露點(diǎn)和濕球溫度計(jì)算在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用方法研究

摘要：干燥空氣和冷卻塔在使用過程中需要依賴實(shí)時(shí)的露點(diǎn)溫度和濕球溫度，以達(dá)到最佳的能耗使用率，然而小型氣象站并不具備上述兩種溫度的測(cè)量功能。鑒于此，提出一種應(yīng)用方法，以小型氣象站為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)源，以PLC為獨(dú)立計(jì)算媒介，以純計(jì)算的方式獲得露點(diǎn)溫度和濕球溫度數(shù)據(jù)，通過多次仿真后得到可靠的計(jì)算方法，最后再將計(jì)算好的數(shù)據(jù)通信至DCS。該應(yīng)用方法成本低廉，數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確，還能避免對(duì)DCS運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞：濕球溫度;露點(diǎn)溫度;PLC;Modbus;DCS

中圖分類號(hào)：P413? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）05-0083-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.023

引言

目前所能買到的小型氣象站都不具備露點(diǎn)溫度和濕球溫度的測(cè)量功能，濕球溫度目前只能通過計(jì)算得到;露點(diǎn)溫度可以通過露點(diǎn)儀測(cè)得，但是常用的露點(diǎn)儀測(cè)量誤差依然在±2 ℃，而且成本極高，往往一套露點(diǎn)儀的成本可以用來購(gòu)買5套以上的小型氣象站。

出于成本考量，計(jì)劃用計(jì)算的方式來直接獲取露點(diǎn)溫度和濕球溫度，通過大量方法對(duì)比，摸索出精度結(jié)果較高的計(jì)算方法。

因?yàn)橛?jì)算露點(diǎn)溫度和濕球溫度的最終目的是使DCS系統(tǒng)能聯(lián)控相應(yīng)設(shè)備達(dá)到最佳能耗使用率，計(jì)算過程不能影響DCS系統(tǒng)的正常運(yùn)行，所以最后決定用獨(dú)立的PLC完成計(jì)算，以通信的方式把結(jié)果發(fā)送給DCS。

1? ? 計(jì)算方法及精度對(duì)比

1.1? ? 露點(diǎn)溫度計(jì)算方法

經(jīng)過仿真比選后，最終推薦使用以下公式[1]計(jì)算露點(diǎn)溫度：

式中：RH為相對(duì)濕度（0～1）;T為干球溫度（℃）;Td為露點(diǎn)溫度（℃）。

變量相對(duì)濕度RH和干球溫度T可通過氣象站直接獲取，可以一步到位地計(jì)算出露點(diǎn)溫度。

1.2? ? 濕球溫度計(jì)算方法

已知同一點(diǎn)的焓值是相同的，因此可以以焓值為突破口計(jì)算濕球溫度。

焓值計(jì)算公式如下：

式中：ew為飽和水汽壓（Pa）;i為干空氣焓值（kJ/kg）;d為含濕量（g/kg）。

將公式（4）代入公式（3）可得：

i=1.01T+0.001×（2 501+1.84T）×622×RH×

ew/（101 325-RH×ew）

由公式（5）可以看出，只需要得到飽和水汽壓的數(shù)據(jù)即可計(jì)算出焓值。

飽和水汽壓的計(jì)算，國(guó)家氣象局目前推薦使用馬格努斯（Magnus）算法，在利用Goff-Grattch公式[2]修正后：

濕球溫度可以理解為焓值不變而相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)的溫度，因此可以將公式（5）和公式（6）修正為：

式中：Tw為濕球溫度（℃）;I為濕空氣焓值（kJ/kg）。

因?yàn)殪手挡蛔儯钥梢园压剑?）計(jì)算得到的干空氣焓值套入到公式（7）中推算出濕球溫度。

但是這類直接計(jì)算的方法對(duì)于計(jì)算機(jī)而言，實(shí)現(xiàn)難度偏大。

考慮到一般情況下濕球溫度與干球溫度相差幅度相對(duì)較小，因此可以把干球溫度作為基準(zhǔn)值代入公式（8）和公式（7）得到第一個(gè)濕空氣焓值I，然后與計(jì)算好的干空氣焓值i進(jìn)行比較。如果I<0.99i，則濕球溫度增加0.01 ℃后再計(jì)算;如果I>1.01i，則濕球溫度減小0.01 ℃后再計(jì)算;直到濕空氣焓值I與干空氣焓值i的誤差小于0.5%。

1.3? ? 精度對(duì)比

將上述思路用Python編程在計(jì)算機(jī)中預(yù)演，濕度從10%到95%按5%遞進(jìn)，溫度從-20 ℃到50 ℃按5 ℃遞進(jìn)，計(jì)劃得到270組計(jì)算數(shù)據(jù)。

濕球溫度計(jì)算時(shí)可能存在臨界情況，導(dǎo)致計(jì)算陷入死循環(huán)，為避免該現(xiàn)象，考慮到該溫度范圍下溫度最多累加7 000次，輔助字節(jié)統(tǒng)計(jì)循環(huán)次數(shù)，當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過7 000次時(shí)退出循環(huán)。

