特种循环冷却装置控制系统研究

2010-06-19崔坤理江用胜齐东华

制冷 2010年2期

崔坤理,江用胜,齐东华,王标

(1.合肥通用机械研究院,安徽合肥230031;2.青岛92132部队装备部,山东青岛266405;3.上海交通大学,上海200030)

1 引言

随着现代电子技术的飞速发展,包括微处理器、计算机和数字通信技术在内的现代控制技术已经应用到各个行业中。当前用于控制的计算机类产品大致可以分为这几类:可编程控制器 (PLC)、基于PC总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置、用于模拟量闭环控制的可编程调节器、集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS等。本文着重研究某特种循环冷却装置的PLC控制技术。

2 特种循环冷却装置组成

该特种循环冷却装置主要由三部分组成:(1)制冷系统:由压缩机、水冷冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成;(2)风系统:由回风箱、离心风机、过滤器组成;(3)控制系统:由PLC、触摸屏、回热阀、三通阀、和传感器等组成。特种循环冷却装置的系统原理图见图1。

2.1 制冷系统和风系统原理

低温低压制冷剂气液混合工质在蒸发器中吸收风机送入空气中的热量,转变为低压制冷剂蒸汽。这个过程使风温下降从而达到制冷的作用。压缩机吸入低压制冷剂蒸汽,经压缩后的高温高压制冷剂进入冷凝器,高温高压的工质与水换热,使制冷剂变成常温高压的液体,通过膨胀阀节流作用,使工质成为低温低压的气液混合体,进入蒸发器蒸发吸热,如此循环。

图1 特种循环冷却装置系统原理图

在此装置中高温高压气体的冷凝为两部分,一部分为水冷冷凝器,另一部分通过旁通阀进回热器,利用冷凝作用对送风机送出的空气进行除湿,节约能量。在此循环过程中,空气的温度将被降低而相对湿度增加,可高达95%,然后经过回热器加热后,温度上升,湿度大大降低,从而使空气出口温、湿度满足负载要求。

2.2 控制系统

控制系统的核心部件是PLC。PLC是随着自动化水平的日益提高及微电子技术的高速发展,在传统的继电器控制基础上产生的一种新型控制装置。它将3C(Computer,Control,Communication)技术,即微型计算机技术、控制技术及通信技术融为一体,应用到控制领域的一种高可靠性控制器。在具体的工程实践中,这种控制方式控制程序开发周期短,现场调试方便,是一种 “傻瓜”型的控制方式。

3 控制系统控制参数研究

3.1 突变点分析

该机组控制的关键控制点是送风温湿度。由于该机组送风温度设定点和高温报警点相距很近,控温曲线中的首个峰值易出现压缩机工况的突变,压缩机工况的突变对控温曲线和回热阀的冲击是最大的。回热阀开度曲线中的AB段是最易出现波动的点,如图2中所示。在时间T1与T2之间,程序自动的跟踪回热阀的开度来拉伸压缩机变工况温度点。把变压缩机工况点设定在当回热阀开度在5%,温度突破上限25℃,或是回热阀开度在95%,温度突破下限17.5℃。在该点应立即变压缩机工况。让压缩机上载与卸载点在一个温度范围内跟踪回热阀开度来决定,而不是一个固定的点。并且上载与卸载点有一个共同区。避免出现压缩机上载与卸载而引起的正弦震荡。目标是让系统在压缩机单个工况内,能适应与回热相当的热量波动。

图2 温度与回热阀阀位曲线图

3.2 系统控制点分析

该机组为封闭式循环系统,空气变化分别在如图3所示的A、B、C、D四点:

A点为经过现场热源后的热湿空气,该点温湿度不受控,在系统设计中考虑;

B点为经过蒸发器吸热后的出口温度,该点温度和绝对湿度都比较低,但相对湿度一般在95%左右;

C点为空气通过回热器和电加热升温后的空气点,该点对B点流入的空气升温除湿,使相对湿度达到50%左右;

图3 系统温度点

D点为经过风机热源后一个升温点。

系统的送风温度点的探头在D点,可以将C、D都认为是一个升温过程。

4 软件开发

程序的设计采用结构化设计,将所需实现的各主要功能用子功能块FC实现,然后在主程序OB1调用。系统主要功能模块有手动块、自动块、PID块等。程序的所有控制点对外是一种接口,可以通过人机界面实时干预或更新程序设定参数。这样对过程系统的调试不会过多关心程序的实现,而是将重心放在过程控制对现场负荷变化。让程序对调试人员是不可见的。

4.1 PID调节

该系统PID调节主要有两个环节,一是回热阀控制送风温度,另一个是三通阀控制冷凝压力。程序流程图如图4所示。其中高温工况与低温工况的程序流程图基本相同,只是风温等参数设定值有所不同。

图4 PID调节程序流程图

式中参数如下:

ev(t)—控制器输入量 (误差信号),

sp(t)—设定值;

pv(t)—过程变量 (反馈值);

M—积分部分的初始值

KI=Kp/TI、KD=KpTD/Ts分别是积分系数和微分系数。在FB41”CONT—C”(连续控制器)中,Tp、TI、TD和M分别对应于输入参数GAIN、TI、TD 和I—ITLVAL。

根据实际情况,采用PI调节器来控制温度和冷凝压力,PID框图如图5所示。

图5 送风温度PID框图

PID参数整定,是从应用的角度出发。利用工程经验通过触摸屏写入P、I、D的参数。在现场跑机的过程中对比例、积分修正。

4.2 通信

本系统采用点对点PtP(Point to Point)通信。使用带有PtP通信功能的CP340通信处理器(RS422/RS485)可以与PLC、计算机或别的带有串口设备通信。使用ASCII传输协议连接外部系统,它是采用起始符、结束符和带块校验字符的协议,可以通过用户程序询问和控制接口的握手操作。S7提供 FB3” P—SEND” 和 FB2”P—RCV”功能函数实现CP340的PtP通信功能。