论文部分内容阅读
摘要：在传统过程控制教学实训系统中，由于采用冷水和热进行温度控制实验，导致所需的时间长，不能在规定课时内完成实验;如果实验失败，不能马上重新开始实验，必须要等到水降温后才可以进行下一次实验;如果温度一旦控制不好水可能会汽化，存在极大的安全隐患等问题。针对以上问题，本文开发设计一种基于气液两相介质的换热工艺流程，以进行温度控制教学内容的改进。该系统设计工艺流程时，先将空气通过热风机加热至较高温度，然后在板式换热器内与水进行换热，由于空气比热小，整个温度控制过程时间大大缩短。同时冷却水换热之后吸收的热量，通过空冷器与液位水罐进行散热，能够实现整个系统的热量平衡，实现系统自循环。
关键词：温度控制实验改进;空气与水换热
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;
過程控制系统是自动化专业非常重要的一门综合性应用学科，课程内容包括控制理论、生产工艺、计算机控制技术和仪器仪表知识[1-2]。在实际教学过程中，常以水箱液位系统开展过程控制系统实践教学。水箱液位系统具有生产工艺简单、直观，涵盖温度、流量、液位、压力等典型过程变量的检测与变送实训、泵和调节阀等典型执行机构的操作实训、控制系统设计与实施实训等内容。由于过程控制系统需要理论与应用结合紧密且实践性较强，造成学生在学习的过程中遇到很多的实际困难[3]。其中温度控制的实践学习一直是难点之一。基于水箱液位系统的温控实验，需要先将冷水加热成热水后再与另一路冷水进行换热，造成实验时间长。而由于组态技术、DCS、PLC等不断发展并交叉融合，使得过程控制系统课程内容变得宠大而繁杂，学生陷入“学时减少”但“内容增加、要求更高”的矛盾之中[4]。导致无法在规定课时内完成温度控制实践，达不到预期的实践教学效果。所以本文设计一种改进的过程控制教学实践系统，即采用空气与水换热的工艺流程进行温控实验，先将空气加热，然后与冷水在换热效率较高的板式换热器内进行换热，可大大减少整个实验时间，有效的提升温度控制学习效果。
1、过控控制教学实验系统设计
本文所设计开发的过程控制教学实验系统包括两部分：过程控制对象和西门子S7-1500PLC控制系统。
过程控制对象配置了水槽、离心泵、电动调节阀、水罐、工业鼓风机、变频器、工业热风机、板式换热器、空冷器;流量、温度、压力、液位等真实工业仪表，根据工艺介质及工艺条件有多种类型仪表可供选择。过程控制对象均采用工业级的常见检测变送仪表，如涡街流量计、电磁流量计、差压变送器、压力变送器、热电阻温度变送器等，并按照仪表设计标准规范，通过统一的接口单元进行模块化处理，根据需要进行仪表选型、完成仪表的安装与调试、完成变送器与控制器的信号连接等。仪表变送器与控制器的信号连接方式采用传统的4～20mA电流信号。 控制系统选用西门子SIMATIC S7-1500 CPU1516-3 PN緊凑型PLC为基础控制器，其包含4个I/O模块：1个DI32模块，该模块32路数字量输入;1个DO32模块，该模块32路数字量输出;1个AI8模块，该模块8路模拟量输入;1个AO4模块，该模块4路模拟量输出，支持学生进行控制系统的设计、参数整定、投用、监控实验流程等教学内容。
整个实验系统采用西门子S7-1516作为控制系统，以水罐液位、换热器换热流体温度等为被控对象，可进行过程控制中常见的流量控制、液位控制、温度控制、压力控制等实验。整个装置由两部分工艺流程组成：（1）液位控制系统;（2）温度控制系统。本文主要介绍温度控制系统部分。
本实验系统具有以下特点：
（1）对象抽提自真实工业环节。实训对象流程是以真实工业换热环节为背景，模拟医药、食品、化工、智能楼宇、发动机、空调等换热系统，涵盖温度、流量、压力、液位等工业过程控制参数，温控实验环节采用空气为介质进行加热，有效解决了传统温控实验以水为介质所引起的安全和实验复用性低的问题。
