基于PLC的噴霧降溫控制系統

吳明亮 潘佳月 張鴻強

(1.蘭州理工大學機電工程學院,蘭州 730050；2.甘肅煙草工業有限責任公司天水卷煙廠,甘肅 天水 741020)

基于PLC的噴霧降溫控制系統

吳明亮1潘佳月1張鴻強2

(1.蘭州理工大學機電工程學院,蘭州 730050；2.甘肅煙草工業有限責任公司天水卷煙廠,甘肅 天水 741020)

針對工業生產過程中環境溫度過高，通過中央空調系統難以實現理想降溫的問題，提出了一種基于PLC的噴霧降溫控制系統。基于噴霧降溫原理，建立噴霧降溫數學模型。通過S7-200 PLC控制器的PID調節功能和WinCC上位組態軟件實現了對環境溫度的監控。實際運行結果表明：該系統運行穩定可靠，有效實現了噴霧降溫的目的。

噴霧降溫控制系統 S7-200 PLC WinCC PID調節

近年來，全球氣溫普遍升高，加之生產環境中設備運行的熱輻射，環境溫度時常高達40℃以上。改善作業環境的溫度已經成為一個不容忽視的問題。然而在工藝環境中，區域面積動輒幾千甚至上萬平方米，普通空調制冷無法滿足如此大的作業面積，而且初期投資和后期運行費用很高。因此，設計一個既節能又可以有效降低環境溫度的控制系統十分必要。

由于PLC運行可靠、操作簡單，因而在工控領域的應用越來越普遍[1,2]。

筆者首先建立噴霧降溫控制系統內，溫度與噴水量關系的數學模型，確定最佳控制參數[3,4]，然后采用S7-200 PLC對內蒙古伊泰集團煤化工煤制油項目中的噴霧降溫控制系統進行了研究，結合WinCC上位組態軟件設計了人機界面，最終達到快速降溫、節約水電資源的目的。

1 噴霧降溫原理與建模①

1.1 噴霧降溫原理

噴霧降溫工作原理：通過噴嘴將水霧轉換成微小粒徑的霧滴，霧滴在運動過程中與空氣充分混合并迅速蒸發。由于水具有較大的汽化潛熱，蒸發時會吸收環境中的大量熱量，起到降低周圍空氣溫度的作用[5]。如此，整個區域不但降溫迅速，而且含有大量負離子，同時增加了區域濕度，降低了粉塵濃度。

1.2噴霧降溫建模

將水蒸氣的擴散視為一種短時的過程，忽略噴霧時間對水蒸氣擴散的影響。如果已知空氣的初始溫度T1、初始壓力p1、空氣相對濕度φ和降溫后空氣溫度T2，就可以求出所需的噴水量。

根據空氣初始壓力p1和空氣初始溫度T1，可以在相對應的飽和空氣狀態參數表中查出空氣初始狀態時水蒸氣飽和壓力ps，且有：

pv=φ·ps

(1)

式中ps——水蒸氣飽和壓力，kPa；

pv——水蒸氣分壓力，kPa。

通過式(1)就可以計算出空氣中水蒸氣分壓力pv。又有：

(2)

式中D1——噴霧前的空氣含濕量，g/kg。

且：

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

(3)

式中H1——噴霧前空氣的焓值，kJ/kg(干空氣)。

由熱力學可知，噴霧降溫法是空氣等焓增濕過程，所以噴霧前空氣焓值等于噴霧后空氣焓值，即：

H1=H2

(4)

結合式(3)、(4)可推導出噴霧后空氣含濕量D2為：

(5)

根據質量守恒定律，噴水量Qm等于濕空氣流含濕量的增加，即：

Qm=Qma(D1-D2)

(6)

式中Qma——噴霧過程中空氣的流量，kg/s。

再根據式(2)、(5)、(6)即可計算出空氣溫度降低ΔT=T1-T2時所需的噴水量。

2 噴霧降溫模型仿真

根據上述數學模型，應用Matlab軟件進行仿真。以內蒙古伊泰集團煤化工煤制油項目噴霧加濕控制系統為例，當溫度高于32℃時，啟動噴霧降溫控制系統；反之，關閉噴霧降溫控制系統。根據現場考察與測量，該工程選用變頻風機的額定空氣流量為85 000m3/h，空氣密度1.205kg/m3，空氣相對濕度81%，查表得32℃時水蒸氣飽和壓力為4.8kPa，由此建立溫度變化與噴水量的關系。

