基于PLC的液冷系统自动控制

基于的液冷系统自动控制高涛,等基于的液冷系统自动控制一高满吴护‘林周志枷上海理工大学建筑环境与设备工程系,上海幻摘要液冷系统是向飞机设备舱或座舱提供符合要求的冷液或热液的地面保障设备,其制冷方式为蒸汽压缩式制冷,制热方式为电加热。为适应液冷系统对自动监控系统的需求,设计了以可编程控制器为核心的微电脑控制系统,合理地控制液冷系统各制冷机组与电加热器的启停,同时能够实现故障报警,并能够对液冷系统的供液流量、温度、压力等参数高精度的检测调节。实验数据表明,该控制系统在液冷系统的实际控制中具有良好的控制品质。关键词液冷系统自动控制换热中图分类号二巴文献标识码一脚甲职卿,一哪石叮忧邵仆罗血!∀∀阳,,此以!!∀#∃∀%∀#&#∋()%∋∗+#,∀!+!−%&.∋∋/0+∃#&1!23∗(苗d一cooledehmerAutomatieeontrolHeatexehange0引言.液冷系统主要用于机场及其他工业场所发热设备的液体冷却系统进行通液冷却、加热和过滤等,以满足飞机电子设备及其他工业领域发热设备的换热需求川。根据液冷系统的设计及技术指标要求,应对液冷系统自动控制,实现对冷却液温度、流量和压力的自动监测和调控。本文介绍了基于三菱公司生产的FXZN系列PLC设计的液冷系统的自动控制。1液冷系统供液原理介绍液冷系统供液流程如图1所示,冷却液(65”乙二醇冷却液)通过回液软管从被冷却设备流回供液系统,经过一液体粗效过滤器后进人三台并联的制冷系:::只只}}}}}}};;;图l液冷系统供液流程图Fig.1TheflowehartOftheliquidprovidingsystem统板式换热器,从板式换热器出来后汇集进人一管道并能为系统补充供应液。从液体离心泵出来的管路分式电加热器,出来后进人离心泵。管路在进人粗效过别经过一单向阀和液体高效过滤器后分两路,一路进滤器前旁通了一个膨胀水箱,以确保供液系统的压力人供液软管,用以与换热设备对接供液;另一路通过一《自动化仪表》第27卷第9期2006年9月57基于PLC的液冷系统自动控制高涛.等电动阀旁通到供液系统的回液段,以实现对供液流量的调节控制。系统中在相应位置布置流量计、温度和压力传感器,以实现系统对供应液的温度和流量检测、控制。冷却液的流量调节控制主要通过流量计测量的数值与设定值比较进行计算,调节旁通电动阀的开度,使出口供液流量达到设定流量。2液冷系统控制的基本原理供液系统主要调节控制的物理参数分别为冷却液的温度和流量。冷却液的温度调控主要通过开启制冷机组来制冷降温,或开启电加热器来制热升温,使其达到设定温度。控制系统自动累计各压缩冷凝机组运行时间,并根据其时间长短来判断优先开启机组。制冷、制热调控过程如下所示。制冷过程:1,2,3分别表示三套压缩冷凝机组。运行时控制系统先根据设定温度与回液温度差值比较,确定开启几台机组,再以下面的过程变换调节,n为30一1205。如图2所示。3PLC控制系统3.1PLC基本单元和模块的选用控制系统采用三菱FXZN系列单元与模块,来实现液冷系统各参数的检测、控制、显示和报警,扩展模块可通过主单元的扩展接槽直接与其连接。控制系统组成框图如图4所示。l攫蒸1一鬃彝1一七七段码显示器器运运行状态显示输出模块块可可编程控制器少Lc)))数数字量输入模块块块模拟量输入模块}……模拟量输出模块块块数字量输出模块块设设设设供供供流流流温温温压压压电电电设设设输输备备备备液液液量量量度度度力力力动动动备备备入入状状状状参参参计计计传传传传传传调调调状状状脉脉态态态态数数数脉脉脉感感感感感感节节节态态态澹澹设设设设设设冲冲冲器器器器器器阀阀阀阀阀一号号定定定定定定信信信信信信信信信信信信号号号号号号号号号号号号号号号号号图2制冷过程Fig2Refri罗rationproeess制热过程:60kw的电加热器共分为四组,两组10kw和两组20kw,其中一组10kw为可调,用于温度微调,其他三组按五档组合:第一档10kw;第二档20kw:第三档(10+20)kw;第四档(20+20)kw;第五档(10十20十20)kw。