基于工業空調的儀表測量與過程控制實驗系統的設計

朱名強，孫 旋，李海俠

（桂林理工大學 機械與控制工程學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著生產過程自動化的發展，對自動化專業人才的要求越來越高，高校作為培養自動化高級人才的基地，在提高教育教學質量和人才培養質量上，應該不斷地進行改革創新，使培養的自動化專業人才更容易適應企業崗位要求，滿足社會對高級自動化人才的需求。

本文設計一個基于工業空調的儀表測量與過程控制的實驗系統，該系統緊密結合工程實際，對溫度、壓力等過程變量能實時控制，并可以結合智能控制理論與計算機控制技術，對被控量實現智能控制。該系統能滿足高校自動化類專業的儀表測量與過程控制類實驗教學和科學研究需要。

1 實驗系統的設計

實驗系統結構組成如圖1所示，由實驗對象、儀表測量系統、儀表控制系統、變頻調速控制系統、計算機控制系統組成，實驗對象及控制系統示意圖如圖2所示。

圖1 實驗系統結構組成圖

圖2 實驗對象及控制系統示意圖

實驗對象為工業空調，由多節方形風箱、進風機、進風管路、冷卻器、電加熱器、出風管路等組成，還有相應的輔助設備，如：冷凍（卻）水箱、水泵、冷凍水調節閥、水管路等。工業空調應用廣泛，為學生所熟悉，其工作原理為：外界新風從進風口通過風機進入空調本體，先經冷卻器冷卻，使風的溫度保持一定，然后經過電加熱器的加熱，使得出風的壓力、溫度和濕度達到工藝要求。

儀表測量系統主要是檢測空調的運行狀態，測量儀表安裝位置分現場安裝與控制柜安裝。測量系統現場安裝儀表的作用與選擇為：PI1用于測量送往冷卻器的冷凍水壓力大小，儀表采用量程為0～0.6 Mpa的普通彈簧管壓力表；PI2和PI3分別測量空調的進風壓力、出風壓力的大小，儀表采用量程為0～0.6 Mpa的膜盒壓力表；TI1用于測量送往冷卻器的冷凍水溫度，儀表采用量程為0～50℃的雙金屬溫度計；QI用于測量送往冷卻器的冷凍水量，儀表采用普通水表，可對冷凍水量進行累計；LIA用于水箱液位檢測與報警，儀表采用液位控制器。控制柜安裝的儀表作用與選擇為：MI1和TI2是一整套溫濕度傳感及測量儀表，用于測量空調器的出風溫度和出風相對濕度，其中MI1用于相對濕度的測量，量程為0～100%，TI2用于溫度的測量， 量程為 0～150℃；QIJ用于測量送往冷卻器的冷凍水量，采用渦輪流量傳感器+渦輪流量變送器+智能流量計算控制儀的組合儀表，既能對冷凍水量的瞬時值進行顯示，也可對冷凍水量進行累計。

儀表控制系統采用智能調節器控制，包括冷風溫度控制系統TIC1、出風溫度控制系統TIC2，各系統簡述如下：

冷風溫度控制系統TIC1原理圖如圖3所示，由溫度傳感器（Pt100熱電阻）檢測空調的冷風溫度變化并輸出測量信號y（t）送至溫度調節器，在溫度調節器內測量信號 y（t）與設定值 x（t）比較后產生偏差信號 e（t），然后經PID運算后輸出4～20 mA信號送給執行器 （電動調節閥），改變電動調節閥的開度使調節介質（冷凍水量）發生變化。調節介質（冷凍水量）變化使冷卻器的散熱能力發生變化，冷風溫度隨之發生變化，最終使空調器的冷風溫度穩定在設定值內。

圖3 冷風溫度控制系統TIC1原理圖

出風溫度控制系統TIC2的原理圖如圖4所示，由溫度傳感器（K分度熱電偶）檢測空調器的出風溫度變化并輸出測量信號y（t）送至溫度調節器，在溫度調節器內測量信號 y（t）與設定值 x（t）比較后產生偏差信號e（t），然后經 PID運算后輸出0～10 mA信號送給執行器（可控硅調壓器）改變輸出電壓的高低，可控硅調壓器輸出電壓的高低使電加熱器的熱量發生變化，使出風溫度也發生變化，最終使空調的出風溫度穩定在設定值內。

