林文城

基于PLC的雙溫包溫度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)研究

林文城

（廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建廈門(mén) 361012）

在取暖工況下，船用中央空調(diào)器采用雙溫包溫度調(diào)節(jié)器來(lái)控制水蒸氣流量，來(lái)調(diào)節(jié)空調(diào)艙室的溫度。針對(duì)傳統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)閥存在的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)基于PLC雙溫包溫度調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)選擇以PLC-S7系列為下位機(jī)，定期采集裝置運(yùn)行技術(shù)參數(shù)數(shù)值，PID運(yùn)算后，輸出脈寬調(diào)制信號(hào)，改變比例電磁閥開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)鍋爐水蒸氣的流量，自動(dòng)合理調(diào)整空調(diào)艙室溫度，充分發(fā)揮控制系統(tǒng)精度高、響應(yīng)快和維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，契合智能無(wú)人駕駛船舶的設(shè)計(jì)理念。

雙溫包溫度調(diào)節(jié)器 中央空調(diào)器 溫度補(bǔ)償率

0 引言

在船用中央空調(diào)器裝置中，降溫工況采用制冷劑對(duì)送風(fēng)進(jìn)行冷卻和除濕，而在取暖工況利用鍋爐產(chǎn)生的飽和水蒸氣對(duì)送風(fēng)進(jìn)行加熱和加濕。在取暖工況下，為了提高空調(diào)艙室的舒適體驗(yàn)，部分中央空調(diào)采用在加熱器裝設(shè)具備補(bǔ)償功能的雙液體感溫包直接作用式溫度調(diào)節(jié)器（以下簡(jiǎn)稱雙溫包溫度調(diào)節(jié)器），用來(lái)調(diào)節(jié)水蒸氣的流量，控制加熱器的溫度，從而合理控制送風(fēng)溫度。雙溫包溫度調(diào)節(jié)器借助兩個(gè)液體感溫包，分別裝設(shè)在空調(diào)器的新風(fēng)口和送風(fēng)口，采集新風(fēng)溫度和送風(fēng)溫度的變化量，根據(jù)設(shè)定的溫度補(bǔ)償率，自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱器中水蒸氣流量，來(lái)控制中央空調(diào)器的送風(fēng)溫度來(lái)滿足空調(diào)艙室的需求。

但在實(shí)際使用管理中，雙溫包溫度調(diào)節(jié)器也暴露出一些問(wèn)題，比如存在控制偏差大、反應(yīng)滯后、穩(wěn)定性差和設(shè)定值調(diào)節(jié)難等不足。為了改善這類雙溫包溫度調(diào)節(jié)器在船用中央空調(diào)器采暖工況的工作性能，研制基于PLC控制和觸摸屏顯示的自動(dòng)控制系統(tǒng)，本著依據(jù)環(huán)境溫度的變化自動(dòng)補(bǔ)償送風(fēng)溫度的原則，適時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)加熱器水蒸氣的流量，同時(shí)滿足其溫度補(bǔ)償率、溫度、風(fēng)壓和回風(fēng)比等技術(shù)參數(shù)的設(shè)置、顯示和保存等需求。

1 雙溫包溫度調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

雙溫包溫度調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的硬件組成中，下機(jī)位考慮選用西門(mén)子PLC-S7-200系列CPU 226CN，如圖1所示，輸入輸出擴(kuò)展模塊選用西門(mén)子品牌的EM235，溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器等與PLC相連。此外，為展現(xiàn)人機(jī)界面，PLC通過(guò)RS232／485 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間通信，上位機(jī)選用帶串行通訊口的TD200觸摸屏，從而建立溫度調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)硬件的基本框架。