运行时控制系统先根据设定温度与回液温度差值比较,确定开启哪一档电加热器,再以下面的过程变换调节,n为30一1205。如图3所不。一兰髦噢沐,.止理卫轧,止哩卫轧厂j堕还竺伽,气查毒扩‘与巍了J峨不蓄鑫了’嘴巍瑟-’图3制热过程Fig.3HeatingProeess在两种模式下,10kw可调电加热器均为常开态,以作为温度微调用。箭头正方向代表的含义是假定当前开启1台压缩机,当需要供冷的发热设备负荷变大时,即1套压缩冷凝机组所供冷量不够时,n秒钟后开启第二套,冷量仍然不够时开启第三套,三套并联运行。箭头反方向的含义是假定当前开3套冷凝压缩机组并联运行,当所供冷量超过冷却发热设备所需冷量时,则关闭1台,仍然超过时再关闭1套,如此正反方向循环变换调节。电加热器正反方向运行时是以同样的方式来循环变换调节的。图4控制系统组成框图Fig4TheeomPrisingfigureOfeontrolsystem基本单元的输人点数共38点,输出点数为16点,选用40点输人、40点输出的基本单元FXZN一80MR。控制系统需要直接检测的温度参数有环境温度、进口回液温度、出口供液温度、板式换热器出口温度等4个检测温度,选用铂电阻检测,同时选用特殊模块f,XZN一4AD一R,此模块为四通道模拟量输人,可直接输入4路模拟信号,模拟量为士10V电压信号或4-20mA电流信号。控制系统直接检测的压力参数有进口回液和出口供液压力。出口压力与进口压力选用两通道模拟量输人的特殊模块FXZN一ZAD检测,模拟量为O一10V电压信号或4一20InA电流信号。液冷系统对流量的调控主要通过调节供液循环中的旁通电动阀的开度来实现。电动阀的驱动是由接收的模拟量信号进行PID计算比较得到的相应阀门开度。本系统选用两通道模拟量输出的特殊模块FxZN一ZDA用于对电动阀输出模拟量信号。模拟量为O一10v电压信号或4一20InA电流信号。控制系统对供液循环的运行监控及检测数据通过七段码显示器显示出来,该显示器克服了液晶显示器在低温条件下出现显示故障的缺陷。选用FXZN-16EYT晶体管输出扩展模块输出检测量,16点输出,可直接向七段码显示器输出信号。PROCESSAUTOMAnONINSTRUMENTAnONVol.27No.9SePtemberZ以场基于PLC的液冷系统自动控制高涛,等3.2控制系统程序设计控制系统PLC程序设计流程如图5所示。启启动循环泵泵,,,0,,状态态比比较温度度选选择开动压压压Pm调节节节选择开启启缩缩冷凝机组组组可调电加热器器器电加热器器节:根据设定流量、当前供液流量,使用PID算法调节电动调节阀开度。Á故障监测及处理:发生故障时,故障标志置位,进人“故障显示”状态。关机顺序:停机脉冲:可调加热器输出复位;加热器组及制冷机组依次复位;循环泵复位:运行标志复位,电动调节阀定位至最大开度。3.3供液温度、流量的Pm控制液冷系统中的10kw可调电加热器和旁通电动阀开度采用PID控制分别来调节供液温度和流量。供液温度、流量的控制采用PLc内置的功能指令FNC88(PID)进行PID运算、控制。图6为PID控制的运算程序格式。(二互〕(玉〕(:工〕(jDFFFNC8888D。。D---D一0000Dl,oooPPPIDDDDDDDDDDD图6PID运算示意图Fig.6ThesehematieplanofPIDealeulation图5PLC程序设计流程图Fi各5Theflowehartofthevro脚mdesign主要步骤包括:¹程序初始化:利用初始脉冲复位所有中间继电器,寄存器清零,电动调节阀定位至最大开度。º传感器信号读人:流量、温度、压力。»显示器输出:各种显示模式,包括待机、启动、运行、切换、故障、内部参数、故障累计和设定值更改等显示。¼模式选择:制冷/O/制热(在运行状态下更改“制冷/O/制热”模式无效)。