摘  要： 設(shè)計了一套基于工業(yè)空調(diào)的儀表測量與過程控制實驗系統(tǒng),，該系統(tǒng)由實驗對象,、儀表測量系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng),、變頻調(diào)速控制系統(tǒng),、計算機控制系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)既可實現(xiàn)溫度,、壓力,、流量、液位等過程參數(shù)的測量與顯示,，又可實現(xiàn)冷風(fēng)溫度,、出風(fēng)溫度、出風(fēng)壓力的自動控制,。對系統(tǒng)進行適當(dāng)改造和擴展,，可實現(xiàn)水箱液位,、冷凍水流量、出風(fēng)流量的自動控制和出風(fēng)溫度的分程控制,。本實驗系統(tǒng)適應(yīng)生產(chǎn)過程自動化發(fā)展和高校教學(xué)改革需要,，滿足不同層次儀表測量與過程控制類實驗教學(xué)和科學(xué)研究需要，有利于提高教育教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量,。

　　關(guān)鍵詞： 工業(yè)空調(diào),；儀表測量；過程控制,；實驗系統(tǒng)

0 引言

　　隨著生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展,，對自動化專業(yè)人才的要求越來越高，高校作為培養(yǎng)自動化高級人才的基地,，在提高教育教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量上,，應(yīng)該不斷地進行改革創(chuàng)新，使培養(yǎng)的自動化專業(yè)人才更容易適應(yīng)企業(yè)崗位要求,，滿足社會對高級自動化人才的需求,。

　　本文設(shè)計一個基于工業(yè)空調(diào)的儀表測量與過程控制的實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)緊密結(jié)合工程實際,，對溫度,、壓力等過程變量能實時控制，并可以結(jié)合智能控制理論與計算機控制技術(shù),，對被控量實現(xiàn)智能控制,。該系統(tǒng)能滿足高校自動化類專業(yè)的儀表測量與過程控制類實驗教學(xué)和科學(xué)研究需要。

1 實驗系統(tǒng)的設(shè)計

　　實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示,，由實驗對象,、儀表測量系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng),、變頻調(diào)速控制系統(tǒng),、計算機控制系統(tǒng)組成，實驗對象及控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示,。

　　實驗對象為工業(yè)空調(diào),，由多節(jié)方形風(fēng)箱、進風(fēng)機,、進風(fēng)管路,、冷卻器、電加熱器,、出風(fēng)管路等組成,，還有相應(yīng)的輔助設(shè)備，如：冷凍（卻）水箱、水泵,、冷凍水調(diào)節(jié)閥,、水管路等。工業(yè)空調(diào)應(yīng)用廣泛,，為學(xué)生所熟悉,，其工作原理為：外界新風(fēng)從進風(fēng)口通過風(fēng)機進入空調(diào)本體，先經(jīng)冷卻器冷卻,，使風(fēng)的溫度保持一定,，然后經(jīng)過電加熱器的加熱，使得出風(fēng)的壓力,、溫度和濕度達到工藝要求,。

　　儀表測量系統(tǒng)主要是檢測空調(diào)的運行狀態(tài)，測量儀表安裝位置分現(xiàn)場安裝與控制柜安裝,。測量系統(tǒng)現(xiàn)場安裝儀表的作用與選擇為：PI1用于測量送往冷卻器的冷凍水壓力大小,，儀表采用量程為0~0.6 Mpa的普通彈簧管壓力表；PI2和PI3分別測量空調(diào)的進風(fēng)壓力,、出風(fēng)壓力的大小,，儀表采用量程為0~0.6 Mpa的膜盒壓力表；TI1用于測量送往冷卻器的冷凍水溫度,，儀表采用量程為0~50 ℃的雙金屬溫度計,；QI用于測量送往冷卻器的冷凍水量，儀表采用普通水表,，可對冷凍水量進行累計,；LIA用于水箱液位檢測與報警,，儀表采用液位控制器,。控制柜安裝的儀表作用與選擇為：MI1和TI2是一整套溫濕度傳感及測量儀表,，用于測量空調(diào)器的出風(fēng)溫度和出風(fēng)相對濕度,，其中MI1用于相對濕度的測量，量程為0~100%,，TI2用于溫度的測量,，量程為0~150℃；QIJ用于測量送往冷卻器的冷凍水量,，采用渦輪流量傳感器+渦輪流量變送器+智能流量計算控制儀的組合儀表,，既能對冷凍水量的瞬時值進行顯示，也可對冷凍水量進行累計,。