通過仿真計算得到環境溫度與噴水量的關系曲線如圖1所示。可以看出，環境溫度在初始溫度32℃時，噴水量為零；環境溫度升高到33℃時，噴霧機組運行，噴水量為40kg/h，即環境溫度升高1℃，噴水量為40kg/h時環境溫度才可以降低至32℃。因此，可根據濕度傳感器和溫度傳感器采集的信號，實時計算噴水量，確定噴霧噴嘴的運行數據，對噴霧降溫進行精確控制。

圖1 環境溫度與噴水量關系曲線

3 基于PLC的噴霧降溫控制系統

3.1系統硬件部分

噴霧降溫控制系統(圖2)由水箱、過濾器、防爆泵組、噴嘴、溫濕度傳感器、電磁流量變送器、液位開關及就地防爆操作箱等構成。

圖2 噴霧降溫控制系統硬件結構

防爆泵的現場操作按鈕設在就地防爆箱內，防爆泵和防爆箱的防爆等級均為EXDⅡCT4，工作壓力7～10MPa，流量40L/min。4組泵互為備用，對應不同位置的4組噴嘴。

根據現場需要，溫濕度傳感器安裝在易于檢測溫濕度的位置，安裝方式采用懸掛式，工作電壓24V(DC)，溫度范圍0～80℃，濕度范圍0～100%RH，輸出4～20mA電流信號，T口輸出溫度信號，S口輸出濕度信號[6]。

液位開關采用連桿浮球式，通過法蘭安裝在水箱右側，3個浮子分別設有高、中、低3個液位值，數字量輸出。水箱水位正常時，中、低液位開關閉合，高液位開關斷開。如果中液位開關斷開，系統會自動打開補水電磁閥，當水箱液位過高時，高液位開關閉合，PLC收到高液位開關閉合的信號后，便認為水箱補水過程完成，將自動關閉補水電磁閥。當低液位開關斷開時，表明水箱液位過低，PLC收到低液位開關斷開的信號后，將立即停機報警并打開補水電磁閥。

電磁流量變送器安裝在緩沖管進水端，測量水流量并記錄進水量，4～20mA電流信號輸入到S7-200 PLC的模擬量采集端口。

噴霧降溫控制系統的硬件主要安裝在防爆操作箱內，防爆操作箱的正面分為左右兩部分，左側有主電源開關、噴霧柱塞泵的手自動切換開關及其運行和停止指示、補水電磁閥手自動切換開關及其運行和停止指示。右側是觸摸屏，所有的鍵盤、鼠標操作可全部由觸摸屏完成。

系統中的開關量輸入、輸出信號和模擬量輸入、輸出信號分配見表 1。

表1 S7-200 PLC的I/O分配

開關量輸入信號包括4組水泵的遠程/就地轉換開關信號、補水電磁閥的遠程/就地轉換開關信號、故障指示信號、運行狀態指示信號與液位開關高液位、中液位和低液位信號。

模擬量輸入信號包括溫濕度信號和流量信號。溫濕度信號來自溫濕度傳感器，輸入信號范圍4～20mA。流量信號來自電磁流量變送器，輸入信號范圍4～20mA。

開關量輸出信號包括4組水泵遠程啟停控制信號和電磁補水閥的開閉控制信號。

根據外部輸入輸出信號類型和數量，數字量模塊選用6ES7 216-2BD23-0XB8，24V直流供電，自帶24路開關量輸入和16路開關量輸出[7]。模擬量模塊選用231-OHC22-0XA0，含有4路模擬量輸入，模擬量信號設置成電流信號，范圍4～20mA。

3.2系統軟件部分

噴霧降溫控制系統功能如圖3所示。

圖3 噴霧降溫控制系統功能

噴霧降溫控制系統采用上位機和下位機兩級控制。上位機采用工控機，主要完成數據的實時運算、工藝流程的動態顯示、手自動切換、歷史數據歸檔和報表管理。下位機采用S7-200 PLC，完成數據的采集、PID閉環控制和邏輯判斷功能[8]。