½温度、流量设定:温度、流量设定旋钮,“增-减”旋钮。¾开机条件判断:制冷模式的环境温度限制,应不低于10℃。¿开机顺序:启动脉冲:启动计时器开启;循环泵开启:运行标志置位;程序分支:“制冷”模式:打开冷凝器顶盖,利用顶盖到位信号,根据负荷估算结果顺序开启制冷机组,中间分别延时55。“制热”模式:根据负荷估算结果顺序开启加热器组,中间分别延时55。开启可调加热器。À运行中调节:温度调节:根据设定温度、当前供液温度,使用PID算法调节可调加热器功率;流量调《自动化仪表》第27卷第9期2以场年9月在S,中设定目标值(S码,在52中设定测定现在值(尸V),在S。一(S,+6)中设定控制参数值,执行程序时,运算结果(MV)被存入D。该指令通过速度型、测定值微分型运算式进行PID运算。PID控制,通过53指定的“作用方向”的内容,实行正作用或反作用的运算式[,〕如下:△MF二凡{(Evn一E、一1)+EVn“士(尸哈一sV)令:、·刀。}(‘,(2)D。二不添丁(二一p坑一”心一’·~戳若汾.D一(3,MVn二叉△MV(4)式中:E长为此次采样时的偏差;EVn_:为1周期前的偏差;sV为目标值;尸Vnf为此次采样时的测定值(滤波后);尸哈一,为1周期前测定值;尸峪一。为2周期前测定值;么MV为输出变化量;M玖为此次的操作量;刀。为此次的微分项;D。一为1周期前微分项;凡为比例增益;几为采样周期;界为积分常数;几为微分常数;aD为微分增益。尸璐是根据读人的测定值由下列运算公式求出的值:尸嵘=尸玖+L(尸称:一尸均(5)式中:尸玖为此次采样时的测定值;L为采样系数。控制参数设定值在PID运算开始前通过Mov指59基于PLC的液冷系统自动控制高涛,等令预先写人。目标值、测定值、采样时间与输出值的数据寄存器确定后,其它各参数值的数据寄存器自动生成。流量相符合,PLC控制程序对供液系统的智能化响应正常符合设计要求和技术指标要求。4液冷系统性能试验液冷系统的性能试验是在常温环境条件下,检查液冷系统的供液温度、流量及供液压力等性能参数,是否符合技术指标要求。图6分别为液冷系统制冷、供热试验温度、流量曲线。一·月日·啊日棍20014016012018003之之沪~~甲、”俨砂砂一一~风又〔---------一一------一、‘,吸.钩“奋一一、、.一、声~~~叮、‘产...._____/理尸了{卜叮岁巴巴____了一_------一一了了了15:3115:4415:5716:时刻a制冷模式:1210:2410:3710:5011:时刻b供热模式2622181410比尸”侧蟾,月乒咽璐妇00806040200,二.二...”.且,.健20161284g、侧明一—出口温度一—流量图6温度、流量曲线Fig.6Thetemperatureandfloweurve该试验是在室外气温17℃下采用一装有电加热器的恒温水箱,通过进出接口与液冷系统的供液和回液软管对接,并根据试验需要开启电加热量来模拟负荷分别进行的制冷、供热试验。“制冷”模式设定供液温度为10℃,流量为190umin;“制热”模式设定供液温度为20℃,流量为190u而n。从曲线可以看出,两种模式下供液温度大约用半个小时的时间达到并稳定于设定值允许的范围之内,供液流量能较好地与设定5结束语采用可编程控制器对所有电路进行微电脑控制的方案,使得液冷系统启动与运行平稳、操作方便、控制精度高、报警与防错装置反应灵敏、可靠性强。该液冷系统应用前景广泛,可用于对机场电子设备的液体冷却系统进行通液冷却、加热和过滤等,也可用于对其他工业领域的发热设备的通液冷却。液冷系统实际投人使用时,由于被控对象的时滞、时变、非线性的特征比较明显,导致被控对象不容易控制,而PID参数自整定智能控制能很好地适应这一特征,应在今后的PLC程序设计中,对实现在线实时PID模糊自整定的智能PID控制程序进一步研究。参考文献1Klein,S.A.,MeUnden,M.0.,】泊eseeke,A