PLC在特种循环冷却装置控制系统中的应用

崔坤理，杨敏玲，崔　哲，汤继保，程　镇

( 合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230031 )



PLC在特种循环冷却装置控制系统中的应用

崔坤理，杨敏玲，崔哲，汤继保，程镇

( 合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230031 )

[摘要]本文针对循环冷却装置控制系统进行了分析，介绍了它的构成与工作原理，阐述了S7-300的PLC在特种循环冷却装置控制系统中的应用，包括各种参数的检测及其联锁保护、关键参数(温度、湿度)的PID自动调节控制过程，提出了科学的控制方式，以提高循环冷却装置的可靠性、稳定性，从而实现对专用电子设备进行强制循环冷却。

[关键词]温度、湿度控制；PID自动调节；PLC程序控制；无扰动切换

1概述

特种循环冷却装置(简称循环冷却装置)主要是为专用电子设备提供温度、湿度、空气流量和空气品质符合要求的循环冷却空气，以实现对专用电子设备进行强制循环冷却，为专用电子设备创造一个良好的、通用的、模块化的冷却平台。从而使专用电子设备能稳定、可靠地工作，进一步提高专用电子设备的保障能力、运行可靠性和使用寿命。

循环冷却装置由循环通风机组、遥控箱、系统测控元器件、通风管、连接水管及其附件等组成，其流程图见图1。

图1　循环冷却装置流程图

2控制系统硬件设计

控制系统是循环冷却装置的关键部件，其设计指导原则为在满足技术要求的前提下，尽可能采用成熟的控制技术，按标准化、模块化进行设计。

循环冷却装置的控制系统由一台内嵌式控制箱、遥控箱、循环冷却装置执行器件(如压缩机、风机、电加热器、电磁阀等执行器)及系统测控元器件等组成。核心控制器采用西门子公司S7-300的PLC，人机界面采用西门子公司的触摸屏，设计成多画面操作形式。

3循环冷却装置工作原理

下面以自动方式为例来说明循环冷却装置的工作原理。在控制箱面板上按“机组自动”键时，循环冷却装置开始“启动”，并按自动程序进行：首先，风机开始工作，延时30s后，可调电加热器就自动投入工作；当送风温度、湿度满足压缩机启动条件时，压缩机开始工作；当送风温度、湿度满足压缩机卸载条件时，卸载电磁阀工作，压缩机开始卸载；当送风温度、湿度满足各自的启/停条件时，固定电加热器、1#回热电磁阀、2#回热电磁阀分别自动启/停。循环冷却装置“停止”时，在控制箱面板上再按一次“机组自动”键时，先同时停固定电加热器、可调电加热器、1#回热电磁阀和2#回热电磁阀，延时30s后停压缩机，延时60s后停风机。

循环冷却装置控制系统设有“手动控制”、“自动控制”、“应急控制”三种控制方式。当循环冷却装置正常运行时，“手动控制”和“自动控制”这两种控制方式可以无扰动地进行切换。当循环冷却装置局部出现故障时，可以无扰动将“自动控制”方式切换到“手动控制”方式下进行操作，然后手动按下相应的部件启/停按钮，使出现故障的部件停止运转(如风机、压缩机、电加热器等执行器)，从而实现在循环冷却装置不停机的情况下，对出现故障的部件进行检修，直至故障修复时，又可无扰动地将“手动控制”方式切换至“自动控制”方式下按控制程序进行自动运行。从而很好地解决了运行与应急维修问题，大大地提高了系统的可靠性和维修性。

4关键参数控制 — 送风温度、湿度的控制

控制手段为：冷量控制和热量控制。

冷量控制 — 有级控制的粗调过程，控制压缩机启/停与上载/卸载；。

热量控制——冷凝回热器热气加热的投放量、电加热的投放量的控制，既有有级控制的粗调过程：当送风温度、湿度满足各自的启/停条件时，固定电加热器、1#回热电磁阀和2#回热电磁阀分别自动启/停；又有无级控制的细调过程：可调电加热投放量的控制采用PID自动调节。

图2　可调电加热投放量的PID自动调节原理框图

PID自动调节全部由PLC程序的PID子程序来实现，其原理框图见图2。包括模拟PID和脉冲PID两级调节串联起来，整个过程包括4个主要环节：模拟输入量(包括设定值和测量值)的信号处理与换算；模拟PID调节；脉冲PID调节；数字脉冲量通断比(5秒一个周期)输出控制固态继电器通断，通过固态继电器来控制可调电加热调功。

PLC程序的PID子程序包括FB41(模拟PID)和FB43(脉冲PID)两个调节器，由西门子公司PLC编程程序平台提供，其内部结构和数学模型对外是屏蔽和保密的，但对外接口的参数(主要包括FB41的比例增益GAIN、积分时间TI、微分时间DI、微分释放时间TM_LAG和模拟PID运算后的控制输出值LMN，以及FB43的控制输入值INV、固定的脉冲周期PER_TM、脉冲的最小分辨时间P_B_TM和正向脉冲输出QPOS_P)可根据该控制系统的惯性和以往的经验值通过反复调试加以确定。

总之，冷量控制与热量控制相互结合，互为补充，尤其是针对工况负载和环境温度变化大时，控制效果更为明显。从而达到控制循环冷却装置送风温度、湿度基本稳定的目的。

在控制过程中，其突加最大模拟负载后参数变化曲线见图3。

5程序设计

程序的设计采用模块化结构进行设计，将所需实现的各主要功能用子功能块(即子程序)FC实现，然后在主程序OB1中调用。系统的主要功能块有故障处理、参数初始化、数据处理、PID调节和触摸屏上的关键参数变化趋势、参数显示等。程序控制的流程框图见图4。

根据输入的故障信息进行处理(控制、联锁与报警指示)，并在触摸屏和控制面板上显示出具体的故障信息。

人机界面采用西门子公司的触摸屏，整个画面设计是在西门子公司提供的开发软件上制作的，设计成多画面操作形式，来监视系统的实时信息。如在《显示参数》画面显示参数数值；在《关键参数变化趋势》画面中显示关键参数(环境温度、送风温度、送风湿度和回风温度)的变化趋势；《参数设定》画面进行参数设定；在《故障显示》画面显示故障报警信息；在《自动控制》和《手动控制》画面直接控制系统的运行。

图3　突加最大模拟负载后参数变化曲线图

图4　控制流程框图

6结论

循环冷却装置控制系统具有完善的功能，但同时操作极为简单方便，在自动控制状态下，仅通过操作一个按钮即可控制各设备的启、停，操作极为便利。在触摸屏上有详尽的运行与故障指示，从而使得循环冷却装置的运行状态一目了然，极大地方便了循环冷却装置操作与维护，提高循环冷却装置的可靠性、稳定性。

7参考文献

[1] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2012，1

Study on the Control System of the Special Circular Aerator

CUI Kunli，YANG Minling，CUI Zhe，TANG Jibao，CHENG Zhen

( Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031 China )

Abstract：This paper gives the analysis on the control system of the special circular aerator；introduces its composition and principle；presents the detection、the control and the protection of several parameters；proposes the scientific control way.Thus we could improve the reliability and the stability of the special circular aerator and realize forcible circular cooling of the special electronic devices.

Key words：the control of temperature and relative humidity；PID self-regulation；PLC program control；No interferential switch

收稿日期：2015-12-30

作者简介：崔坤理(1963-)，男，研究员，主要从事工业自动化方面的设计研究。Email：13956012522@163.com

文章编号：ISSN1005-9180(2016)01-074-04

中图分类号：TB65

文献标识码：B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.01.014