過程控制系統溫度控制實驗改進

曾志偉

摘要：在傳統過程控制教學實訓系統中，由于采用冷水和熱進行溫度控制實驗，導致所需的時間長，不能在規定課時內完成實驗;如果實驗失敗，不能馬上重新開始實驗，必須要等到水降溫后才可以進行下一次實驗;如果溫度一旦控制不好水可能會汽化，存在極大的安全隱患等問題。針對以上問題，本文開發設計一種基于氣液兩相介質的換熱工藝流程，以進行溫度控制教學內容的改進。該系統設計工藝流程時，先將空氣通過熱風機加熱至較高溫度，然后在板式換熱器內與水進行換熱，由于空氣比熱小，整個溫度控制過程時間大大縮短。同時冷卻水換熱之后吸收的熱量，通過空冷器與液位水罐進行散熱，能夠實現整個系統的熱量平衡，實現系統自循環。

關鍵詞：溫度控制實驗改進;空氣與水換熱

Abstract：In the traditional process control teaching and training system，due to the use of cold water and heat for temperature control experiments，it takes a long time to complete the experiment within the prescribed time;if the experiment fails，the experiment cannot be restarted immediately，and it must be waited until The next experiment can only be carried out after the water is cooled down;if the temperature is not well controlled，the water may vaporize，posing great safety hazards and other problems. In view of the above problems，this paper develops and designs a heat exchange process based on gas-liquid two-phase medium to improve the teaching content of temperature control. When designing the process flow of the system，the air is first heated to a higher temperature by a hot air blower，and then the heat is exchanged with water in the plate heat exchanger. Because the specific heat of the air is small，the entire temperature control process time is greatly shortened. At the same time，the heat absorbed by the cooling water after heat exchange is dissipated by the air cooler and the liquid level tank，which can achieve the heat balance of the entire system and realize the self-circulation of the system.

Keywords：temperature control experiment improvement;heat exchange between air and water;

過程控制系統是自動化專業非常重要的一門綜合性應用學科，課程內容包括控制理論、生產工藝、計算機控制技術和儀器儀表知識[1-2]。在實際教學過程中，常以水箱液位系統開展過程控制系統實踐教學。水箱液位系統具有生產工藝簡單、直觀，涵蓋溫度、流量、液位、壓力等典型過程變量的檢測與變送實訓、泵和調節閥等典型執行機構的操作實訓、控制系統設計與實施實訓等內容。由于過程控制系統需要理論與應用結合緊密且實踐性較強，造成學生在學習的過程中遇到很多的實際困難[3]。其中溫度控制的實踐學習一直是難點之一?；谒湟何幌到y的溫控實驗，需要先將冷水加熱成熱水后再與另一路冷水進行換熱，造成實驗時間長。而由于組態技術、DCS、PLC等不斷發展并交叉融合，使得過程控制系統課程內容變得寵大而繁雜，學生陷入“學時減少”但“內容增加、要求更高”的矛盾之中[4]。導致無法在規定課時內完成溫度控制實踐，達不到預期的實踐教學效果。所以本文設計一種改進的過程控制教學實踐系統，即采用空氣與水換熱的工藝流程進行溫控實驗，先將空氣加熱，然后與冷水在換熱效率較高的板式換熱器內進行換熱，可大大減少整個實驗時間，有效的提升溫度控制學習效果。

1、過控控制教學實驗系統設計

本文所設計開發的過程控制教學實驗系統包括兩部分：過程控制對象和西門子S7-1500PLC控制系統。

過程控制對象配置了水槽、離心泵、電動調節閥、水罐、工業鼓風機、變頻器、工業熱風機、板式換熱器、空冷器;流量、溫度、壓力、液位等真實工業儀表，根據工藝介質及工藝條件有多種類型儀表可供選擇。過程控制對象均采用工業級的常見檢測變送儀表，如渦街流量計、電磁流量計、差壓變送器、壓力變送器、熱電阻溫度變送器等，并按照儀表設計標準規范，通過統一的接口單元進行模塊化處理，根據需要進行儀表選型、完成儀表的安裝與調試、完成變送器與控制器的信號連接等。儀表變送器與控制器的信號連接方式采用傳統的4～20mA電流信號。

控制系統選用西門子SIMATIC S7-1500 CPU1516-3 PN緊湊型PLC為基礎控制器，其包含4個I/O模塊：1個DI32模塊，該模塊32路數字量輸入;1個DO32模塊，該模塊32路數字量輸出;1個AI8模塊，該模塊8路模擬量輸入;1個AO4模塊，該模塊4路模擬量輸出，支持學生進行控制系統的設計、參數整定、投用、監控實驗流程等教學內容。

整個實驗系統采用西門子S7-1516作為控制系統，以水罐液位、換熱器換熱流體溫度等為被控對象，可進行過程控制中常見的流量控制、液位控制、溫度控制、壓力控制等實驗。整個裝置由兩部分工藝流程組成：（1）液位控制系統;（2）溫度控制系統。本文主要介紹溫度控制系統部分。