圖4 出風溫度控制系統TIC2原理圖

變頻調速控制系統原理圖如圖5所示。變頻調速控制系統用于控制出風壓力，由壓力傳感器+變送器組合檢測空調的出風壓力變化并輸出測量值為4～20 mA的信號y（t）送至壓力調節器，在壓力調節器內測量值信號y（t）與設定值 x（t）比較后產生偏差信號 e（t），然后經PID運算后輸出4～20 mA信號送給執行器 （變頻器+風機組合），改變變頻器輸出頻率使風機轉速發生變化，最終使空調的出風壓力穩定在設定值內。

圖5 出風壓力變頻調速控制系統PIC原理圖

2 實驗系統的特點

本實驗系統具有開放性、綜合性、先進性的特點。

（1）開放性：本實驗系統可由學生進行儀表系統的設計、安裝、校驗、調試、運行、監控、維護、改造等，在此過程中，學生可進行開放性的學習，同時，能將新的技術融入系統中。

（2）綜合性：本系統融入了自動控制技術、電子技術、計算機技術、通信技術，可進行過程測量與儀表類課程、變頻器技術、智能控制、組態軟件應用技術等課程的教學，不僅能完成不同層次或不同類別的實驗，還能進行設計性、綜合性、創新性的實驗。

（3）先進性：本系統運用了變頻調速控制技術、智能儀器控制技術、計算機控制技術，這些技術是現代生產過程中較先進的技術。

3 實驗系統的功能

3.1 常用過程參數的測量

本實驗系統可測量的過程參數有：溫度（TI1、TI2、TIC1、TIC2）、 壓 力 （PI1、PI2、PIC）、 流 量 （QI、QIJ）、 液 位（LIA）、濕度（MI1）。

3.2 壓力控制

出風壓力可由壓力調節器與變頻器控制，也可由計算機進行遠程控制。通過該系統，可以學習變頻器的結構、工作原理、操作、應用等知識，特別是變頻調速節能方面的知識，同時還可學習計算機控制技術方面的知識。

3.3 溫度控制

在檢測與過程控制系統中，溫度的測量與控制所占的比例很大，應用最廣[1]。本實驗系統實現冷風溫度控制TIC1和出風溫度控制TIC2。

3.4 儀表的校驗

本實驗系統進行的儀表校驗主要有：彈簧管壓力表的校驗、數字顯示儀表的校驗（校驗熱電偶和熱電阻）、壓力或差壓變送器的校驗等。通過本實驗系統，可以學習校驗的方法、數據記錄、處理及檢定結果等。

3.5 學習PID參數整定

調節器參數整定的方法很多，本實驗系統可選用簡單、易操作的經驗法（用于模擬PID控制）或智能儀表PID整定[2]。在本實驗系統中，通過改變出風壓力、出風溫度、冷風溫度來控制系統的PID設定值，觀察設備以及儀表的變化情況，學習PID參數的整定。

3.6 計算機控制系統設計

本實驗系統采用組態王軟件設計上位機監控系統，用于出風壓力、出風溫度、冷風溫度的監控。組態王軟件具有良好的開放性，支持與國內外常見的PLC、智能模塊、智能儀表、變頻器、板卡等進行數據通信[3]。通過計算機控制系統，學習計算機控制系統設計的方法。

3.7 其他功能

本實驗系統除上述功能外，還具有其他的功能，如：水箱液位控制、出風流量的控制、冷凍水流量控制、分程控制等。

4 系統的創新

（1）本實驗系統被控介質有氣體和液體，主體被控介質是氣體，安全性高，而現在高校用的過程控制實驗系統被控介質大多是水，本系統被控介質多樣化。

（2）本實驗系統具有可拆裝性、改造性、擴展性、開放性強，能更好地融入過程控制發展新技術，更益于鍛煉學生動手實踐能力、設計能力、創新能力、現場解決實際問題的能力。

（3）本實驗系統以工業空調為載體，因為工業空調應用廣泛，為學生所熟悉，這樣，更容易激起學生學習的熱情與興趣。

5 結論

本文設計了一套基于工業空調的儀表測量與過程控制實驗系統，系統緊密結合工業生產過程，實踐性、技術性和實用性強，具有廣泛的應用價值，主要適用于高校進行實驗教學和科學研究，有利于提高教育教學質量和人才培養質量，提高學生專業技能，培養學生設計能力、方法能力、可持續發展能力、創新能力和解決現場實際問題的能力。本系統具有開放性、綜合性、先進性等特點，使培養的自動化專業人才更容易適應企業崗位要求。隨著生產自動化的發展，本實驗系統還需要不斷地改進和完善。

[1]范崢，徐海剛.檢測與儀表[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2]黃永杰，盧勇威，高宇.檢測與過程控制技術[M].北京：北京理工大學出版社，2010.

[3]郭劍花，王鎖庭.過程測量及儀表[M].北京：化學工業出版社，2010.