將該270組計(jì)算數(shù)據(jù)與焓濕圖在線計(jì)算器數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后，得到如表1所示結(jié)果。

濕球溫度偏差全部小于0.5 ℃。

所有偏差大于2 ℃的露點(diǎn)溫度都在干球溫度小于10 ℃且相對(duì)濕度小于15%時(shí)出現(xiàn)，最大偏差為2.83 ℃，但是所有結(jié)果仍然滿足一般的電介法露點(diǎn)儀和電傳感器式露點(diǎn)儀誤差在±3 ℃的精度要求。

2? ? 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

因?yàn)楣舅褂玫男⌒蚉LC均為S7-1200型產(chǎn)品，為維護(hù)方便，計(jì)算媒介選擇為S7-1212C型PLC，在博途V16環(huán)境下進(jìn)行編程。

DCS運(yùn)行環(huán)境為ABB的AC800M。

2.1? ? 定義PLC內(nèi)部存儲(chǔ)

定義一個(gè)int變量用作故障代碼存儲(chǔ)。

創(chuàng)立一個(gè)用以遠(yuǎn)傳的DB數(shù)據(jù)塊，用于存放以下數(shù)據(jù)：

（1）來自氣象站的有效數(shù)據(jù)，例如噪聲、風(fēng)速、干球溫度、相對(duì)濕度等;

（2）本次程序執(zhí)行得到的露點(diǎn)溫度和濕球溫度;

（3）故障代碼;

（4）一定數(shù)量的空的變量。

將（1）～（3）的數(shù)據(jù)按照變量類型整理，方便DCS解碼;第（4）類數(shù)據(jù)變量放在最后，防止通信異常。

2.2? ? 建立PLC與氣象站的通信

西門子S7-1200系列PLC提供通信板CB1241和通信模塊CM1241兩種Modbus485通信硬件。從以往應(yīng)用結(jié)果來看，如果從站設(shè)備與PLC距離較遠(yuǎn)，通信板的信號(hào)中斷概率會(huì)高于通信模塊，因此在通信距離較長(zhǎng)時(shí)，硬件選擇上優(yōu)先考慮使用通信模塊。如果通信出錯(cuò)，作為最高優(yōu)先級(jí)將故障代碼置為1。

如表2所示，波特率設(shè)置主要和傳輸距離有關(guān)，以下給出在綜合環(huán)境下穩(wěn)定的經(jīng)驗(yàn)選擇方法。

如果傳輸長(zhǎng)度超過推薦長(zhǎng)度，實(shí)際應(yīng)用時(shí)斷線概率會(huì)增加，建議增加485放大器。如果總線要穿過動(dòng)力橋架，建議在總線始端增加485光電隔離。

本次應(yīng)用實(shí)際放線長(zhǎng)度達(dá)到了160 m，因此硬件配置如下：波特率4 800（Bd/s）、無校驗(yàn)位、8位數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位。Modbus485是RTU通信的一種，1幀數(shù)據(jù)在上述配置中包含1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位，共占用10 bit。

氣象數(shù)據(jù)在利用Modbus485通信時(shí)會(huì)把數(shù)據(jù)放大一定倍數(shù)后，以int變量的格式存放到保持寄存器，單個(gè)保持寄存器需要占用2幀數(shù)據(jù)。本次應(yīng)用的氣象站可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噪聲、風(fēng)速、干球溫度和相對(duì)濕度這四組數(shù)據(jù)，但并沒有連續(xù)放入保持寄存器中，而是跨越了10個(gè)保持寄存器，其中有6個(gè)存放了空數(shù)據(jù)，總共占用20幀數(shù)據(jù)。

通信報(bào)文請(qǐng)求時(shí)會(huì)按照“設(shè)備地址+功能碼+起始寄存器地址+寄存器數(shù)量+校驗(yàn)碼”的格式發(fā)送，占用8幀數(shù)據(jù)80 bit;報(bào)文回復(fù)按照“設(shè)備地址+功能碼+字節(jié)數(shù)+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)碼”的格式返回，占用25幀數(shù)據(jù)250 bit。結(jié)合波特率換算[3]，單次通信耗時(shí)68.75 ms。

2.3? ? 編制運(yùn)算程序

建立一個(gè)專用FC塊，將Python上的編程思路寫入，功能塊在Modbus485通信完成后執(zhí)行。

在博途中不具備冪次方運(yùn)算功能，因此還需要把公式（6）調(diào)整為：

因?yàn)閼?yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，所以編程還要結(jié)合以下要求：參考當(dāng)?shù)貧v史天氣情況，限定濕度與溫度范圍。本次應(yīng)用點(diǎn)在杭州，結(jié)合歷史天氣后把濕度設(shè)置在2%～100%，溫度設(shè)置在-20～45 ℃。為了減小PLC運(yùn)行負(fù)擔(dān)，結(jié)合溫度范圍把FC塊內(nèi)的初始運(yùn)算值從干球溫度調(diào)整為12.5 ℃，即溫度中間值，單次循環(huán)次數(shù)限定到3 250次。當(dāng)數(shù)據(jù)不在設(shè)置范圍，則認(rèn)為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有誤，作為第二優(yōu)先級(jí)故障，濕度有誤則將故障代碼置為11，溫度有誤則將故障代碼置為12，均出錯(cuò)則將故障代碼置為13。當(dāng)出現(xiàn)溫度小于10 ℃且濕度小于15%情況時(shí)，將100寫入故障代碼，用以提醒露點(diǎn)偏差較大。