圖1 溫度調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的硬件組成框圖

2 系統(tǒng)控制原理

采暖工況下，具備溫度補(bǔ)償功能的船用中央空調(diào)器，可以根據(jù)艙室隔熱質(zhì)量、船員自身需求和裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等情況，來(lái)設(shè)定相應(yīng)的溫度補(bǔ)償率數(shù)值。所謂溫度補(bǔ)償率，是中央空調(diào)器的送風(fēng)溫度變化量和新風(fēng)溫度變化量的比值，則當(dāng)環(huán)境溫度出現(xiàn)偏差，送風(fēng)溫度隨之調(diào)節(jié)，以確保通過(guò)送風(fēng)量溫度的調(diào)整，來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)空調(diào)艙室的溫度都能維持在期望值上。

周期性借助傳感器采集中央空調(diào)器的新風(fēng)口和送風(fēng)口的溫度值，數(shù)模轉(zhuǎn)換后，由PLC控制模塊依據(jù)上位機(jī)輸入溫度補(bǔ)償率的初始值，進(jìn)行PID運(yùn)算后生成控制信號(hào)，該控制信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換輸出PWM信號(hào)。利用開(kāi)關(guān)式放大電路，PWM信號(hào)控制蒸汽閥的開(kāi)度，調(diào)節(jié)加熱蒸汽的流量來(lái)改變空調(diào)的送風(fēng)溫度。根據(jù)反饋控制電路信號(hào)數(shù)值，PLC控制模塊計(jì)算溫度補(bǔ)償率的實(shí)測(cè)值與初始值的偏差值，來(lái)進(jìn)一步調(diào)整蒸汽流量的數(shù)值。

3 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控和下位機(jī)程序設(shè)計(jì)，分別應(yīng)用組態(tài)王和編程軟件STEP7兩種軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，來(lái)提升傳統(tǒng)雙溫包溫度調(diào)節(jié)器調(diào)控能力，彰顯在取暖工況下船用中央空調(diào)器的人性化和智能化。

3.1 PLC控制程序的設(shè)計(jì)

3.1.1 PLC的工作原理

根據(jù)船用中央空調(diào)器的運(yùn)行特點(diǎn)和技術(shù)要求，編寫(xiě)控制程序并輸入PLC的寄存器，在上位機(jī)上輸入裝置技術(shù)參數(shù)的初始值。在設(shè)定的掃描周期里，通過(guò)用戶輸入設(shè)備信號(hào)傳輸，PLC循環(huán)性采集系統(tǒng)組成的工作狀態(tài)和技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)，例如利用溫度傳感器收集空調(diào)送風(fēng)口和回風(fēng)口的適時(shí)溫度值，導(dǎo)入并執(zhí)行輸入映像寄存器上的控制程序，將按一定順序運(yùn)行獲得的結(jié)果數(shù)值保存在輸出映像寄存器中，所有控制程序執(zhí)行完畢，PLC將計(jì)算結(jié)果輸入鎖存器后，驅(qū)動(dòng)用戶輸出設(shè)備進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)調(diào)整，確保系統(tǒng)被控對(duì)象技術(shù)參數(shù)目標(biāo)值長(zhǎng)期穩(wěn)定維持在設(shè)定的范圍內(nèi)。

3.1.2 PLC控制程序開(kāi)發(fā)

裝置啟動(dòng)前，控制系統(tǒng)先檢查中央空調(diào)器的新風(fēng)和回風(fēng)等風(fēng)門(mén)的位置情況，讀取鍋爐飽和水蒸氣的溫度值，開(kāi)啟蒸氣閥，對(duì)空調(diào)器的加熱器進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到設(shè)定的溫度后，起動(dòng)風(fēng)機(jī)，開(kāi)始向空調(diào)艙室提供暖風(fēng)，最后再經(jīng)過(guò)加濕器的加濕作用，中央空調(diào)器就正式開(kāi)啟取暖工況。裝置正常運(yùn)行中，溫度控制系統(tǒng)定期檢測(cè)空調(diào)器新風(fēng)口的溫度變化值，即感受大氣環(huán)境溫度條件的變化。若大氣環(huán)境溫度下降即溫差變大時(shí)，則空調(diào)器出風(fēng)口的溫度隨之下降，溫度控制器的溫度補(bǔ)償率數(shù)值減小，這種情況下空調(diào)艙室的溫度將大幅度下降而短時(shí)間內(nèi)無(wú)法滿足船員的生活要求。出現(xiàn)這種情況時(shí)，控制系統(tǒng)將根據(jù)溫度補(bǔ)償率數(shù)值的變化，即時(shí)開(kāi)大加熱器蒸氣閥的開(kāi)度，增加水蒸氣的流量，提高空調(diào)器出口的送風(fēng)溫度，確保溫度補(bǔ)償率數(shù)值的穩(wěn)定，才能保證空調(diào)艙室溫度符合要求。