　　儀表控制系統(tǒng)采用智能調(diào)節(jié)器控制,，包括冷風(fēng)溫度控制系統(tǒng)TIC1、出風(fēng)溫度控制系統(tǒng)TIC2,，各系統(tǒng)簡述如下：

　　冷風(fēng)溫度控制系統(tǒng)TIC1原理圖如圖3所示,，由溫度傳感器（Pt100熱電阻）檢測空調(diào)的冷風(fēng)溫度變化并輸出測量信號y（t）送至溫度調(diào)節(jié)器,，在溫度調(diào)節(jié)器內(nèi)測量信號y（t）與設(shè)定值x（t）比較后產(chǎn)生偏差信號e（t），然后經(jīng)PID運算后輸出4~20 mA信號送給執(zhí)行器（電動調(diào)節(jié)閥）,，改變電動調(diào)節(jié)閥的開度使調(diào)節(jié)介質(zhì)（冷凍水量）發(fā)生變化,。調(diào)節(jié)介質(zhì)（冷凍水量）變化使冷卻器的散熱能力發(fā)生變化，冷風(fēng)溫度隨之發(fā)生變化,，最終使空調(diào)器的冷風(fēng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值內(nèi),。

　　出風(fēng)溫度控制系統(tǒng)TIC2的原理圖如圖4所示，由溫度傳感器（K分度熱電偶）檢測空調(diào)器的出風(fēng)溫度變化并輸出測量信號y（t）送至溫度調(diào)節(jié)器,，在溫度調(diào)節(jié)器內(nèi)測量信號y（t）與設(shè)定值x（t）比較后產(chǎn)生偏差信號  e（t）,，然后經(jīng)PID運算后輸出0~10 mA信號送給執(zhí)行器（可控硅調(diào)壓器）改變輸出電壓的高低，可控硅調(diào)壓器輸出電壓的高低使電加熱器的熱量發(fā)生變化,，使出風(fēng)溫度也發(fā)生變化,，最終使空調(diào)的出風(fēng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值內(nèi)。

　　變頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示,。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)用于控制出風(fēng)壓力,，由壓力傳感器+變送器組合檢測空調(diào)的出風(fēng)壓力變化并輸出測量值為4~20 mA的信號y（t）送至壓力調(diào)節(jié)器，在壓力調(diào)節(jié)器內(nèi)測量值信號y（t）與設(shè)定值x（t）比較后產(chǎn)生偏差信號e（t）,，然后經(jīng)PID運算后輸出4~20 mA信號送給執(zhí)行器（變頻器+風(fēng)機組合）,，改變變頻器輸出頻率使風(fēng)機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，最終使空調(diào)的出風(fēng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值內(nèi),。

2 實驗系統(tǒng)的特點

　　本實驗系統(tǒng)具有開放性,、綜合性、先進性的特點,。

　?。?）開放性：本實驗系統(tǒng)可由學(xué)生進行儀表系統(tǒng)的設(shè)計、安裝,、校驗,、調(diào)試、運行,、監(jiān)控,、維護、改造等,，在此過程中,，學(xué)生可進行開放性的學(xué)習(xí)，同時,，能將新的技術(shù)融入系統(tǒng)中,。

　　（2）綜合性：本系統(tǒng)融入了自動控制技術(shù)、電子技術(shù),、計算機技術(shù),、通信技術(shù)，可進行過程測量與儀表類課程,、變頻器技術(shù),、智能控制、組態(tài)軟件應(yīng)用技術(shù)等課程的教學(xué),，不僅能完成不同層次或不同類別的實驗,，還能進行設(shè)計性、綜合性,、創(chuàng)新性的實驗,。

　　（3）先進性：本系統(tǒng)運用了變頻調(diào)速控制技術(shù),、智能儀器控制技術(shù),、計算機控制技術(shù)，這些技術(shù)是現(xiàn)代生產(chǎn)過程中較先進的技術(shù),。

3 實驗系統(tǒng)的功能

　　3.1 常用過程參數(shù)的測量

　　本實驗系統(tǒng)可測量的過程參數(shù)有：溫度（TI1,、TI2、TIC1,、TIC2）,、壓力（PI1、PI2,、PIC）,、流量（QI、QIJ）,、液位（LIA）,、濕度（MI1）。