本實驗系統具有以下特點：

（1）對象抽提自真實工業環節。實訓對象流程是以真實工業換熱環節為背景，模擬醫藥、食品、化工、智能樓宇、發動機、空調等換熱系統，涵蓋溫度、流量、壓力、液位等工業過程控制參數，溫控實驗環節采用空氣為介質進行加熱，有效解決了傳統溫控實驗以水為介質所引起的安全和實驗復用性低的問題。

（2）高端工業儀表。實訓系統采用氣液兩相測量介質設計，更貼近真實工業生產環境，讓學生可以了解不同相態介質的測量原理以及了解不同儀表的工業應用場景。配置SIEMENS、E+H等高端儀表，提高了實驗環節中儀表的可靠度，也可以訓練學生關于儀表的選型、安裝、調試、通訊等工程應用能力。

（3）真實控制系統。實驗平臺選用SIEMENS 1500 PLC作為基礎控制系統，配置全集成自動化軟件TIA portal，可以訓練學生進行連續控制系統實訓項目，包括基礎控制以及串級控制等復雜控制，提高學生的控制邏輯設計能力和實施能力。

（4）安全環保、易于使用、維護。工藝流程設計有效的降低了發生安全事故的概率，保證了教學過程、使用過程的安全;同時實現了物料的自循環，便于實驗、便于維護。

2、溫度控制系統工藝流程設計

空氣經鼓風機K201升壓后進入電阻絲加熱器AH101進行加熱，溫度升高至實驗設定溫度后，進入換熱器E101與冷水完成熱交換后，空氣溫度降低至實驗目標后排入大氣。冷水經離心泵P101從水槽V101抽出，進入板式換熱器E102與熱空氣熱交換之后，溫度升高，繼續進入空冷器A101進行一定程度的降溫后回到水槽V101。以空氣管程出口溫度TIC202為被控對象，以冷卻水入口閥FV101為執行機構，構建溫度單回路控制系統，也可以構建溫度串級控制系統。

對溫度控制系統施加外部干擾：改變熱空氣流量等，可對控制系統進行PID參數調節、控制性能測試等實訓項目。溫度控制系統工藝流程圖如圖1-1所示：

3、溫度控制系統主要儀表設備介紹

3.1、主要設備說明

1）鼓風機：裝置中風路輸送設備選用工業高壓鼓風機，最大出口風壓為30KPa，380V三相供電，鼓風機的電機頻率由西門子變頻器V20控制。

2）熱風機：裝置風路加熱裝置選用熱風機，采用220V電阻絲加熱方式，電阻絲通電后產生的熱量與通過的冷空氣進行熱交換，將空氣加熱到指定溫度，該加熱過程可由熱風機自帶的溫控表完成，亦可由PLC控制系統完成。

3）板式換熱器：裝置中換熱器選用板式換熱器，為冷水和熱空氣提供換熱場所。它具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方便、應用廣泛、使用壽命長等特點，熱回收率可高達90%以上。

4）離心泵：裝置中水路輸送設備采用工業離心泵，可用于進行離心泵的相關操作使用實訓。

3.2、主要儀表說明：

溫度控制系統中儀表傳輸信號均采用4～20mA.DC

1）電磁流量計：用于測量冷卻水流量。

2）渦街流量計：用于測量空氣流量。

3）熱電阻溫度計：共有四個測量點，板式換熱器冷卻水入口、板式換熱器冷卻水出口、板式換熱器空氣入口、板式換熱器空氣出口;熱電阻溫度計通過變送器將熱電阻信號轉換為4-20mA電流信號。

4）電動調節閥：接收4-20mA電流輸出信號，用于調節進入板式換熱器的冷卻水流量。

4、實驗驗證

本實驗系統的被控變量為風路板式換熱器出口溫度TI202（單位℃）。溫度對象的特點是時間常數較大，有滯后現象。為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下無靜差，系統的調節器應為PI或PID。風路冷卻單回路控制系統結構框圖如圖1-2所示：

TIC202溫度控制系統參考PID參數設定如下P=-0.01，I=10000，D=0.05，溫度設定值SP為30℃，冷卻溫度控制曲線如圖1-3所示：

由圖可知：在10分鐘內，溫度可由70度降至設定值30度，并保持恒定。

5、結束語

針對傳統過程控制系統中溫度控制實驗教學難的問題，本文通過設計水和空氣換熱的工藝流程，使得整個溫度控制實驗的時間大大縮短，從而允許學生在規定的課時內進行溫度控制的實訓，從而掌握相應理論知識。

參考文獻：

[1]俞金壽，蔣慰孫. 過程控制工程[ M]. 北京：電子工業出版社，2007.

[2]李敏，鄒濤，楊馬英，等.過程控制系統綜合性實驗設計與教學實踐[J].實驗技術與管理，2012，28（6）：100-104

[3]黃宜慶.《過程控制系統》課程教學和實踐環節的改革與創新探索.《科技視界》2014年第05期

[4]趙黎明，張冰.過程控制系統課程的教學改革.電氣電子教學學報，2017，39（6）