基于PLC的喷雾降温控制系统

吴明亮 潘佳月 张鸿强

(1.兰州理工大学机电工程学院,兰州 730050；2.甘肃烟草工业有限责任公司天水卷烟厂,甘肃 天水 741020)

基于PLC的喷雾降温控制系统

吴明亮1潘佳月1张鸿强2

(1.兰州理工大学机电工程学院,兰州 730050；2.甘肃烟草工业有限责任公司天水卷烟厂,甘肃 天水 741020)

针对工业生产过程中环境温度过高，通过中央空调系统难以实现理想降温的问题，提出了一种基于PLC的喷雾降温控制系统。基于喷雾降温原理，建立喷雾降温数学模型。通过S7-200 PLC控制器的PID调节功能和WinCC上位组态软件实现了对环境温度的监控。实际运行结果表明：该系统运行稳定可靠，有效实现了喷雾降温的目的。

喷雾降温控制系统 S7-200 PLC WinCC PID调节

近年来，全球气温普遍升高，加之生产环境中设备运行的热辐射，环境温度时常高达40℃以上。改善作业环境的温度已经成为一个不容忽视的问题。然而在工艺环境中，区域面积动辄几千甚至上万平方米，普通空调制冷无法满足如此大的作业面积，而且初期投资和后期运行费用很高。因此，设计一个既节能又可以有效降低环境温度的控制系统十分必要。

由于PLC运行可靠、操作简单，因而在工控领域的应用越来越普遍[1,2]。

笔者首先建立喷雾降温控制系统内，温度与喷水量关系的数学模型，确定最佳控制参数[3,4]，然后采用S7-200 PLC对内蒙古伊泰集团煤化工煤制油项目中的喷雾降温控制系统进行了研究，结合WinCC上位组态软件设计了人机界面，最终达到快速降温、节约水电资源的目的。

1 喷雾降温原理与建模①

1.1 喷雾降温原理

喷雾降温工作原理：通过喷嘴将水雾转换成微小粒径的雾滴，雾滴在运动过程中与空气充分混合并迅速蒸发。由于水具有较大的汽化潜热，蒸发时会吸收环境中的大量热量，起到降低周围空气温度的作用[5]。如此，整个区域不但降温迅速，而且含有大量负离子，同时增加了区域湿度，降低了粉尘浓度。

1.2喷雾降温建模

将水蒸气的扩散视为一种短时的过程，忽略喷雾时间对水蒸气扩散的影响。如果已知空气的初始温度T1、初始压力p1、空气相对湿度φ和降温后空气温度T2，就可以求出所需的喷水量。

根据空气初始压力p1和空气初始温度T1，可以在相对应的饱和空气状态参数表中查出空气初始状态时水蒸气饱和压力ps，且有：

pv=φ·ps

(1)

式中ps——水蒸气饱和压力，kPa；

pv——水蒸气分压力，kPa。

通过式(1)就可以计算出空气中水蒸气分压力pv。又有：

(2)

式中D1——喷雾前的空气含湿量，g/kg。

且：

H1=1.005T1+D1(2501+1.863T1)

(3)

式中H1——喷雾前空气的焓值，kJ/kg(干空气)。

由热力学可知，喷雾降温法是空气等焓增湿过程，所以喷雾前空气焓值等于喷雾后空气焓值，即：

H1=H2

(4)

结合式(3)、(4)可推导出喷雾后空气含湿量D2为：

(5)

根据质量守恒定律，喷水量Qm等于湿空气流含湿量的增加，即：

Qm=Qma(D1-D2)

(6)

式中Qma——喷雾过程中空气的流量，kg/s。

再根据式(2)、(5)、(6)即可计算出空气温度降低ΔT=T1-T2时所需的喷水量。

2 喷雾降温模型仿真

根据上述数学模型，应用Matlab软件进行仿真。以内蒙古伊泰集团煤化工煤制油项目喷雾加湿控制系统为例，当温度高于32℃时，启动喷雾降温控制系统；反之，关闭喷雾降温控制系统。根据现场考察与测量，该工程选用变频风机的额定空气流量为85 000m3/h，空气密度1.205kg/m3，空气相对湿度81%，查表得32℃时水蒸气饱和压力为4.8kPa，由此建立温度变化与喷水量的关系。

