工业管线现场节能评价管道模型装置设计

王玲

（天津机电职业技术学院，天津 300131）

工业管线现场节能评价管道模型装置设计

王玲

（天津机电职业技术学院，天津 300131）

在石化工业存在着大量的工业管线，管线中流动的介质温度较高，研究管线的保温效果和对保温效果的评价是石化工业中节约能源的重要实际问题。开展有关工业管线保温节能效果评价装置的设计。主要研究的内容是设计一套工业管线现场节能评价测试装置，即通过设计一个RS-485总线与单片机组成的主从分布式温度测控系统来实现对工业管线现场节能效果的评价测试。

单片机；温度控制；数据采集；传感器

0 序言

在开展研究的过程中要针对实际工况中的现场情况在实验室中开展模拟实验，在实验过程采集实验数据以便于后续的神经网络训练，这些数据决定了神经网络系统建模的最终可行性，所以实验装置的设计、安装、测试以及实验数据的采集都是非常重要的。针对这一情况，研制可靠且实用的温度控制系统显得非常重要。温度控制系统是正确完成实验取得实验数据的重要保障，它采用传感器技术、单片机技术和现代通信技术实现自动化管理，具有各种安全保护，运行监控和管理等功能[1]。

所使用的数据采集装置依托传感技术的优势，通过I/O接口板、温度传感器等现代电子产品实现实时采集数据，并以各种通讯协议方式，实现数据传输、处理、实时监控等功能，是进行自动监控的一种智能、高效系统。在这样的系统中，单片机系统充分发挥了实时数据采集、图形处理、显示以及数据库管理上的优点，数据采集系统一般需要长时间、高速度地进行数据采集，将会产生大量的数据，需要组织、存储、处理数据，并对实验装置进行严格的监控[2]。

1 模拟装置具体设计要求

管道模型主要由加热装置和温度检测系统两部分组成。管道模型的设计主要由系统功能要求决定，基本设定如下。

（1）温度设定：温度可根据需要在150℃～400℃范围内进行设定。

（2）温度显示：显示设定温度、测温点实际温度；

（3）控温范围：100℃～450℃。

（4）温度控制精度：温度稳态控制误差≤±2%FS。

（5）温度测定：在每根被加热管外壁适当位置分别布置2个热电偶，要求测量准确；对检测2点温度进行平均作为管壁温度加以控制。

（6）装置对3个加热装置独立（不同时工作）进行检测与控制。3个独立加热装置不同时工作，根据指令加以切换，不允许在加热过程中进行切换，必须停止加热后再进行切换。

根据保温测试的需要，配置可进行拆装的适合不同温度范围的保温套。

2 数据采集装置与仪器工具

实验现场采用三个直径不同的圆柱形铁质容器模拟真实现场的输送物料的管道，管道内部用电加热管模拟实际输送的具有一定温度的介质。用智能温度控制仪器控制管道内的加热管，使其达到需要模拟的介质温度。用热流计检测管道的表面温度和热流值，将检测到的数据采集下来作为原始数据用来训练神经网络。用温度计和风速计测量实验现场的室内温度和实时风速。用电扇模拟不同的风速。现场架设上述加热管道模型后，利用热流计、风速计和温度计采集管道表面热流、管道表面温度和现场风速，用以后续运算。

2.1 管道模拟加热装置设计方案

（1）加热钢管的选型

根据试验的需求选取 ϕ114 mm×2 000 mm（一根）、 ϕ159 mm×2 000 mm （一根）、ϕ219 mm×2 000 mm （一根）管材，材质为碳钢，管壁厚度3 mm，钢管两端端面均可拆装。

（2）加热管的选型与功率的确定

钢管式加热装置采用卧式放置，U形加热器放置在钢管内，加热器单端固定与出线，在装置没有固定加热元件的端面上设有直径10 mm的排气管。

加热装置的主要功能元件即为镍铬合金加热管，加热管的功率大小是由温度的技术要求和升温速率决定的。装置要求的最高温度为450℃，所以加热管的设计上限温度为500℃，根据吸热放热公式

其中：Q为热能；m为质量；c为比热容；ρ为密度；V为体积；△T为变化的温度。

可得到所需的热能。

Φ219钢管：

t为加热管升温时间取2 s，P加热管=7.5 kW，为加热管的功率。因此选择使用8 kW的加热管加热ϕ219钢管。

ϕ159钢管：

t为加热管升温时间，取2 s，P加热管=5 kW。因此选择使用5 kW的加热管加热Φ159钢管。

ϕ114钢管：

t为加热管升温时间，取2s，P加热管=3.95 kW 。因此选择使用5 kW的加热管加热ϕ114钢管。

（3）加热钢管支架

钢管与支架固定，采用带隔热层的固定方式。

（4）加热钢管外保温层加工

每个保温测试装置的钢管外，安装可进行拆装的保温套。ϕ219×2 000钢管设置3个保温套，其余两只钢管分别设置2个保温套。保温套采用耐高温（500℃）保温材料（如，硅酸铝毡），保温套应足够长（以不影响支架为限）。

保温套外表为0.5 mm厚薄板。每个保温套均为可拆装式，由2个半圆形套组成，一侧通过铰链（螺栓）加以连接，另一侧通过罗栓加以固定。保温层厚度如表1所示。

表1 保温层厚度一览表mm

（5）管内安置1 900 mm长，U型不锈钢管式加热器（工作电压380 V）。加热器一端采用螺纹固定（根据加热器具体确定）在钢管端部的法兰上，加热器另一端在钢管内需要加以支撑。

