工業管線現場節能評價管道模型裝置設計

王玲

（天津機電職業技術學院，天津 300131）

工業管線現場節能評價管道模型裝置設計

王玲

（天津機電職業技術學院，天津 300131）

在石化工業存在著大量的工業管線，管線中流動的介質溫度較高，研究管線的保溫效果和對保溫效果的評價是石化工業中節約能源的重要實際問題。開展有關工業管線保溫節能效果評價裝置的設計。主要研究的內容是設計一套工業管線現場節能評價測試裝置，即通過設計一個RS-485總線與單片機組成的主從分布式溫度測控系統來實現對工業管線現場節能效果的評價測試。

單片機；溫度控制；數據采集；傳感器

0 序言

在開展研究的過程中要針對實際工況中的現場情況在實驗室中開展模擬實驗，在實驗過程采集實驗數據以便于后續的神經網絡訓練，這些數據決定了神經網絡系統建模的最終可行性，所以實驗裝置的設計、安裝、測試以及實驗數據的采集都是非常重要的。針對這一情況，研制可靠且實用的溫度控制系統顯得非常重要。溫度控制系統是正確完成實驗取得實驗數據的重要保障，它采用傳感器技術、單片機技術和現代通信技術實現自動化管理，具有各種安全保護，運行監控和管理等功能[1]。

所使用的數據采集裝置依托傳感技術的優勢，通過I/O接口板、溫度傳感器等現代電子產品實現實時采集數據，并以各種通訊協議方式，實現數據傳輸、處理、實時監控等功能，是進行自動監控的一種智能、高效系統。在這樣的系統中，單片機系統充分發揮了實時數據采集、圖形處理、顯示以及數據庫管理上的優點，數據采集系統一般需要長時間、高速度地進行數據采集，將會產生大量的數據，需要組織、存儲、處理數據，并對實驗裝置進行嚴格的監控[2]。

1 模擬裝置具體設計要求

管道模型主要由加熱裝置和溫度檢測系統兩部分組成。管道模型的設計主要由系統功能要求決定，基本設定如下。

（1）溫度設定：溫度可根據需要在150℃～400℃范圍內進行設定。

（2）溫度顯示：顯示設定溫度、測溫點實際溫度；

（3）控溫范圍：100℃～450℃。

（4）溫度控制精度：溫度穩態控制誤差≤±2%FS。

（5）溫度測定：在每根被加熱管外壁適當位置分別布置2個熱電偶，要求測量準確；對檢測2點溫度進行平均作為管壁溫度加以控制。

（6）裝置對3個加熱裝置獨立（不同時工作）進行檢測與控制。3個獨立加熱裝置不同時工作，根據指令加以切換，不允許在加熱過程中進行切換，必須停止加熱后再進行切換。

根據保溫測試的需要，配置可進行拆裝的適合不同溫度范圍的保溫套。

2 數據采集裝置與儀器工具

實驗現場采用三個直徑不同的圓柱形鐵質容器模擬真實現場的輸送物料的管道，管道內部用電加熱管模擬實際輸送的具有一定溫度的介質。用智能溫度控制儀器控制管道內的加熱管，使其達到需要模擬的介質溫度。用熱流計檢測管道的表面溫度和熱流值，將檢測到的數據采集下來作為原始數據用來訓練神經網絡。用溫度計和風速計測量實驗現場的室內溫度和實時風速。用電扇模擬不同的風速。現場架設上述加熱管道模型后，利用熱流計、風速計和溫度計采集管道表面熱流、管道表面溫度和現場風速，用以后續運算。

2.1 管道模擬加熱裝置設計方案

（1）加熱鋼管的選型

根據試驗的需求選取 ?114 mm×2 000 mm（一根）、 ?159 mm×2 000 mm （一根）、?219 mm×2 000 mm （一根）管材，材質為碳鋼，管壁厚度3 mm，鋼管兩端端面均可拆裝。

（2）加熱管的選型與功率的確定

鋼管式加熱裝置采用臥式放置，U形加熱器放置在鋼管內，加熱器單端固定與出線，在裝置沒有固定加熱元件的端面上設有直徑10 mm的排氣管。

加熱裝置的主要功能元件即為鎳鉻合金加熱管，加熱管的功率大小是由溫度的技術要求和升溫速率決定的。裝置要求的最高溫度為450℃，所以加熱管的設計上限溫度為500℃，根據吸熱放熱公式

其中：Q為熱能；m為質量；c為比熱容；ρ為密度；V為體積；△T為變化的溫度。

可得到所需的熱能。

Φ219鋼管：

t為加熱管升溫時間取2 s，P加熱管=7.5 kW，為加熱管的功率。因此選擇使用8 kW的加熱管加熱?219鋼管。

?159鋼管：

t為加熱管升溫時間，取2 s，P加熱管=5 kW。因此選擇使用5 kW的加熱管加熱Φ159鋼管。

?114鋼管：

t為加熱管升溫時間，取2s，P加熱管=3.95 kW 。因此選擇使用5 kW的加熱管加熱?114鋼管。

（3）加熱鋼管支架

鋼管與支架固定，采用帶隔熱層的固定方式。

（4）加熱鋼管外保溫層加工

每個保溫測試裝置的鋼管外，安裝可進行拆裝的保溫套。?219×2 000鋼管設置3個保溫套，其余兩只鋼管分別設置2個保溫套。保溫套采用耐高溫（500℃）保溫材料（如，硅酸鋁氈），保溫套應足夠長（以不影響支架為限）。