通过仿真计算得到环境温度与喷水量的关系曲线如图1所示。可以看出，环境温度在初始温度32℃时，喷水量为零；环境温度升高到33℃时，喷雾机组运行，喷水量为40kg/h，即环境温度升高1℃，喷水量为40kg/h时环境温度才可以降低至32℃。因此，可根据湿度传感器和温度传感器采集的信号，实时计算喷水量，确定喷雾喷嘴的运行数据，对喷雾降温进行精确控制。

图1 环境温度与喷水量关系曲线

3 基于PLC的喷雾降温控制系统

3.1系统硬件部分

喷雾降温控制系统(图2)由水箱、过滤器、防爆泵组、喷嘴、温湿度传感器、电磁流量变送器、液位开关及就地防爆操作箱等构成。

图2 喷雾降温控制系统硬件结构

防爆泵的现场操作按钮设在就地防爆箱内，防爆泵和防爆箱的防爆等级均为EXDⅡCT4，工作压力7～10MPa，流量40L/min。4组泵互为备用，对应不同位置的4组喷嘴。

根据现场需要，温湿度传感器安装在易于检测温湿度的位置，安装方式采用悬挂式，工作电压24V(DC)，温度范围0～80℃，湿度范围0～100%RH，输出4～20mA电流信号，T口输出温度信号，S口输出湿度信号[6]。

液位开关采用连杆浮球式，通过法兰安装在水箱右侧，3个浮子分别设有高、中、低3个液位值，数字量输出。水箱水位正常时，中、低液位开关闭合，高液位开关断开。如果中液位开关断开，系统会自动打开补水电磁阀，当水箱液位过高时，高液位开关闭合，PLC收到高液位开关闭合的信号后，便认为水箱补水过程完成，将自动关闭补水电磁阀。当低液位开关断开时，表明水箱液位过低，PLC收到低液位开关断开的信号后，将立即停机报警并打开补水电磁阀。

电磁流量变送器安装在缓冲管进水端，测量水流量并记录进水量，4～20mA电流信号输入到S7-200 PLC的模拟量采集端口。

喷雾降温控制系统的硬件主要安装在防爆操作箱内，防爆操作箱的正面分为左右两部分，左侧有主电源开关、喷雾柱塞泵的手自动切换开关及其运行和停止指示、补水电磁阀手自动切换开关及其运行和停止指示。右侧是触摸屏，所有的键盘、鼠标操作可全部由触摸屏完成。

系统中的开关量输入、输出信号和模拟量输入、输出信号分配见表 1。

表1 S7-200 PLC的I/O分配

开关量输入信号包括4组水泵的远程/就地转换开关信号、补水电磁阀的远程/就地转换开关信号、故障指示信号、运行状态指示信号与液位开关高液位、中液位和低液位信号。

模拟量输入信号包括温湿度信号和流量信号。温湿度信号来自温湿度传感器，输入信号范围4～20mA。流量信号来自电磁流量变送器，输入信号范围4～20mA。

开关量输出信号包括4组水泵远程启停控制信号和电磁补水阀的开闭控制信号。

根据外部输入输出信号类型和数量，数字量模块选用6ES7 216-2BD23-0XB8，24V直流供电，自带24路开关量输入和16路开关量输出[7]。模拟量模块选用231-OHC22-0XA0，含有4路模拟量输入，模拟量信号设置成电流信号，范围4～20mA。

3.2系统软件部分

喷雾降温控制系统功能如图3所示。

图3 喷雾降温控制系统功能

喷雾降温控制系统采用上位机和下位机两级控制。上位机采用工控机，主要完成数据的实时运算、工艺流程的动态显示、手自动切换、历史数据归档和报表管理。下位机采用S7-200 PLC，完成数据的采集、PID闭环控制和逻辑判断功能[8]。

