教學(xué)用自動(dòng)化儀表控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置

呂和平

(贛西科技職業(yè)學(xué)院,新余 338000)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門.

作為自動(dòng)化控制技術(shù)支柱之一的自動(dòng)化儀表控制技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛,在一些學(xué)校里,自動(dòng)化儀表控制技術(shù)是作為一門自控專業(yè)來設(shè)置,對(duì)于自控專業(yè)的學(xué)生來說,學(xué)會(huì)用自動(dòng)化儀表來構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)是非常必要的.

要學(xué)好自動(dòng)化儀表控制技術(shù)知識(shí),除需要學(xué)習(xí)必要的理論知識(shí)外,重要的是能結(jié)合實(shí)際參與儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行過程.如果學(xué)生在學(xué)校時(shí)有機(jī)會(huì)獲得一些主要的實(shí)際操作,也就掌握了這門知識(shí)的基本技能,本人設(shè)計(jì)了這套工業(yè)空調(diào)及儀表自動(dòng)化控制實(shí)驗(yàn)裝置,目的就是使同學(xué)在校學(xué)習(xí)時(shí)可以得到較好的基本技能操練.這套裝置的主要特點(diǎn)有:

(1)控制對(duì)象為典型的工業(yè)空調(diào)裝置,簡(jiǎn)單實(shí)用,安全可靠.能方便地進(jìn)行工藝參數(shù)的設(shè)定、調(diào)整、控制、運(yùn)行.通過對(duì)裝置的操作,使同學(xué)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程能有初步的認(rèn)識(shí).

(2)儀表檢測(cè)參數(shù)方面,裝置設(shè)有工廠常見的四大熱工參數(shù)的檢測(cè);即溫度、壓力、流量、液位的檢測(cè).還有濕度、壓差等參數(shù)的檢測(cè).加深同學(xué)對(duì)儀表測(cè)量技術(shù)知識(shí)的了解.

(3)控制系統(tǒng)方面,裝置設(shè)有簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng),也有復(fù)雜的控制系統(tǒng).(也可以將該裝置改裝成為一個(gè)小型的DCS集散控制系統(tǒng)教學(xué)模型)加深同學(xué)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成的了解.學(xué)會(huì)PID參數(shù)整定,了解PID控制作用的效果等.

(4)儀表的選型上,有中小企業(yè)常用的簡(jiǎn)單、實(shí)用、便宜的數(shù)字儀表,也有要求控制嚴(yán)謹(jǐn)場(chǎng)合使用的電動(dòng)單元組合儀表,一次儀表和二次儀表的種類也比較多,通過對(duì)裝置中各種儀表的校驗(yàn)和操作,使同學(xué)掌握常用工業(yè)儀表的選用、校驗(yàn)方法.

(5)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面,使用了調(diào)節(jié)閥、變頻器等裝置,使用了SSR-CYC周波控制模塊和SSR固體繼電器等先進(jìn)的電子元器件,方式多樣化,使同學(xué)多了解一些先進(jìn)技術(shù)知識(shí).

(6)該裝置可作為教學(xué)用實(shí)驗(yàn)裝置,更是一套完整、控制精度高的工業(yè)空調(diào)設(shè)備.可以滿足空調(diào)質(zhì)量要求比較高的企業(yè)使用.學(xué)生可以從中了解到工業(yè)空調(diào)設(shè)備的初步知識(shí).

1 工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)

圖1 是帶自動(dòng)控制點(diǎn)的工業(yè)空調(diào)裝置示意圖,該空調(diào)設(shè)備簡(jiǎn)練,占用場(chǎng)地少,投資不大,一般的學(xué)校與企業(yè)可以制作.主系統(tǒng)由進(jìn)風(fēng)口、空氣過濾器、噴淋水器、表冷器、第二加熱器、送風(fēng)機(jī)、出風(fēng)管路等組成.輔助設(shè)備有冷凍水調(diào)節(jié)閥、熱水箱、第一電加熱器、管路等.如無冷凍機(jī)設(shè)備提供冷凍水,可采用循環(huán)冷卻水來代替,此時(shí)需增加循環(huán)水冷卻裝置,空調(diào)器的出風(fēng)溫度高些.

空調(diào)器工作原理,新風(fēng)從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入空調(diào)器,經(jīng)空氣過濾器進(jìn)行過濾,然后經(jīng)熱水噴淋或空氣表冷器冷卻,使風(fēng)的溫度一定,且相對(duì)濕度接近100%的狀態(tài)(露點(diǎn)溫度狀態(tài)).最后經(jīng)過第二加熱器的加熱,使得風(fēng)的溫度和濕度達(dá)到規(guī)定的要求.出風(fēng)壓力及出風(fēng)量的大小是由變頻器控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到.

圖1 帶控制點(diǎn)的工業(yè)空調(diào)裝置

2 儀表控制方案

整個(gè)裝置的控制系統(tǒng)有三套,露點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)、出風(fēng)溫度控制系統(tǒng)和出風(fēng)壓力控制系統(tǒng),另設(shè)有其它儀表用來檢測(cè)空調(diào)器的運(yùn)行狀態(tài),分別介紹如下:

2.1 露點(diǎn)溫度控制系統(tǒng).

露點(diǎn)溫度是指當(dāng)空氣中的含濕量達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的空氣溫度,此時(shí)空氣中的相對(duì)濕度為100%.對(duì)露點(diǎn)溫度進(jìn)行了控制(粗調(diào)),可以有效地克服季節(jié)變化的干擾,使得空調(diào)系統(tǒng)的最終出風(fēng)溫度、濕度(精調(diào))容易控制,從而獲得較高的空調(diào)質(zhì)量.