如圖2所示，取暖工況下，溫度調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)借助傳感器和開(kāi)關(guān)元件等自動(dòng)化元件，實(shí)時(shí)測(cè)量空調(diào)裝置運(yùn)行的模擬信號(hào)數(shù)值，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)輸入PLC，為此PLC運(yùn)行用戶程序進(jìn)行PID運(yùn)算，把運(yùn)算后的結(jié)果作為輸出信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)空調(diào)裝置的技術(shù)參數(shù)和開(kāi)關(guān)量進(jìn)行針對(duì)性調(diào)節(jié)，最后把調(diào)節(jié)后的裝置運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行反饋，決定是否繼續(xù)計(jì)算調(diào)節(jié)循環(huán)。其中，溫度調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)最重要的工作任務(wù)是是控制加熱器蒸氣閥的開(kāi)度，采集新風(fēng)口和送風(fēng)口溫度的偏差值，計(jì)算裝置溫度補(bǔ)償率的實(shí)際值，獲得與溫度補(bǔ)償率初始值的變化量，以該變化量為依據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)蒸氣閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)維持空調(diào)艙室溫度達(dá)到設(shè)定要求。

圖2 溫度調(diào)節(jié)器控制流程圖

1）數(shù)據(jù)采集

西門(mén)子PLC-S7-200系列CPU 226CN擁有2個(gè)RS-485串行口，其一串行口連接人機(jī)界面TD200觸摸屏，通過(guò)與觸摸屏通信，將裝置技術(shù)參數(shù)初始值和強(qiáng)制I／O點(diǎn)診斷功能等導(dǎo)入PLC，同時(shí)把運(yùn)算的結(jié)果在觸摸屏上顯示出來(lái)。CPU 226CN配備光電隔離功能的24路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，借助EM235模擬量輸入輸出模塊，利用溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器等，導(dǎo)入裝置實(shí)時(shí)運(yùn)行技術(shù)參數(shù)的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后依照順序存放在寄存器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集目的。

2）PID運(yùn)算

如圖3所示，建立在西門(mén)子PLC-S7-200系列CPU 226CN基礎(chǔ)上的溫度調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)器取暖工況下溫度的PID控制。在裝置運(yùn)行技術(shù)參數(shù)中，溫度補(bǔ)償率是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋控制的核心參數(shù)，其計(jì)算結(jié)果C(t)轉(zhuǎn)化為4～20 mA電流信號(hào)，此電流信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，作為反饋信號(hào)傳送回PLC。經(jīng)過(guò)PID計(jì)算，可以得到該運(yùn)算值p(t)與初始值sp(t)兩者的溫度補(bǔ)償率偏差e(t)，依據(jù)偏差e(t)的計(jì)算結(jié)果，PLC輸出控制信號(hào)M(t)，采用電流數(shù)值的不同來(lái)調(diào)節(jié)電磁力的大小，從而控制銜鐵位置來(lái)調(diào)整比例閥閥芯的方向和位置，來(lái)改變加熱蒸氣閥的開(kāi)度，以調(diào)整加熱器的水蒸氣流量，保證溫度調(diào)節(jié)器的溫度補(bǔ)償率C(t)在設(shè)定的范圍內(nèi)。