2.4? ? 建立PLC與DCS的通信

在PLC端建立ModbusTCP從站遠(yuǎn)傳DB塊數(shù)據(jù)，在FC塊執(zhí)行完成后執(zhí)行。

在DCS端建立ModbusTCP主站，考慮到運(yùn)存負(fù)擔(dān)和氣象變化速率，可以設(shè)置為每5 s讀取一次從站數(shù)據(jù)，且接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度剛好為有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

Modbus主站中通信端口配置為502，從站通信端口號(hào)為避免與其他通信協(xié)議的沖突，建議設(shè)置到2 000以上。

從站傳輸字節(jié)長(zhǎng)度必須大于有效數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度，且小于總的DB塊內(nèi)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，否則會(huì)出現(xiàn)通信失敗的情況。

目前工業(yè)應(yīng)用中，以太網(wǎng)已經(jīng)普遍采用千兆網(wǎng)線，因其實(shí)際數(shù)據(jù)量小，傳輸時(shí)間可以忽略不計(jì)。

2.5? ? PLC端看門狗設(shè)置

對(duì)于西門子S7-1200型PLC而言，看門狗時(shí)長(zhǎng)一般為150 ms，在濕球溫度計(jì)算時(shí)，因?yàn)閳?zhí)行次數(shù)較多很容易超時(shí)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)停機(jī)，所以還需加大看門狗時(shí)長(zhǎng)。

首先屏蔽掉通信程序，將看門狗時(shí)間調(diào)整到最大值避免仿真錯(cuò)誤，下裝配置和程序到PLCSIM上仿真運(yùn)行，手動(dòng)賦予溫度與濕度值，直到其出現(xiàn)循環(huán)次數(shù)達(dá)到3 251的情況。觀察此時(shí)程序的運(yùn)行時(shí)間A。PLC看門狗時(shí)間推薦按以下要求配置：

（1）看門狗時(shí)間>運(yùn)行時(shí)間A+Modbus485通信時(shí)長(zhǎng);

（2）看門狗時(shí)間<運(yùn)行時(shí)間A+Modbus485通信時(shí)長(zhǎng)+100 ms;

（3）最好為100 ms的整數(shù)倍。

確定好看門狗時(shí)間后，將硬件配置下裝程序到PLC中。

2.6? ? DCS端數(shù)據(jù)處理

在DCS端把與PLC的通信中斷和故障代碼1、11、12、13作為二級(jí)報(bào)警，把故障代碼100作為三級(jí)報(bào)警，分別配置報(bào)警聲音和報(bào)警描述，出現(xiàn)二級(jí)報(bào)警后應(yīng)立即把聯(lián)控程序維持在最后運(yùn)行狀態(tài)，避免系統(tǒng)動(dòng)蕩。同時(shí)，建立其他氣象數(shù)據(jù)的報(bào)警上下限，用于判斷現(xiàn)場(chǎng)的傳感器故障。調(diào)試時(shí)人為激發(fā)報(bào)警測(cè)試功能是否正常。

氣象站的數(shù)據(jù)按照說明直接整除即可。

露點(diǎn)溫度和濕球溫度屬于real型變量，占用了兩個(gè)保持寄存器，需要在DCS端按以下方法得到實(shí)際結(jié)果：

（1）將高字節(jié)與低字節(jié)轉(zhuǎn)換成DINT變量;

（2）將高字節(jié)結(jié)果乘以35 536后與低字節(jié)相加，把得到的結(jié)果轉(zhuǎn)成Dword變量;

（3）將Dword變量轉(zhuǎn)換成real變量。

數(shù)據(jù)處理完成后在所需位置建立氣象站畫面，對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)添加歷史曲線以供查閱。

3? ? 結(jié)語

該應(yīng)用方法實(shí)際成本不到一套露點(diǎn)儀的一半，目前應(yīng)用已超過5個(gè)月，在應(yīng)用過程中尚未發(fā)現(xiàn)任何問題。但露點(diǎn)溫度只有在較高濕度和較高溫度條件下才能保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，后續(xù)還需要尋找出低溫低濕的可靠計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行分段計(jì)算。

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收稿日期：2021-12-16

作者簡(jiǎn)介：趙金鑫（1994—），男，浙江杭州人，助理工程師，研究方向：PLC及集散控制系統(tǒng)、儀控。