李志斌， 劉 暢， 方毅然， 賴(lài)寶鵬, 黃啟韜

(上海電力學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

實(shí)踐教學(xué)不僅能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還能夠催化學(xué)生從學(xué)習(xí)者到實(shí)踐者的轉(zhuǎn)變。從實(shí)踐教學(xué)的基點(diǎn)出發(fā)，選取工藝簡(jiǎn)單和原理復(fù)雜的對(duì)象，作為實(shí)驗(yàn)參考，選取工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)對(duì)象。

工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)[1-3]是工業(yè)生產(chǎn)中重要的輔助系統(tǒng)，其主要的冷卻介質(zhì)是水。當(dāng)吸收廢熱后的冷卻水，流經(jīng)冷卻塔或其他冷卻設(shè)備，達(dá)到降溫的目的后，再由水泵及管道設(shè)備將其送回?fù)Q熱器中重復(fù)使用。本文以檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制原理、過(guò)程控制原理、熱工基礎(chǔ)、PLC可編程控制技術(shù)等多門(mén)主要的工科課程為理論基礎(chǔ)，以實(shí)際生產(chǎn)中的工業(yè)工藝為參照對(duì)象。設(shè)計(jì)出具有監(jiān)測(cè)、控制、交互、模擬等功能的綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為自動(dòng)化、測(cè)控等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)提供新思路和新模式。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文的綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之所以選擇工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為搭建對(duì)象，是因?yàn)楣I(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)不僅具有一般實(shí)驗(yàn)的原理驗(yàn)證的特性，還具有多數(shù)量的監(jiān)測(cè)目標(biāo)(進(jìn)出口水溫、水流量、風(fēng)量等)和豐富的控制對(duì)象(散熱風(fēng)機(jī)、水泵、加熱裝置等)。它具有許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所不具備的優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要構(gòu)成部分：冷卻塔模型、控制箱、監(jiān)控系統(tǒng)。它是以可編程邏輯控制器、溫度變送器、電力調(diào)整器、加熱器為主體設(shè)備搭建而成，其整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，圖2所示為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)模擬平臺(tái)整體設(shè)計(jì)方案

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

1.1 冷卻塔模型設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的冷卻塔模型主要是模擬工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的冷卻塔部分，其首要作用是為循環(huán)冷卻水與空氣進(jìn)行熱交換提供場(chǎng)所。該模型的主要組成部件有淋水填料、淋水管道、散熱風(fēng)機(jī)等。其中模型的結(jié)構(gòu)采用開(kāi)式橫流的方式設(shè)計(jì)，能夠提高冷卻塔腔內(nèi)空氣流動(dòng)速度，利于對(duì)塔身維護(hù)，并且所占地面積小，相比于同類(lèi)型的其他設(shè)計(jì)方式具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

冷卻塔的塔體主要材料是PPS塑料板。在塔體的內(nèi)部設(shè)計(jì)了2塊可活動(dòng)的隔板，隔板的作用是將冷卻塔形成3個(gè)并聯(lián)的冷卻塔群，如果將隔板抽走，則會(huì)形成一個(gè)共腔的冷卻塔。這種靈活的塔體構(gòu)架具有以下特點(diǎn)：①冷卻塔模型更加逼真，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)論更加準(zhǔn)確。②采用模塊化設(shè)計(jì)，方便模型組裝。③可以同時(shí)研究單塔和塔組的熱力性能。塔腔中填滿親水性強(qiáng)的薄膜式填料，是另一個(gè)重要的冷卻部件。在重力的作用下，塔內(nèi)的熱水從塔頂部向下流動(dòng)，并在淋水填料上淋灑成一層水膜，以增大與空氣的接觸面積和時(shí)間，使得水溫迅速下降，提升塔腔內(nèi)的冷卻速率。水箱的管道配水系統(tǒng)是以提高水壓的調(diào)節(jié)性為目的，主要由配水干管、配水管及配水噴頭組成。在配水管選擇上，力求配水均勻的原則。并且根據(jù)水在管道中的流動(dòng)有逐漸減少的特性，選取漸縮的管道。在冷卻塔的頂部安裝了3個(gè)散熱風(fēng)機(jī)，它是整個(gè)冷卻系統(tǒng)中的重要裝置。在冷卻塔中加裝散熱風(fēng)機(jī)，其目的是為了提高冷卻塔塔腔內(nèi)的空氣流動(dòng)速度，增加冷卻塔的冷卻效率。

1.2 控制箱設(shè)計(jì)