PID輸出控制信號(hào)M(t) 與溫度補(bǔ)償率偏差e(t)的關(guān)系式為：

式(1)中：e(t)=sp(t)一p(t)——溫度補(bǔ)償率偏差；sp(t)——溫度補(bǔ)償率初始值；p(t)——溫度補(bǔ)償率計(jì)算值；c(t)——溫度調(diào)節(jié)器溫度補(bǔ)償率；M(t)——PID輸出值；M0——輸出值初始值，KP——比例控制增益；TI——積分時(shí)間常數(shù)；TD——微分時(shí)間常數(shù)。根據(jù)溫度調(diào)節(jié)器的性能特點(diǎn)和技術(shù)要求，來(lái)設(shè)定系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量和工作參數(shù)的測(cè)定周期T，從而離散化PID輸入輸出關(guān)系公式，這樣來(lái)取得系統(tǒng)測(cè)定第n次數(shù)據(jù)時(shí)的輸出公式為：

式(2)中：T-數(shù)據(jù)采集周期；n-數(shù)據(jù)采集次數(shù)，n =1，2，3……；e(n)-第n次數(shù)據(jù)采集后計(jì)算所得的溫度補(bǔ)償率偏差；M(n)-第n次數(shù)據(jù)采集后PID輸出值。

3）脈寬調(diào)制輸出

根據(jù)PLC的輸出信號(hào)，脈寬調(diào)制（PWM）將響應(yīng)并輸出相應(yīng)占空比數(shù)值的脈沖寬度信號(hào)，來(lái)控制模擬電路的工作過(guò)程。在船用中央空調(diào)器溫度調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)中，依據(jù)系統(tǒng)計(jì)算反饋的溫度補(bǔ)償率偏差數(shù)值，輸出周期固定而占空比變化的脈寬調(diào)制PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路后該P(yáng)WM輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電磁鐵的電流信號(hào)，隨著PWM占空比的改變，就可以獲得持續(xù)調(diào)節(jié)比例線圈的電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)比例電磁鐵全位置輸出，這樣就確保了加熱器蒸氣閥的開(kāi)度連續(xù)調(diào)節(jié)達(dá)到改變水蒸氣流量目的，完成自動(dòng)控制溫度調(diào)節(jié)器的溫度補(bǔ)償率在初始值上，最終保證空調(diào)艙室的溫度一直穩(wěn)定在設(shè)定的范圍內(nèi)。另外，脈寬調(diào)制的開(kāi)關(guān)型電路運(yùn)行方式，大幅度降低了普通電磁閥的發(fā)熱程度，采用信號(hào)反饋和電子補(bǔ)償?shù)确椒ǎ瑏?lái)減少滯環(huán)和消減死區(qū)的影響，發(fā)揮了抗干擾性強(qiáng)和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)

為實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面，船用中央空調(diào)器溫度調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的上位機(jī)，選擇PLC-S7-200系列常用文本顯示器——TD200，采用工業(yè)組態(tài)軟件進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。TD200文本顯示器，可以適時(shí)顯示裝置技術(shù)參數(shù)并內(nèi)嵌數(shù)據(jù)，也可以由技術(shù)人員進(jìn)行編輯。

4 結(jié)論語(yǔ)

研制基于船用中央空調(diào)器溫度調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮PLC抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好、功能強(qiáng)大和適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)，快速響應(yīng)，及時(shí)消除穩(wěn)態(tài)偏差，并超前補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)的滯后，保證裝置在取暖工況下長(zhǎng)時(shí)間為船員創(chuàng)造舒適穩(wěn)定的居住條件，同時(shí)，友好的人機(jī)界面，降低了設(shè)備運(yùn)行管理的難度和簡(jiǎn)化裝置的維修手續(xù)，契合目前智能無(wú)人駕駛船舶的設(shè)計(jì)理念，可以考慮在其他動(dòng)力設(shè)備的控制系統(tǒng)上推廣應(yīng)用。

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Design and research of double temperature packet temperature regulator based on PLC

Lin Wencheng

(Xiamen ocean vocational and technical college, fujian 361012, Xiamen, China)

TH789

A

1003-4862（2023）08-0012-03

2023-01-09

林文城（1975-），男，副教授。研究方向：船舶輔機(jī)自動(dòng)控制和維護(hù)管理。E-mail: jyyxyy@126.com