　　3.2 壓力控制

　　出風(fēng)壓力可由壓力調(diào)節(jié)器與變頻器控制,，也可由計算機進行遠程控制,。通過該系統(tǒng),，可以學(xué)習(xí)變頻器的結(jié)構(gòu),、工作原理、操作,、應(yīng)用等知識,，特別是變頻調(diào)速節(jié)能方面的知識，同時還可學(xué)習(xí)計算機控制技術(shù)方面的知識,。

　　3.3 溫度控制

　　在檢測與過程控制系統(tǒng)中,，溫度的測量與控制所占的比例很大，應(yīng)用最廣[1]。本實驗系統(tǒng)實現(xiàn)冷風(fēng)溫度控制TIC1和出風(fēng)溫度控制TIC2,。

　　3.4 儀表的校驗

　　本實驗系統(tǒng)進行的儀表校驗主要有：彈簧管壓力表的校驗,、數(shù)字顯示儀表的校驗（校驗熱電偶和熱電阻）、壓力或差壓變送器的校驗等,。通過本實驗系統(tǒng),，可以學(xué)習(xí)校驗的方法、數(shù)據(jù)記錄,、處理及檢定結(jié)果等,。

　　3.5 學(xué)習(xí)PID參數(shù)整定

　　調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法很多，本實驗系統(tǒng)可選用簡單,、易操作的經(jīng)驗法（用于模擬PID控制）或智能儀表PID整定[2],。在本實驗系統(tǒng)中，通過改變出風(fēng)壓力,、出風(fēng)溫度,、冷風(fēng)溫度來控制系統(tǒng)的PID設(shè)定值，觀察設(shè)備以及儀表的變化情況,，學(xué)習(xí)PID參數(shù)的整定,。

　　3.6 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計

　　本實驗系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件設(shè)計上位機監(jiān)控系統(tǒng)，用于出風(fēng)壓力,、出風(fēng)溫度,、冷風(fēng)溫度的監(jiān)控。組態(tài)王軟件具有良好的開放性,，支持與國內(nèi)外常見的PLC,、智能模塊、智能儀表,、變頻器,、板卡等進行數(shù)據(jù)通信[3]。通過計算機控制系統(tǒng),，學(xué)習(xí)計算機控制系統(tǒng)設(shè)計的方法,。

　　3.7 其他功能

　　本實驗系統(tǒng)除上述功能外，還具有其他的功能,，如：水箱液位控制,、出風(fēng)流量的控制、冷凍水流量控制,、分程控制等,。

4 系統(tǒng)的創(chuàng)新

　　（1）本實驗系統(tǒng)被控介質(zhì)有氣體和液體,，主體被控介質(zhì)是氣體,，安全性高,，而現(xiàn)在高校用的過程控制實驗系統(tǒng)被控介質(zhì)大多是水，本系統(tǒng)被控介質(zhì)多樣化,。

　?。?）本實驗系統(tǒng)具有可拆裝性、改造性,、擴展性,、開放性強，能更好地融入過程控制發(fā)展新技術(shù),，更益于鍛煉學(xué)生動手實踐能力,、設(shè)計能力、創(chuàng)新能力,、現(xiàn)場解決實際問題的能力,。

　　（3）本實驗系統(tǒng)以工業(yè)空調(diào)為載體,，因為工業(yè)空調(diào)應(yīng)用廣泛,，為學(xué)生所熟悉，這樣,，更容易激起學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情與興趣,。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計了一套基于工業(yè)空調(diào)的儀表測量與過程控制實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)緊密結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)過程,，實踐性,、技術(shù)性和實用性強，具有廣泛的應(yīng)用價值,，主要適用于高校進行實驗教學(xué)和科學(xué)研究,，有利于提高教育教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量，提高學(xué)生專業(yè)技能,，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力,、方法能力、可持續(xù)發(fā)展能力,、創(chuàng)新能力和解決現(xiàn)場實際問題的能力,。本系統(tǒng)具有開放性、綜合性,、先進性等特點,，使培養(yǎng)的自動化專業(yè)人才更容易適應(yīng)企業(yè)崗位要求。隨著生產(chǎn)自動化的發(fā)展,，本實驗系統(tǒng)還需要不斷地改進和完善,。

參考文獻

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