控制箱主要是裝載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電氣控制器件，其核心控制部件是菲尼克斯ILC130型號(hào)的PLC，操作人員將編寫(xiě)好的程序下裝到PLC中，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)的被控部件下達(dá)指令，使其做出相應(yīng)的動(dòng)作。在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，其主要控制對(duì)象是：風(fēng)量、水流量、加熱器的功率，其中風(fēng)量的調(diào)節(jié)范圍為0～8 325 L/min，水流量的受控范圍為0～7 L/min，功率的調(diào)節(jié)范圍為0～3 kW?？刂葡鋬?nèi)的熱電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻塔進(jìn)、出口水溫采集，采集后的溫度經(jīng)溫度變送器將其模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并完成控制任務(wù)。電力調(diào)整器在控制電路中通過(guò)輸入信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)加熱器的功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻塔進(jìn)水水溫的初步控制。系統(tǒng)受控過(guò)程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)受控過(guò)程

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和記錄，而且能提供一個(gè)可操作的人機(jī)交互界面。為了保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中正常運(yùn)行，上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有自動(dòng)和手動(dòng)控制功能，即在自動(dòng)檔位時(shí)，不需要任何人工干預(yù)，控制器能夠自動(dòng)按照程序設(shè)定，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行相應(yīng)的操作。在手動(dòng)控制方式下，可以人為地控制各個(gè)受控模塊。同時(shí)自動(dòng)和手動(dòng)之間可以合理切換，避免監(jiān)控系統(tǒng)在工作中出現(xiàn)差錯(cuò)。

上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，是以MCGS組態(tài)軟件作為監(jiān)控界面的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并利用莫迪康Modbus TCP實(shí)現(xiàn)MCGS與PLC之間的數(shù)據(jù)通信。上位機(jī)界面主要任務(wù)是實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置、實(shí)驗(yàn)監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的要求，主要有以下幾個(gè)功能界面。

(1)系統(tǒng)主界面。顯示整個(gè)循環(huán)冷卻水實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的主界面，在此界面下可以完成對(duì)加熱器的開(kāi)關(guān)，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電源的開(kāi)關(guān)，對(duì)系統(tǒng)手動(dòng)控制方式和自動(dòng)控制方式之間的切換，實(shí)時(shí)監(jiān)視實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)的顯示。監(jiān)控系統(tǒng)的主界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)的主界面

(2)參數(shù)設(shè)置界面。實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻塔的進(jìn)水溫、出水溫、循環(huán)水的水流量、散熱風(fēng)機(jī)的風(fēng)速等相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置，并且給出參數(shù)設(shè)置的上下限。

(3)風(fēng)機(jī)狀態(tài)界面。該界面主要實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，利用信號(hào)燈的狀態(tài)來(lái)顯示風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行。并且界面中每個(gè)風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)風(fēng)機(jī)啟停操作。

(4)復(fù)合曲線界面。在實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作中，平臺(tái)中的給水溫和回水溫呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。該界面不僅記錄實(shí)驗(yàn)水溫的變化數(shù)據(jù)，而且能夠?qū)⒂涗浀臄?shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間復(fù)合成曲線，直觀的表現(xiàn)出二者的數(shù)學(xué)關(guān)系。

(5)傳感校正界面。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中，由于受到主客觀因素的影響，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)會(huì)存在系統(tǒng)誤差。該界面能夠顯示設(shè)置量、實(shí)測(cè)量和偏差，方便誤差消除和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確計(jì)算。

(6)登錄管理界面。由于系統(tǒng)具有不同的操作等級(jí)，不同等級(jí)的用戶(hù)擁有不同等級(jí)的操作權(quán)限。為了防止用戶(hù)越權(quán)操作，設(shè)計(jì)了該管理界面。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用

工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以提高學(xué)生的綜合素質(zhì)為目的，以發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力為宗旨，以融合教學(xué)內(nèi)容和工程能力為準(zhǔn)則的實(shí)踐訓(xùn)練體系[4-5]?；诒緦?shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)出以下具有專(zhuān)業(yè)學(xué)科交叉和培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)[6]的課程實(shí)驗(yàn)。

2.1 模擬火電廠循環(huán)水系統(tǒng)性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要依據(jù)凝汽器的最佳真空[7-11]作為火電廠循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。制定模型的性能評(píng)判準(zhǔn)則，優(yōu)化不同的系統(tǒng)負(fù)荷下循環(huán)水泵的工作方式。