S7-200 PLC是系统的核心控制部分，S7-200 PLC程序具有自动控制和手动控制两部分：自动控制方式，上位机接收来自下位机采集的温度和湿度信号，实时计算喷水量，然后将数据传送给下位机，下位机运行PID控制程序，自动控制喷雾泵组的喷水量并控制喷雾机组的启停动作；手动控制方式，通过操作台上的启停按钮控制喷雾泵组的运行状态。

喷雾降温控制系统的软件流程如图4所示。

首先是准备待机状态，这个阶段是启动喷雾降温控制系统的检查阶段，保证水箱液位能够满足启动条件；检查泵组是否有故障；检测环境温度是否达到需要喷水的条件，检测进出水压力是否达到喷嘴的压力要求；根据现场情况启动喷雾降温机组。

在主程序中检测水箱液位，如果在中液位，则打开补水电磁阀，直到水箱液位高于高液位，此时，水箱中液位开关高液位闭合，水系统正常，可以调用PID 调节功能块。系统采用模拟量PID调节模块，现场的流量信号经变送器传递给PLC，并作为流量采样值，与计算出的理论流量值比较，其差值经过PLC内部的比例、积分和微分调节处理后，以0～5V(DC)电压的形式输出给电动调节阀，电动调节阀的开度随着输出电压的增大而增大，由此喷雾量增大，环境中的温度降低。当流量采样值与计算理论流量值接近时，输出值可根据采样值的变化再进行微量的调整。

图4 喷雾降温控制系统的软件流程

3.3人机界面

人机界面是用户和机器之间的桥梁，它可以灵活地应用图形和相关文字信息来取代传统设备上大量的触控按钮、指示灯及选择开关等，可以工作在各种工业环境中，并保证工作的高可靠性[9]。

为了实时监控喷雾机组的运行情况，采用WinCC设计了上位机监控软件。在计算机上设计监控画面并调试，合格后下载到触摸屏。其中，开机首页包括欢迎画面，有欢迎词、公司名称和联系信息说明。触摸该页后进入主画面，主画面包括温湿度显示、喷水量显示、4组水泵的启停按钮、补水电磁阀的启停按钮、运行状态、水箱液位状态和返回首页按钮。

4 结束语

笔者从降低工业环境温度的基本要求出发，以S7-200 PLC作为下位机控制器，设计了一套喷雾降温控制系统。系统应用PID调节控制喷雾量，提高了温度控制的稳定性。同时采用WinCC组态软件设计了上位机监控界面，直观地显示喷雾机组的运行状态，降低了成本，改善了车间工作环境，实现了喷雾降温的长期运行和自动控制。以PLC作为控制主机的喷雾降温控制系统，其控制程序可变，系统设计、调试和维护方便，能够适应恶劣的工业环境。

[1] 谭冬云.plc自动控制系统的可靠性探讨[J].城市建设理论研究(电子版),2014,(1):121～122.

[2] 孙慧.西门子PLC系统常见故障分析[J].化工自动化及仪表,2014,41(9):1101～1102.

[3] 廖传华,黄振仁,顾海明,等.数学模拟法在喷雾干燥设备设计中的应用[J].化工机械,1999,26(1):52～54.

[4] 刘阿龙,韩坤,苗纪文,等.MTO催化剂离心喷雾干燥制备过程数值模拟[J].化工机械,2011,38(3):327～330,382.

[5] 赵文升,王松岭,荆有印,等.喷雾增湿法在直接空冷系统中的应用[J].动力工程,2008,28(1):64～67.

[6] 李莲,金晶晶.一种具有温压补偿功能气体涡轮流量计的设计[J].自动化与仪表,2010,25(12):53～55.

[7] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[8] 张德民,刘洪锦,于航.高温高湿试验箱加湿器PLC控制系统设计[J].天津理工大学学报,2012,28(3):41～45.

[9] 周亮.基于S7-200的磨内喷水系统的设计[J].化工自动化及仪表,2013,40(5):642～645.

2015-09-08(修改稿)

TH862

B

1000-3932(2016)04-0435-04