S7-200 PLC是系統的核心控制部分，S7-200 PLC程序具有自動控制和手動控制兩部分：自動控制方式，上位機接收來自下位機采集的溫度和濕度信號，實時計算噴水量，然后將數據傳送給下位機，下位機運行PID控制程序，自動控制噴霧泵組的噴水量并控制噴霧機組的啟停動作；手動控制方式，通過操作臺上的啟停按鈕控制噴霧泵組的運行狀態。

噴霧降溫控制系統的軟件流程如圖4所示。

首先是準備待機狀態，這個階段是啟動噴霧降溫控制系統的檢查階段，保證水箱液位能夠滿足啟動條件；檢查泵組是否有故障；檢測環境溫度是否達到需要噴水的條件，檢測進出水壓力是否達到噴嘴的壓力要求；根據現場情況啟動噴霧降溫機組。

在主程序中檢測水箱液位，如果在中液位，則打開補水電磁閥，直到水箱液位高于高液位，此時，水箱中液位開關高液位閉合，水系統正常，可以調用PID 調節功能塊。系統采用模擬量PID調節模塊，現場的流量信號經變送器傳遞給PLC，并作為流量采樣值，與計算出的理論流量值比較，其差值經過PLC內部的比例、積分和微分調節處理后，以0～5V(DC)電壓的形式輸出給電動調節閥，電動調節閥的開度隨著輸出電壓的增大而增大，由此噴霧量增大，環境中的溫度降低。當流量采樣值與計算理論流量值接近時，輸出值可根據采樣值的變化再進行微量的調整。

圖4 噴霧降溫控制系統的軟件流程

3.3人機界面

人機界面是用戶和機器之間的橋梁，它可以靈活地應用圖形和相關文字信息來取代傳統設備上大量的觸控按鈕、指示燈及選擇開關等，可以工作在各種工業環境中，并保證工作的高可靠性[9]。

為了實時監控噴霧機組的運行情況，采用WinCC設計了上位機監控軟件。在計算機上設計監控畫面并調試，合格后下載到觸摸屏。其中，開機首頁包括歡迎畫面，有歡迎詞、公司名稱和聯系信息說明。觸摸該頁后進入主畫面，主畫面包括溫濕度顯示、噴水量顯示、4組水泵的啟停按鈕、補水電磁閥的啟停按鈕、運行狀態、水箱液位狀態和返回首頁按鈕。

4 結束語

筆者從降低工業環境溫度的基本要求出發，以S7-200 PLC作為下位機控制器，設計了一套噴霧降溫控制系統。系統應用PID調節控制噴霧量，提高了溫度控制的穩定性。同時采用WinCC組態軟件設計了上位機監控界面，直觀地顯示噴霧機組的運行狀態，降低了成本，改善了車間工作環境，實現了噴霧降溫的長期運行和自動控制。以PLC作為控制主機的噴霧降溫控制系統，其控制程序可變，系統設計、調試和維護方便，能夠適應惡劣的工業環境。

[1] 譚冬云.plc自動控制系統的可靠性探討[J].城市建設理論研究(電子版),2014,(1):121～122.

[2] 孫慧.西門子PLC系統常見故障分析[J].化工自動化及儀表,2014,41(9):1101～1102.

[3] 廖傳華,黃振仁,顧海明,等.數學模擬法在噴霧干燥設備設計中的應用[J].化工機械,1999,26(1):52～54.

[4] 劉阿龍,韓坤,苗紀文,等.MTO催化劑離心噴霧干燥制備過程數值模擬[J].化工機械,2011,38(3):327～330,382.

[5] 趙文升,王松嶺,荊有印,等.噴霧增濕法在直接空冷系統中的應用[J].動力工程,2008,28(1):64～67.

[6] 李蓮,金晶晶.一種具有溫壓補償功能氣體渦輪流量計的設計[J].自動化與儀表,2010,25(12):53～55.

[7] 西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[8] 張德民,劉洪錦,于航.高溫高濕試驗箱加濕器PLC控制系統設計[J].天津理工大學學報,2012,28(3):41～45.

[9] 周亮.基于S7-200的磨內噴水系統的設計[J].化工自動化及儀表,2013,40(5):642～645.

2015-09-08(修改稿)

TH862

B

1000-3932(2016)04-0435-04