（6）温度传感器的安装

温度传感器采用的是热电偶，它可以实现温度的实时监测，并将温度转化为相对应的电压信号，经过处理后就可以直接送入单片机控制系统中，用于实现温度的监测以及控制。温度传感器安装在钢管壁上并加以固定，温度传感器在钢管没安装加热器的一侧引出至变送器箱。

（7）接线盒与变送器箱

在钢管安装加热器一端，安装端盖可开启的接线盒，并内置隔热材料，保证接线盒内温度不过高。在钢管的温度传感器引出一端，设置保温隔热层，保温层端盖留有温度传感器引出所需直径10 mm圆孔，并在距离该端盖300 mm处安装温度变送、采集与485通信系统箱，并用螺栓固定在装置的支架上，其尺寸为300 mm×500 mm× 400 mm（宽×高×厚）。

2.2 温度监测显示控制柜设计

温度监测显示控制柜外形尺寸为400 mm× 1 400 mm×400 mm（宽×高×厚），内部装有温度监测显示控制屏、电源以及继电接触器等电器装置。

根据控制要求，温度监控屏面板如图1所示。

面板中实时显示指定装置的温度监测点温度平均值以及装置温度设定值。通过温度设置按钮可以在控制范围内任意设定装置的温度控制值。通过切换按钮可以任意切换指定的测试装置并加以显示。

温度控制方式采用PID控制器对温度进行调节控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即使当不完全了解一个系统和被控对象，或是不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，也适合采用PID控制技术。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。因此本系统采用PID控制器对监测温度实行控制较为方便经济。

图1 控制面板示意图

整个系统由温度传感器、A/D转换电路、单片机等组成数据采集系统（即下位机）。温度传感器检测温度后，输出信号为4～20 mA电流信号，在经过250 Ω电阻后转变成1～5 V电压信号，进行A/D转换。电压信号经过A/D转换后变成数字信号，传给单片机，再由RS-485总线传给上位机，有上位机进行数据处理及进行相应的显示。其结构图如图2所示。

图2 数据采集结构图

温度传感器采集到温度后经A/D转换芯片ADC0832将连续的模拟量温度转换为离散的数字信号电流，再经变送器将电信号转变为适用于单片机AT89S51计算处理的标准的电信号0～5 V电

图3 数据采集转换电路

压。电信号经过单片机AT89S51对信号进行分析处理后再经RS-485电平转换电路传送到主站温度监控系统，从而进一步实施对温度的有效监控。电路如图3所示。

3 总结

本文根据给出的技术要求进行了系统总体方案设计，在此基础上，设计了工业管线实验模型装置的结构，根据热学原理进行了加热体设计，实现了RS-485总线主从式通信、相关的显示等外围电路以及控制器等的软硬件设计。本文设计的保温评价装置已经在现场进行了实际实验，表明该装置具有较好的实用性，基本达到了预期的设计要求。

［1］许燕萍，杨代华.RS485串行总线可靠性的研究［J］.电子科技，2009（02）：8-10.

［2］李智祥，陈瑞.多点温度监控系统的设计［J］.现代电子技术，2009（03）：140-142.

［3］苏威，刘宁.高精度多路温度检测系统设计［J］.自动化技术与应用，2007（02）：54-57.

［4］祖庆喜，秦广武，曲晓燕.供热管道保温技术分析［J］.林业机械与木工设备，1997（02）：22-25.

［5］苏磊，付军隆，俞昌铭，等.保温管道经济评估的优化设计模型［J］.节能技术，1999（01）：18-25.

图7 PLC对控制器的输入信号程序

图8 机器人运动到点位反馈给PLC后做标记程序

上述两个程序都是PLC与机器人控制器之间信号传递的实现部分，是整体程序实现的核心。

4 结语

使用可编程控制器与两个单轴机器人组成分拣系统，实现了药瓶的自动分拣，不仅减轻了工人的劳动强度，而且提高了工作效率、同时具有准确的定位精度、较好的适应能力等性能，由于该系统可靠性高，维修方便，具有广泛的应用前景；此控制系统是PLC、触摸屏与伺服驱动器结合控制工业机器人的典型范例，具有很强的代表性，其类似的综合应用在自动化领域随处可见，因此做了上述的研究。

参考文献：

［1］赵迎春.基于PLC流水线搬运机械手［J］.机电一体化，2010（3）：92-96.

［2］魏志丽.基于Profibus_DP的工业机器人在自动生产线中的循环操作控制［J］.机电工程技术，2013（6）：25-27.

［3］王明睿.雅马哈四轴机器人与西门子S7-300PLC控制策略［J］.制造业自动化，2013（12）：30-31.

作者简介：刘谦波，男，1978年生，湖北监利人，硕士研究生，讲师。研究领域：机械电子工程及机电一体化。

(编辑：阮 毅)

Industrial Pipeline Field Energy-Saving Evaluation of Pipeline Model Unit Design

WANG Ling
（Tianjin Vocational College of Mechanics and Electricity，Tianjin300131，China）

There are a lot of industrial pipelines in the petrochemical industry，the temperature of the medium flow in pipeline is higher，so the pipeline heat preservation effect and the heat preservation effect evaluation is an important practical problem of saving energy in the petrochemical industry.This paper carried out the relevant industrial pipeline heat preservation and heat insulation effect the design of evaluation device.Main research content is to design a set of industrial pipeline field energy conservation assessment test device，namely by designing a RS-485 bus and master-slave distributed temperature measurement and control system composed of single chip microcomputer to realize the energy saving effect for industrial piping field evaluation test.

single chip microcomputer；temperature control；data acquisition；sensor

TE832

A

1009－9492(2014)08－0073－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.021

王 玲，女，1982年生，天津市人，硕士，讲师。研究领域：自动化技术。 (编辑：向 飞)

2014－02－02