，4～20mA電流信號輸入到S7-200 PLC的模擬量采集端口。

噴霧降溫控制系統(tǒng)的硬件主要安裝在防爆操作箱內(nèi)，防爆操作箱的正面分為左右兩部分，左側(cè)有主電源開關(guān)、噴霧柱塞泵的手自動切換開關(guān)及其運行和停止指示、補水電磁閥手自動切換開關(guān)及其運行和停止指示。右側(cè)是觸摸屏，所有的鍵盤、鼠標(biāo)操作可全部由觸摸屏完成。

系統(tǒng)中的開關(guān)量輸入、輸出信號和模擬量輸入、輸出信號分配見表 1。

表1 S7-200 PLC的I/O分配

開關(guān)量輸入信號包括4組水泵的遠(yuǎn)程/就地轉(zhuǎn)換開關(guān)信號、補水電磁閥的遠(yuǎn)程/就地轉(zhuǎn)換開關(guān)信號、故障指示信號、運行狀態(tài)指示信號與液位開關(guān)高液位、中液位和低液位信號。

模擬量輸入信號包括溫濕度信號和流量信號。溫濕度信號來自溫濕度傳感器，輸入信號范圍4～20mA。流量信號來自電磁流量變送器，輸入信號范圍4～20mA。

開關(guān)量輸出信號包括4組水泵遠(yuǎn)程啟?？刂菩盘柡碗姶叛a水閥的開閉控制信號。

根據(jù)外部輸入輸出信號類型和數(shù)量，數(shù)字量模塊選用6ES7 216-2BD23-0XB8，24V直流供電，自帶24路開關(guān)量輸入和16路開關(guān)量輸出[7]。模擬量模塊選用231-OHC22-0XA0，含有4路模擬量輸入，模擬量信號設(shè)置成電流信號，范圍4～20mA。

3.2系統(tǒng)軟件部分

噴霧降溫控制系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 噴霧降溫控制系統(tǒng)功能

噴霧降溫控制系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)兩級控制。上位機(jī)采用工控機(jī)，主要完成數(shù)據(jù)的實時運算、工藝流程的動態(tài)顯示、手自動切換、歷史數(shù)據(jù)歸檔和報表管理。下位機(jī)采用S7-200 PLC，完成數(shù)據(jù)的采集、PID閉環(huán)控制和邏輯判斷功能[8]。

S7-200 PLC是系統(tǒng)的核心控制部分，S7-200 PLC程序具有自動控制和手動控制兩部分：自動控制方式，上位機(jī)接收來自下位機(jī)采集的溫度和濕度信號，實時計算噴水量，然后將數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)，下位機(jī)運行PID控制程序，自動控制噴霧泵組的噴水量并控制噴霧機(jī)組的啟停動作；手動控制方式，通過操作臺上的啟停按鈕控制噴霧泵組的運行狀態(tài)。

噴霧降溫控制系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

首先是準(zhǔn)備待機(jī)狀態(tài)，這個階段是啟動噴霧降溫控制系統(tǒng)的檢查階段，保證水箱液位能夠滿足啟動條件；檢查泵組是否有故障；檢測環(huán)境溫度是否達(dá)到需要噴水的條件，檢測進(jìn)出水壓力是否達(dá)到噴嘴的壓力要求；根據(jù)現(xiàn)場情況啟動噴霧降溫機(jī)組。

在主程序中檢測水箱液位，如果在中液位，則打開補水電磁閥，直到水箱液位高于高液位，此時，水箱中液位開關(guān)高液位閉合，水系統(tǒng)正常，可以調(diào)用PID 調(diào)節(jié)功能塊。系統(tǒng)采用模擬量PID調(diào)節(jié)模塊，現(xiàn)場的流量信號經(jīng)變送器傳遞給PLC，并作為流量采樣值，與計算出的理論流量值比較，其差值經(jīng)過PLC內(nèi)部的比例、積分和微分調(diào)節(jié)處理后，以0～5V(DC)電壓的形式輸出給電動調(diào)節(jié)閥，電動調(diào)節(jié)閥的開度隨著輸出電壓的增大而增大，由此噴霧量增大，環(huán)境中的溫度降低。當(dāng)流量采樣值與計算理論流量值接近時，輸出值可根據(jù)采樣值的變化再進(jìn)行微量的調(diào)整。

圖4 噴霧降溫控制系統(tǒng)的軟件流程

3.3人機(jī)界面

人機(jī)界面是用戶和機(jī)器之間的橋梁，它可以靈活地應(yīng)用圖形和相關(guān)文字信息來取代傳統(tǒng)設(shè)備上大量的觸控按鈕、指示燈及選擇開關(guān)等，可以工作在各種工業(yè)環(huán)境中，并保證工作的高可靠性[9]。

為了實時監(jiān)控噴霧機(jī)組的運行情況，采用WinCC設(shè)計了上位機(jī)監(jiān)控軟件。在計算機(jī)上設(shè)計監(jiān)控畫面并調(diào)試，合格后下載到觸摸屏。其中，開機(jī)首頁包括歡迎畫面，有歡迎詞、公司名稱和聯(lián)系信息說明。觸摸該頁后進(jìn)入主畫面，主畫面包括溫濕度顯示、噴水量顯示、4組水泵的啟停按鈕、補水電磁閥的啟停按鈕、運行狀態(tài)、水箱液位狀態(tài)和返回首頁按鈕。

4 結(jié)束語

筆者從降低工業(yè)環(huán)境溫度的基本要求出發(fā)，以S7-200 PLC作為下位機(jī)控制器，設(shè)計了一套噴霧降溫控制系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用PID調(diào)節(jié)控制噴霧量，提高了溫度控制的穩(wěn)定性。同時采用WinCC組態(tài)軟件設(shè)計了上位機(jī)監(jiān)控界面，直觀地顯示噴霧機(jī)組的運行狀態(tài)，降低了成本，改善了車間工作環(huán)境，實現(xiàn)了噴霧降溫的長期運行和自動控制。以PLC作為控制主機(jī)的噴霧降溫控制系統(tǒng)，其控制程序可變，系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試和維護(hù)方便，能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。

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2015-09-08(修改稿)

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1000-3932(2016)04-0435-04