（2）高端工业仪表。实训系统采用气液两相测量介质设计，更贴近真实工业生产环境，让学生可以了解不同相态介质的测量原理以及了解不同仪表的工业应用场景。配置SIEMENS、E+H等高端仪表，提高了实验环节中仪表的可靠度，也可以训练学生关于仪表的选型、安装、调试、通讯等工程应用能力。
（3）真实控制系统。实验平台选用SIEMENS 1500 PLC作为基础控制系统，配置全集成自动化软件TIA portal，可以训练学生进行连续控制系统实训项目，包括基础控制以及串级控制等复杂控制，提高学生的控制逻辑设计能力和实施能力。
（4）安全环保、易于使用、维护。工艺流程设计有效的降低了发生安全事故的概率，保证了教学过程、使用过程的安全;同时实现了物料的自循环，便于实验、便于维护。
2、温度控制系统工艺流程设计
空气经鼓风机K201升压后进入电阻丝加热器AH101进行加热，温度升高至实验设定温度后，进入换热器E101与冷水完成热交换后，空气温度降低至实验目标后排入大气。冷水经离心泵P101从水槽V101抽出，进入板式换热器E102与热空气热交换之后，温度升高，继续进入空冷器A101进行一定程度的降温后回到水槽V101。以空气管程出口温度TIC202为被控对象，以冷却水入口阀FV101为执行机构，构建温度单回路控制系统，也可以构建温度串级控制系统。
对温度控制系统施加外部干扰：改变热空气流量等，可对控制系统进行PID参数调节、控制性能测试等实训项目。温度控制系统工艺流程图如图1-1所示：
3、温度控制系统主要仪表设备介绍
3.1、主要设备说明
1）鼓风机：装置中风路输送设备选用工业高压鼓风机，最大出口风压为30KPa，380V三相供电，鼓风机的电机频率由西门子变频器V20控制。
2）热风机：装置风路加热装置选用热风机，采用220V电阻丝加热方式，电阻丝通电后产生的热量与通过的冷空气进行热交换，将空气加热到指定温度，该加热过程可由热风机自带的温控表完成，亦可由PLC控制系统完成。
3）板式换热器：装置中换热器选用板式换热器，为冷水和热空气提供换热场所。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点，热回收率可高达90%以上。
4）离心泵：装置中水路输送设备采用工业离心泵，可用于进行离心泵的相关操作使用实训。
3.2、主要仪表说明：
温度控制系统中仪表传输信号均采用4～20mA.DC
1）电磁流量计：用于测量冷却水流量。
2）涡街流量计：用于测量空气流量。
3）热电阻温度计：共有四个测量点，板式换热器冷却水入口、板式换热器冷却水出口、板式换热器空气入口、板式换热器空气出口;热电阻温度计通过变送器将热电阻信号转换为4-20mA电流信号。
4）电动调节阀：接收4-20mA电流输出信号，用于调节进入板式换热器的冷却水流量。
4、实验验证
本实验系统的被控变量为风路板式换热器出口温度TI202（单位℃）。温度对象的特点是时间常数较大，有滞后现象。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差，系统的调节器应为PI或PID。风路冷却单回路控制系统结构框图如图1-2所示：
TIC202温度控制系统参考PID参数设定如下P=-0.01，I=10000，D=0.05，温度设定值SP为30℃，冷却温度控制曲线如图1-3所示：
由图可知：在10分钟内，温度可由70度降至设定值30度，并保持恒定。
5、结束语
针对传统过程控制系统中温度控制实验教学难的问题，本文通过设计水和空气换热的工艺流程，使得整个温度控制实验的时间大大缩短，从而允许学生在规定的课时内进行温度控制的实训，从而掌握相应理论知识。
参考文献：
[1]俞金寿，蒋慰孙. 过程控制工程[ M]. 北京：电子工业出版社，2007.