在冬季,參見圖2,室外的氣溫低,空氣熱焓值I較低,如圖中C點(diǎn).當(dāng)室外空氣進(jìn)入空調(diào)器經(jīng)熱水的噴淋,溫度上升,相對(duì)濕度接近100%,此時(shí)的空氣溫度為露點(diǎn)溫度,即圖中的L點(diǎn).露點(diǎn)溫度的高低由噴淋水的溫度決定,噴淋水的溫度是通過露點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)第一電加熱器的功率,控制加熱水箱里的水溫來達(dá)到.

圖2 露點(diǎn)溫度控制過程(冬天)

在夏季,參見圖3,室外的溫度高,空氣熱焓值I較高,如圖中C點(diǎn).當(dāng)室外空氣進(jìn)入空調(diào)器先經(jīng)循環(huán)水噴淋,后經(jīng)過表冷器冷卻,溫度下降,空氣中水分排出,相對(duì)濕度達(dá)100%,此時(shí)空氣的溫度為露點(diǎn)溫度,即圖中的L點(diǎn),露點(diǎn)溫度的高低由進(jìn)入表冷器的冷凍水量決定,冷凍水量是通過露點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)冷凍水閥的開度來達(dá)到.

圖3 露點(diǎn)溫度控制過程(夏天)

為了能根據(jù)季節(jié)或天氣環(huán)境的變化自動(dòng)地切換使用熱水噴淋或循環(huán)水、表冷器來穩(wěn)定露點(diǎn)溫度,采用了對(duì)第一電加熱器或表冷器的冷凍水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)行分程控制的方案.

圖4 加熱器和表冷器冷凍水調(diào)節(jié)閥的分程控制圖

圖5 露點(diǎn)溫度(分程控制)控制線路

從圖4知,儀表調(diào)節(jié)器的輸出分成兩段,輸出4～12 mA時(shí),表冷器工作,而加熱器不工作(夏天).輸出12～20 mA時(shí),表冷器不工作,而加熱器工作(冬天).使用了分程控制,系統(tǒng)就可以按照氣候的變化,自動(dòng)地切換使用表冷器或加熱器,并對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制,保障一年四季中露點(diǎn)溫度的穩(wěn)定.圖5是露點(diǎn)溫度(分程控制)的控制線路圖.

2.2 風(fēng)溫度控制系統(tǒng)

在露點(diǎn)溫度穩(wěn)定控制在L點(diǎn)的情況下,略控制一下第二加熱器,出風(fēng)溫度就很容易被控制在工藝值N點(diǎn)上,(該加熱過程為等濕加熱)見圖6.圖7是出風(fēng)溫度控制線路圖.可以看出,由于空氣先經(jīng)過露點(diǎn)溫度控制作為粗調(diào),出風(fēng)溫度實(shí)際上是精調(diào),所以該空調(diào)器的空調(diào)質(zhì)量高,且很穩(wěn)定.

2.3 出風(fēng)壓力控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用控制儀表—變頻器的組合,使得出風(fēng)壓力調(diào)節(jié)靈敏,風(fēng)壓穩(wěn)定.采用變頻控制風(fēng)機(jī)具有較好的節(jié)能效果,風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速、節(jié)能原理:當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從n1變?yōu)閚2時(shí),風(fēng)量Q、風(fēng)壓 H 、風(fēng)機(jī)的功率 P大致的變化關(guān)系為:

由上式可知,風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比.風(fēng)機(jī)壓力H與轉(zhuǎn)速n的二次方成正比.風(fēng)機(jī)軸功率P與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比.這樣完全可以通過調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,來達(dá)到實(shí)際需要的風(fēng)量、風(fēng)壓.由于風(fēng)機(jī)軸功率P與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比,轉(zhuǎn)速的小變化可引起功率的變化很大,與傳統(tǒng)的節(jié)流降壓方式相比(即調(diào)節(jié)擋風(fēng)板開度來控制風(fēng)量、風(fēng)壓大小),其節(jié)能效果非常的明顯,且控制系統(tǒng)靈敏、精度高、故障少.圖8為出風(fēng)壓力控制系統(tǒng)方案.如要改為出風(fēng)流量控制系統(tǒng),將壓力傳感器換成流量傳感變送器即可.

圖8 出風(fēng)壓力控制系統(tǒng)

2.4 濕度控制系統(tǒng)(必要時(shí)增加的系統(tǒng))

空氣經(jīng)第二加熱后,溫度升高,相對(duì)濕度會(huì)下降.如濕度不滿足工藝要求時(shí),可以采用濕度控制.加濕方式有多種.為了使加濕時(shí)溫度不受影響,應(yīng)采用等溫加濕方式,即采用低壓蒸汽來加濕.因?yàn)樵撗b置是教學(xué)用,學(xué)校取得低壓蒸汽不方便,在這里省去濕度控制系統(tǒng),只安裝濕度檢測(cè)顯示儀表.

2.5 其它儀表

該系統(tǒng)還設(shè)有出風(fēng)流量指示QI、出風(fēng)濕度指示MI、過濾器壓差指示△P、冷凍水溫度指示 TI、冷凍水壓力指示PI、噴淋水壓力指示PI、熱水箱水位控制LIC等,用于檢測(cè)和控制空調(diào)器的運(yùn)行狀態(tài).

[1]鄔振耀,徐德勝,孫兆禮,朱寅生.制冷與空調(diào)-原理.構(gòu)造.調(diào)試.維修[M].上海交通大學(xué)出版社,1991.

[2]化工生產(chǎn)自動(dòng)化編寫組.化工生產(chǎn)自動(dòng)化[M].石油化學(xué)工業(yè)出版社,1978.