保溫套外表為0.5 mm厚薄板。每個保溫套均為可拆裝式，由2個半圓形套組成，一側通過鉸鏈（螺栓）加以連接，另一側通過羅栓加以固定。保溫層厚度如表1所示。

表1 保溫層厚度一覽表mm

（5）管內安置1 900 mm長，U型不銹鋼管式加熱器（工作電壓380 V）。加熱器一端采用螺紋固定（根據加熱器具體確定）在鋼管端部的法蘭上，加熱器另一端在鋼管內需要加以支撐。

（6）溫度傳感器的安裝

溫度傳感器采用的是熱電偶，它可以實現溫度的實時監測，并將溫度轉化為相對應的電壓信號，經過處理后就可以直接送入單片機控制系統中，用于實現溫度的監測以及控制。溫度傳感器安裝在鋼管壁上并加以固定，溫度傳感器在鋼管沒安裝加熱器的一側引出至變送器箱。

（7）接線盒與變送器箱

在鋼管安裝加熱器一端，安裝端蓋可開啟的接線盒，并內置隔熱材料，保證接線盒內溫度不過高。在鋼管的溫度傳感器引出一端，設置保溫隔熱層，保溫層端蓋留有溫度傳感器引出所需直徑10 mm圓孔，并在距離該端蓋300 mm處安裝溫度變送、采集與485通信系統箱，并用螺栓固定在裝置的支架上，其尺寸為300 mm×500 mm× 400 mm（寬×高×厚）。

2.2 溫度監測顯示控制柜設計

溫度監測顯示控制柜外形尺寸為400 mm× 1 400 mm×400 mm（寬×高×厚），內部裝有溫度監測顯示控制屏、電源以及繼電接觸器等電器裝置。

根據控制要求，溫度監控屏面板如圖1所示。

面板中實時顯示指定裝置的溫度監測點溫度平均值以及裝置溫度設定值。通過溫度設置按鈕可以在控制范圍內任意設定裝置的溫度控制值。通過切換按鈕可以任意切換指定的測試裝置并加以顯示。

溫度控制方式采用PID控制器對溫度進行調節控制。當被控對象的結構和參數不能完全掌握或得不到精確的數學模型，控制理論的其他技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即使當不完全了解一個系統和被控對象，或是不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，也適合采用PID控制技術。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。因此本系統采用PID控制器對監測溫度實行控制較為方便經濟。

圖1 控制面板示意圖

整個系統由溫度傳感器、A/D轉換電路、單片機等組成數據采集系統（即下位機）。溫度傳感器檢測溫度后，輸出信號為4～20 mA電流信號，在經過250 Ω電阻后轉變成1～5 V電壓信號，進行A/D轉換。電壓信號經過A/D轉換后變成數字信號，傳給單片機，再由RS-485總線傳給上位機，有上位機進行數據處理及進行相應的顯示。其結構圖如圖2所示。

圖2 數據采集結構圖

溫度傳感器采集到溫度后經A/D轉換芯片ADC0832將連續的模擬量溫度轉換為離散的數字信號電流，再經變送器將電信號轉變為適用于單片機AT89S51計算處理的標準的電信號0～5 V電

圖3 數據采集轉換電路

壓。電信號經過單片機AT89S51對信號進行分析處理后再經RS-485電平轉換電路傳送到主站溫度監控系統，從而進一步實施對溫度的有效監控。電路如圖3所示。

3 總結

本文根據給出的技術要求進行了系統總體方案設計，在此基礎上，設計了工業管線實驗模型裝置的結構，根據熱學原理進行了加熱體設計，實現了RS-485總線主從式通信、相關的顯示等外圍電路以及控制器等的軟硬件設計。本文設計的保溫評價裝置已經在現場進行了實際實驗，表明該裝置具有較好的實用性，基本達到了預期的設計要求。

［1］許燕萍，楊代華.RS485串行總線可靠性的研究［J］.電子科技，2009（02）：8-10.

［2］李智祥，陳瑞.多點溫度監控系統的設計［J］.現代電子技術，2009（03）：140-142.

［3］蘇威，劉寧.高精度多路溫度檢測系統設計［J］.自動化技術與應用，2007（02）：54-57.

［4］祖慶喜，秦廣武，曲曉燕.供熱管道保溫技術分析［J］.林業機械與木工設備，1997（02）：22-25.

［5］蘇磊，付軍隆，俞昌銘，等.保溫管道經濟評估的優化設計模型［J］.節能技術，1999（01）：18-25.

圖7 PLC對控制器的輸入信號程序

圖8 機器人運動到點位反饋給PLC后做標記程序

上述兩個程序都是PLC與機器人控制器之間信號傳遞的實現部分，是整體程序實現的核心。

4 結語

使用可編程控制器與兩個單軸機器人組成分揀系統，實現了藥瓶的自動分揀，不僅減輕了工人的勞動強度，而且提高了工作效率、同時具有準確的定位精度、較好的適應能力等性能，由于該系統可靠性高，維修方便，具有廣泛的應用前景；此控制系統是PLC、觸摸屏與伺服驅動器結合控制工業機器人的典型范例，具有很強的代表性，其類似的綜合應用在自動化領域隨處可見，因此做了上述的研究。

參考文獻：

［1］趙迎春.基于PLC流水線搬運機械手［J］.機電一體化，2010（3）：92-96.

［2］魏志麗.基于Profibus_DP的工業機器人在自動生產線中的循環操作控制［J］.機電工程技術，2013（6）：25-27.

［3］王明睿.雅馬哈四軸機器人與西門子S7-300PLC控制策略［J］.制造業自動化，2013（12）：30-31.

作者簡介：劉謙波，男，1978年生，湖北監利人，碩士研究生，講師。研究領域：機械電子工程及機電一體化。

(編輯：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，碩士，講師。研究領域：自動化技術。 (編輯：向 飛)

2014－02－02