[2]李敏，邹涛，杨马英，等.过程控制系统综合性实验设计与教学实践[J].实验技术与管理，2012，28（6）：100-104
[3]黄宜庆.《过程控制系统》课程教学和实践环节的改革与创新探索.《科技视界》2014年第05期
[4]赵黎明，张冰.过程控制系统课程的教学改革.电气电子教学学报，2017，39（6）
关键词：温度控制实验改进;空气与水换热
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;
過程控制系统是自动化专业非常重要的一门综合性应用学科，课程内容包括控制理论、生产工艺、计算机控制技术和仪器仪表知识[1-2]。在实际教学过程中，常以水箱液位系统开展过程控制系统实践教学。水箱液位系统具有生产工艺简单、直观，涵盖温度、流量、液位、压力等典型过程变量的检测与变送实训、泵和调节阀等典型执行机构的操作实训、控制系统设计与实施实训等内容。由于过程控制系统需要理论与应用结合紧密且实践性较强，造成学生在学习的过程中遇到很多的实际困难[3]。其中温度控制的实践学习一直是难点之一。基于水箱液位系统的温控实验，需要先将冷水加热成热水后再与另一路冷水进行换热，造成实验时间长。而由于组态技术、DCS、PLC等不断发展并交叉融合，使得过程控制系统课程内容变得宠大而繁杂，学生陷入“学时减少”但“内容增加、要求更高”的矛盾之中[4]。导致无法在规定课时内完成温度控制实践，达不到预期的实践教学效果。所以本文设计一种改进的过程控制教学实践系统，即采用空气与水换热的工艺流程进行温控实验，先将空气加热，然后与冷水在换热效率较高的板式换热器内进行换热，可大大减少整个实验时间，有效的提升温度控制学习效果。
1、过控控制教学实验系统设计
本文所设计开发的过程控制教学实验系统包括两部分：过程控制对象和西门子S7-1500PLC控制系统。
过程控制对象配置了水槽、离心泵、电动调节阀、水罐、工业鼓风机、变频器、工业热风机、板式换热器、空冷器;流量、温度、压力、液位等真实工业仪表，根据工艺介质及工艺条件有多种类型仪表可供选择。过程控制对象均采用工业级的常见检测变送仪表，如涡街流量计、电磁流量计、差压变送器、压力变送器、热电阻温度变送器等，并按照仪表设计标准规范，通过统一的接口单元进行模块化处理，根据需要进行仪表选型、完成仪表的安装与调试、完成变送器与控制器的信号连接等。仪表变送器与控制器的信号连接方式采用传统的4～20mA电流信号。 控制系统选用西门子SIMATIC S7-1500 CPU1516-3 PN緊凑型PLC为基础控制器，其包含4个I/O模块：1个DI32模块，该模块32路数字量输入;1个DO32模块，该模块32路数字量输出;1个AI8模块，该模块8路模拟量输入;1个AO4模块，该模块4路模拟量输出，支持学生进行控制系统的设计、参数整定、投用、监控实验流程等教学内容。
整个实验系统采用西门子S7-1516作为控制系统，以水罐液位、换热器换热流体温度等为被控对象，可进行过程控制中常见的流量控制、液位控制、温度控制、压力控制等实验。整个装置由两部分工艺流程组成：（1）液位控制系统;（2）温度控制系统。本文主要介绍温度控制系统部分。
本实验系统具有以下特点：
（1）对象抽提自真实工业环节。实训对象流程是以真实工业换热环节为背景，模拟医药、食品、化工、智能楼宇、发动机、空调等换热系统，涵盖温度、流量、压力、液位等工业过程控制参数，温控实验环节采用空气为介质进行加热，有效解决了传统温控实验以水为介质所引起的安全和实验复用性低的问题。
（2）高端工业仪表。实训系统采用气液两相测量介质设计，更贴近真实工业生产环境，让学生可以了解不同相态介质的测量原理以及了解不同仪表的工业应用场景。配置SIEMENS、E+H等高端仪表，提高了实验环节中仪表的可靠度，也可以训练学生关于仪表的选型、安装、调试、通讯等工程应用能力。
