工業(yè)管線現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能評(píng)價(jià)管道模型裝置設(shè)計(jì)

王玲

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300131）

工業(yè)管線現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能評(píng)價(jià)管道模型裝置設(shè)計(jì)

王玲

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300131）

在石化工業(yè)存在著大量的工業(yè)管線，管線中流動(dòng)的介質(zhì)溫度較高，研究管線的保溫效果和對(duì)保溫效果的評(píng)價(jià)是石化工業(yè)中節(jié)約能源的重要實(shí)際問(wèn)題。開(kāi)展有關(guān)工業(yè)管線保溫節(jié)能效果評(píng)價(jià)裝置的設(shè)計(jì)。主要研究的內(nèi)容是設(shè)計(jì)一套工業(yè)管線現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能評(píng)價(jià)測(cè)試裝置，即通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)RS-485總線與單片機(jī)組成的主從分布式溫度測(cè)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)管線現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能效果的評(píng)價(jià)測(cè)試。

單片機(jī)；溫度控制；數(shù)據(jù)采集；傳感器

0 序言

在開(kāi)展研究的過(guò)程中要針對(duì)實(shí)際工況中的現(xiàn)場(chǎng)情況在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以便于后續(xù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，這些數(shù)據(jù)決定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建模的最終可行性，所以實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、安裝、測(cè)試以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集都是非常重要的。針對(duì)這一情況，研制可靠且實(shí)用的溫度控制系統(tǒng)顯得非常重要。溫度控制系統(tǒng)是正確完成實(shí)驗(yàn)取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要保障，它采用傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，具有各種安全保護(hù)，運(yùn)行監(jiān)控和管理等功能[1]。

所使用的數(shù)據(jù)采集裝置依托傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)I/O接口板、溫度傳感器等現(xiàn)代電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并以各種通訊協(xié)議方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，是進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控的一種智能、高效系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)充分發(fā)揮了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、圖形處理、顯示以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理上的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般需要長(zhǎng)時(shí)間、高速度地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要組織、存儲(chǔ)、處理數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控[2]。

1 模擬裝置具體設(shè)計(jì)要求

管道模型主要由加熱裝置和溫度檢測(cè)系統(tǒng)兩部分組成。管道模型的設(shè)計(jì)主要由系統(tǒng)功能要求決定，基本設(shè)定如下。

（1）溫度設(shè)定：溫度可根據(jù)需要在150℃～400℃范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)定。

（2）溫度顯示：顯示設(shè)定溫度、測(cè)溫點(diǎn)實(shí)際溫度；

（3）控溫范圍：100℃～450℃。

（4）溫度控制精度：溫度穩(wěn)態(tài)控制誤差≤±2%FS。

（5）溫度測(cè)定：在每根被加熱管外壁適當(dāng)位置分別布置2個(gè)熱電偶，要求測(cè)量準(zhǔn)確；對(duì)檢測(cè)2點(diǎn)溫度進(jìn)行平均作為管壁溫度加以控制。

（6）裝置對(duì)3個(gè)加熱裝置獨(dú)立（不同時(shí)工作）進(jìn)行檢測(cè)與控制。3個(gè)獨(dú)立加熱裝置不同時(shí)工作，根據(jù)指令加以切換，不允許在加熱過(guò)程中進(jìn)行切換，必須停止加熱后再進(jìn)行切換。

根據(jù)保溫測(cè)試的需要，配置可進(jìn)行拆裝的適合不同溫度范圍的保溫套。

2 數(shù)據(jù)采集裝置與儀器工具

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采用三個(gè)直徑不同的圓柱形鐵質(zhì)容器模擬真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的輸送物料的管道，管道內(nèi)部用電加熱管模擬實(shí)際輸送的具有一定溫度的介質(zhì)。用智能溫度控制儀器控制管道內(nèi)的加熱管，使其達(dá)到需要模擬的介質(zhì)溫度。用熱流計(jì)檢測(cè)管道的表面溫度和熱流值，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)采集下來(lái)作為原始數(shù)據(jù)用來(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。用溫度計(jì)和風(fēng)速計(jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的室內(nèi)溫度和實(shí)時(shí)風(fēng)速。用電扇模擬不同的風(fēng)速?，F(xiàn)場(chǎng)架設(shè)上述加熱管道模型后，利用熱流計(jì)、風(fēng)速計(jì)和溫度計(jì)采集管道表面熱流、管道表面溫度和現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速，用以后續(xù)運(yùn)算。

2.1 管道模擬加熱裝置設(shè)計(jì)方案

（1）加熱鋼管的選型

根據(jù)試驗(yàn)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(zhì)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(nèi)，加熱器單端固定與出線，在裝置沒(méi)有固定加熱元件的端面上設(shè)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(shù)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(shè)計(jì)上限溫度為500℃，根據(jù)吸熱放熱公式