本設(shè)計(jì)基于貼近實(shí)際發(fā)電情況下循環(huán)冷卻水的熱交換過(guò)程，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化判定，使學(xué)生能夠更好地掌握火電廠循環(huán)水系統(tǒng)性能優(yōu)化的技術(shù)和方法。

(1) 建立目標(biāo)函數(shù)?；谀鞯淖罴颜婵盏亩x，確定汽輪機(jī)功率增量和循環(huán)水泵的功率增量之差最大值為目標(biāo)函數(shù)。

(2) 模型計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，加熱器模擬汽輪機(jī)和凝汽器部分。需要將凝汽器的熱力特性、汽輪機(jī)的通用曲線轉(zhuǎn)換成計(jì)算模塊，確立水溫與功率增量的關(guān)系。熟悉火電廠動(dòng)力部分的熱力計(jì)算和數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換。

(3) 參數(shù)設(shè)置。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中利用加熱器的熱負(fù)荷模擬汽輪機(jī)的工作負(fù)荷。通過(guò)對(duì)負(fù)荷的調(diào)節(jié)，得出該負(fù)荷下水泵的最優(yōu)工況。了解電廠水循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化原理。

(4) 程序編寫(xiě)及實(shí)現(xiàn)。將計(jì)算公式編寫(xiě)入PLC中，使得模擬汽輪機(jī)變負(fù)荷工作時(shí)，循環(huán)水泵在最優(yōu)額定工況下運(yùn)行。

2.2 PID參數(shù)調(diào)節(jié)溫度控制實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)循環(huán)冷卻水的進(jìn)、出口溫差進(jìn)行控制。利用傳統(tǒng)的PID控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的調(diào)節(jié)，更進(jìn)一步，采用模糊控制理論實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)[12-16]。

通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)，主要使學(xué)生在面對(duì)復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)時(shí)，綜合分析系統(tǒng)的組成、工作原理和控制目的，提出相應(yīng)的控制策略，能夠使其滿足基本的控制要求。在處理一些非線性特性強(qiáng)、參數(shù)變化大、數(shù)學(xué)模型不清晰的系統(tǒng)時(shí)，給出一種實(shí)際工程上比較普遍的方法。

(1) 模型建立。確定系統(tǒng)的輸入量、輸出量，將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)滿負(fù)荷運(yùn)作時(shí)，記錄輸入、輸出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立輸入量、輸出量的微分方程，對(duì)微分方程進(jìn)行拉氏變換求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。在數(shù)學(xué)建模過(guò)程中，使學(xué)生掌握數(shù)學(xué)手段處理工程中的變量關(guān)系。

(2) 模型仿真。在Simulink中仿真出PID控制器對(duì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的控制。掌握系統(tǒng)仿真對(duì)模型的分析和評(píng)價(jià)，以及PID參數(shù)調(diào)節(jié)的方法和步驟。

(3) 庫(kù)文件加載到PLC。將Simulink中PID控制模型離散化，利用Simulink PLC Coder工具將模塊轉(zhuǎn)化成PLC所要求的特定文件，并加載到PLC中。熟悉掌握Simulink開(kāi)發(fā)PLC控制算法程序。

(4) 程序運(yùn)行。下裝好程序，將平臺(tái)通電調(diào)試。

(5) 控制算法改進(jìn)。依據(jù)模糊控制理論，設(shè)計(jì)和編寫(xiě)模糊控制器，將模糊PID控制器編譯入PLC中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。熟悉掌握模糊控制器的設(shè)計(jì)要領(lǐng)，分析模糊PID控制器與經(jīng)典PID控制器的區(qū)別。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的相關(guān)設(shè)計(jì)，通過(guò)PLC控制，MCGS上位機(jī)的顯示和參數(shù)設(shè)置，將PLC的邏輯功能與組態(tài)軟件的延續(xù)性和擴(kuò)充性相結(jié)合，功能豐富，系統(tǒng)可控性好，處理能力強(qiáng)，是一個(gè)理論與實(shí)踐無(wú)縫融合的實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)。并且依據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)的模擬平臺(tái)與實(shí)際工程相結(jié)合，加強(qiáng)同學(xué)對(duì)工業(yè)應(yīng)用中循環(huán)水的控制理論與控制策略選擇等方面學(xué)習(xí)和研究。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)已應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)中。從教學(xué)反饋的信息中表明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅完成了教學(xué)任務(wù)，還為學(xué)生提供了創(chuàng)新的實(shí)踐環(huán)境。

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