教学用自动化仪表控制技术实验装置

吕和平

(赣西科技职业学院,新余 338000)

随着现代科学技术的发展,自动化控制技术的应用已经深入到国民经济的各个部门.

作为自动化控制技术支柱之一的自动化仪表控制技术在工业领域中的应用非常广泛,在一些学校里,自动化仪表控制技术是作为一门自控专业来设置,对于自控专业的学生来说,学会用自动化仪表来构成自动控制系统是非常必要的.

要学好自动化仪表控制技术知识,除需要学习必要的理论知识外,重要的是能结合实际参与仪表系统的设计、安装、调试、运行过程.如果学生在学校时有机会获得一些主要的实际操作,也就掌握了这门知识的基本技能,本人设计了这套工业空调及仪表自动化控制实验装置,目的就是使同学在校学习时可以得到较好的基本技能操练.这套装置的主要特点有:

(1)控制对象为典型的工业空调装置,简单实用,安全可靠.能方便地进行工艺参数的设定、调整、控制、运行.通过对装置的操作,使同学对工业生产过程能有初步的认识.

(2)仪表检测参数方面,装置设有工厂常见的四大热工参数的检测;即温度、压力、流量、液位的检测.还有湿度、压差等参数的检测.加深同学对仪表测量技术知识的了解.

(3)控制系统方面,装置设有简单的控制系统,也有复杂的控制系统.(也可以将该装置改装成为一个小型的DCS集散控制系统教学模型)加深同学对自动控制系统构成的了解.学会PID参数整定,了解PID控制作用的效果等.

(4)仪表的选型上,有中小企业常用的简单、实用、便宜的数字仪表,也有要求控制严谨场合使用的电动单元组合仪表,一次仪表和二次仪表的种类也比较多,通过对装置中各种仪表的校验和操作,使同学掌握常用工业仪表的选用、校验方法.

(5)执行机构方面,使用了调节阀、变频器等装置,使用了SSR-CYC周波控制模块和SSR固体继电器等先进的电子元器件,方式多样化,使同学多了解一些先进技术知识.

(6)该装置可作为教学用实验装置,更是一套完整、控制精度高的工业空调设备.可以满足空调质量要求比较高的企业使用.学生可以从中了解到工业空调设备的初步知识.

1 工业空调系统

图1 是带自动控制点的工业空调装置示意图,该空调设备简练,占用场地少,投资不大,一般的学校与企业可以制作.主系统由进风口、空气过滤器、喷淋水器、表冷器、第二加热器、送风机、出风管路等组成.辅助设备有冷冻水调节阀、热水箱、第一电加热器、管路等.如无冷冻机设备提供冷冻水,可采用循环冷却水来代替,此时需增加循环水冷却装置,空调器的出风温度高些.

空调器工作原理,新风从进风口进入空调器,经空气过滤器进行过滤,然后经热水喷淋或空气表冷器冷却,使风的温度一定,且相对湿度接近100%的状态(露点温度状态).最后经过第二加热器的加热,使得风的温度和湿度达到规定的要求.出风压力及出风量的大小是由变频器控制风机的转速达到.

图1 带控制点的工业空调装置

2 仪表控制方案

整个装置的控制系统有三套,露点温度控制系统、出风温度控制系统和出风压力控制系统,另设有其它仪表用来检测空调器的运行状态,分别介绍如下:

2.1 露点温度控制系统.

露点温度是指当空气中的含湿量达到饱和状态时的空气温度,此时空气中的相对湿度为100%.对露点温度进行了控制(粗调),可以有效地克服季节变化的干扰,使得空调系统的最终出风温度、湿度(精调)容易控制,从而获得较高的空调质量.

在冬季,参见图2,室外的气温低,空气热焓值I较低,如图中C点.当室外空气进入空调器经热水的喷淋,温度上升,相对湿度接近100%,此时的空气温度为露点温度,即图中的L点.露点温度的高低由喷淋水的温度决定,喷淋水的温度是通过露点温度调节系统调节第一电加热器的功率,控制加热水箱里的水温来达到.

图2 露点温度控制过程(冬天)

在夏季,参见图3,室外的温度高,空气热焓值I较高,如图中C点.当室外空气进入空调器先经循环水喷淋,后经过表冷器冷却,温度下降,空气中水分排出,相对湿度达100%,此时空气的温度为露点温度,即图中的L点,露点温度的高低由进入表冷器的冷冻水量决定,冷冻水量是通过露点温度调节系统调节冷冻水阀的开度来达到.

图3 露点温度控制过程(夏天)

为了能根据季节或天气环境的变化自动地切换使用热水喷淋或循环水、表冷器来稳定露点温度,采用了对第一电加热器或表冷器的冷冻水电动调节阀实行分程控制的方案.

图4 加热器和表冷器冷冻水调节阀的分程控制图

图5 露点温度(分程控制)控制线路

从图4知,仪表调节器的输出分成两段,输出4～12 mA时,表冷器工作,而加热器不工作(夏天).输出12～20 mA时,表冷器不工作,而加热器工作(冬天).使用了分程控制,系统就可以按照气候的变化,自动地切换使用表冷器或加热器,并对其进行自动控制,保障一年四季中露点温度的稳定.图5是露点温度(分程控制)的控制线路图.

2.2 风温度控制系统

在露点温度稳定控制在L点的情况下,略控制一下第二加热器,出风温度就很容易被控制在工艺值N点上,(该加热过程为等湿加热)见图6.图7是出风温度控制线路图.可以看出,由于空气先经过露点温度控制作为粗调,出风温度实际上是精调,所以该空调器的空调质量高,且很稳定.

2.3 出风压力控制系统

系统采用控制仪表—变频器的组合,使得出风压力调节灵敏,风压稳定.采用变频控制风机具有较好的节能效果,风机变频调速、节能原理:当风机的转速从n1变为n2时,风量Q、风压 H 、风机的功率 P大致的变化关系为:

由上式可知,风机风量Q与转速n的一次方成正比.风机压力H与转速n的二次方成正比.风机轴功率P与转速n的三次方成正比.这样完全可以通过调整风机的转速,来达到实际需要的风量、风压.由于风机轴功率P与转速n的三次方成正比,转速的小变化可引起功率的变化很大,与传统的节流降压方式相比(即调节挡风板开度来控制风量、风压大小),其节能效果非常的明显,且控制系统灵敏、精度高、故障少.图8为出风压力控制系统方案.如要改为出风流量控制系统,将压力传感器换成流量传感变送器即可.

图8 出风压力控制系统

2.4 湿度控制系统(必要时增加的系统)

空气经第二加热后,温度升高,相对湿度会下降.如湿度不满足工艺要求时,可以采用湿度控制.加湿方式有多种.为了使加湿时温度不受影响,应采用等温加湿方式,即采用低压蒸汽来加湿.因为该装置是教学用,学校取得低压蒸汽不方便,在这里省去湿度控制系统,只安装湿度检测显示仪表.

2.5 其它仪表

该系统还设有出风流量指示QI、出风湿度指示MI、过滤器压差指示△P、冷冻水温度指示 TI、冷冻水压力指示PI、喷淋水压力指示PI、热水箱水位控制LIC等,用于检测和控制空调器的运行状态.

[1]邬振耀,徐德胜,孙兆礼,朱寅生.制冷与空调-原理.构造.调试.维修[M].上海交通大学出版社,1991.

[2]化工生产自动化编写组.化工生产自动化[M].石油化学工业出版社,1978.