其中：Q為熱能；m為質(zhì)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)保溫測(cè)試裝置的鋼管外，安裝可進(jìn)行拆裝的保溫套。?219×2 000鋼管設(shè)置3個(gè)保溫套，其余兩只鋼管分別設(shè)置2個(gè)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(yīng)足夠長(zhǎng)（以不影響支架為限）。

保溫套外表為0.5 mm厚薄板。每個(gè)保溫套均為可拆裝式，由2個(gè)半圓形套組成，一側(cè)通過(guò)鉸鏈（螺栓）加以連接，另一側(cè)通過(guò)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(nèi)安置1 900 mm長(zhǎng)，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(jù)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(nèi)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(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將溫度轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后就可以直接送入單片機(jī)控制系統(tǒng)中，用于實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)測(cè)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(méi)安裝加熱器的一側(cè)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(kāi)啟的接線盒，并內(nèi)置隔熱材料，保證接線盒內(nèi)溫度不過(guò)高。在鋼管的溫度傳感器引出一端，設(shè)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(tǒng)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(jiān)測(cè)顯示控制柜設(shè)計(jì)

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

根據(jù)控制要求，溫度監(jiān)控屏面板如圖1所示。

面板中實(shí)時(shí)顯示指定裝置的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度平均值以及裝置溫度設(shè)定值。通過(guò)溫度設(shè)置按鈕可以在控制范圍內(nèi)任意設(shè)定裝置的溫度控制值。通過(guò)切換按鈕可以任意切換指定的測(cè)試裝置并加以顯示。

溫度控制方式采用PID控制器對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即使當(dāng)不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或是不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，也適合采用PID控制技術(shù)。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。因此本系統(tǒng)采用PID控制器對(duì)監(jiān)測(cè)溫度實(shí)行控制較為方便經(jīng)濟(jì)。

圖1 控制面板示意圖

整個(gè)系統(tǒng)由溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)等組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（即下位機(jī)）。溫度傳感器檢測(cè)溫度后，輸出信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào)，在經(jīng)過(guò)250 Ω電阻后轉(zhuǎn)變成1～5 V電壓信號(hào)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號(hào)，傳給單片機(jī)，再由RS-485總線傳給上位機(jī)，有上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及進(jìn)行相應(yīng)的顯示。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖

溫度傳感器采集到溫度后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832將連續(xù)的模擬量溫度轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)電流，再經(jīng)變送器將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于單片機(jī)AT89S51計(jì)算處理的標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)0～5 V電

圖3 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路

壓。電信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)AT89S51對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理后再經(jīng)RS-485電平轉(zhuǎn)換電路傳送到主站溫度監(jiān)控系統(tǒng)，從而進(jìn)一步實(shí)施對(duì)溫度的有效監(jiān)控。電路如圖3所示。

3 總結(jié)

本文根據(jù)給出的技術(shù)要求進(jìn)行了系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了工業(yè)管線實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置的結(jié)構(gòu)，根據(jù)熱學(xué)原理進(jìn)行了加熱體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了RS-485總線主從式通信、相關(guān)的顯示等外圍電路以及控制器等的軟硬件設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的保溫評(píng)價(jià)裝置已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際實(shí)驗(yàn)，表明該裝置具有較好的實(shí)用性，基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

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圖7 PLC對(duì)控制器的輸入信號(hào)程序

圖8 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)位反饋給PLC后做標(biāo)記程序

上述兩個(gè)程序都是PLC與機(jī)器人控制器之間信號(hào)傳遞的實(shí)現(xiàn)部分，是整體程序?qū)崿F(xiàn)的核心。

4 結(jié)語(yǔ)

使用可編程控制器與兩個(gè)單軸機(jī)器人組成分揀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了藥瓶的自動(dòng)分揀，不僅減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且提高了工作效率、同時(shí)具有準(zhǔn)確的定位精度、較好的適應(yīng)能力等性能，由于該系統(tǒng)可靠性高，維修方便，具有廣泛的應(yīng)用前景；此控制系統(tǒng)是PLC、觸摸屏與伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)合控制工業(yè)機(jī)器人的典型范例，具有很強(qiáng)的代表性，其類(lèi)似的綜合應(yīng)用在自動(dòng)化領(lǐng)域隨處可見(jiàn)，因此做了上述的研究。

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作者簡(jiǎn)介：劉謙波，男，1978年生，湖北監(jiān)利人，碩士研究生，講師。研究領(lǐng)域：機(jī)械電子工程及機(jī)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(lǐng)域：自動(dòng)化技術(shù)。 (編輯：向 飛)

2014－02－02