（3）真实控制系统。实验平台选用SIEMENS 1500 PLC作为基础控制系统，配置全集成自动化软件TIA portal，可以训练学生进行连续控制系统实训项目，包括基础控制以及串级控制等复杂控制，提高学生的控制逻辑设计能力和实施能力。
（4）安全环保、易于使用、维护。工艺流程设计有效的降低了发生安全事故的概率，保证了教学过程、使用过程的安全;同时实现了物料的自循环，便于实验、便于维护。
2、温度控制系统工艺流程设计
空气经鼓风机K201升压后进入电阻丝加热器AH101进行加热，温度升高至实验设定温度后，进入换热器E101与冷水完成热交换后，空气温度降低至实验目标后排入大气。冷水经离心泵P101从水槽V101抽出，进入板式换热器E102与热空气热交换之后，温度升高，继续进入空冷器A101进行一定程度的降温后回到水槽V101。以空气管程出口温度TIC202为被控对象，以冷却水入口阀FV101为执行机构，构建温度单回路控制系统，也可以构建温度串级控制系统。
对温度控制系统施加外部干扰：改变热空气流量等，可对控制系统进行PID参数调节、控制性能测试等实训项目。温度控制系统工艺流程图如图1-1所示：
3、温度控制系统主要仪表设备介绍
3.1、主要设备说明
1）鼓风机：装置中风路输送设备选用工业高压鼓风机，最大出口风压为30KPa，380V三相供电，鼓风机的电机频率由西门子变频器V20控制。
2）热风机：装置风路加热装置选用热风机，采用220V电阻丝加热方式，电阻丝通电后产生的热量与通过的冷空气进行热交换，将空气加热到指定温度，该加热过程可由热风机自带的温控表完成，亦可由PLC控制系统完成。
3）板式换热器：装置中换热器选用板式换热器，为冷水和热空气提供换热场所。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点，热回收率可高达90%以上。
4）离心泵：装置中水路输送设备采用工业离心泵，可用于进行离心泵的相关操作使用实训。
3.2、主要仪表说明：
温度控制系统中仪表传输信号均采用4～20mA.DC
1）电磁流量计：用于测量冷却水流量。
2）涡街流量计：用于测量空气流量。
3）热电阻温度计：共有四个测量点，板式换热器冷却水入口、板式换热器冷却水出口、板式换热器空气入口、板式换热器空气出口;热电阻温度计通过变送器将热电阻信号转换为4-20mA电流信号。
4）电动调节阀：接收4-20mA电流输出信号，用于调节进入板式换热器的冷却水流量。
4、实验验证
本实验系统的被控变量为风路板式换热器出口温度TI202（单位℃）。温度对象的特点是时间常数较大，有滞后现象。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下无静差，系统的调节器应为PI或PID。风路冷却单回路控制系统结构框图如图1-2所示：
TIC202温度控制系统参考PID参数设定如下P=-0.01，I=10000，D=0.05，温度设定值SP为30℃，冷却温度控制曲线如图1-3所示：
由图可知：在10分钟内，温度可由70度降至设定值30度，并保持恒定。
5、结束语
针对传统过程控制系统中温度控制实验教学难的问题，本文通过设计水和空气换热的工艺流程，使得整个温度控制实验的时间大大缩短，从而允许学生在规定的课时内进行温度控制的实训，从而掌握相应理论知识。
参考文献：
[1]俞金寿，蒋慰孙. 过程控制工程[ M]. 北京：电子工业出版社，2007.
[2]李敏，邹涛，杨马英，等.过程控制系统综合性实验设计与教学实践[J].实验技术与管理，2012，28（6）：100-104
[3]黄宜庆.《过程控制系统》课程教学和实践环节的改革与创新探索.《科技视界》2014年第05期
[4]赵黎明，张冰.过程控制系统课程的教学改革.电气电子教学学报，2017，39（6）