基于工业空调的仪表测量与过程控制实验系统的设计

朱名强，孙 旋，李海侠

（桂林理工大学 机械与控制工程学院，广西 桂林 541004）

0 引言

随着生产过程自动化的发展，对自动化专业人才的要求越来越高，高校作为培养自动化高级人才的基地，在提高教育教学质量和人才培养质量上，应该不断地进行改革创新，使培养的自动化专业人才更容易适应企业岗位要求，满足社会对高级自动化人才的需求。

本文设计一个基于工业空调的仪表测量与过程控制的实验系统，该系统紧密结合工程实际，对温度、压力等过程变量能实时控制，并可以结合智能控制理论与计算机控制技术，对被控量实现智能控制。该系统能满足高校自动化类专业的仪表测量与过程控制类实验教学和科学研究需要。

1 实验系统的设计

实验系统结构组成如图1所示，由实验对象、仪表测量系统、仪表控制系统、变频调速控制系统、计算机控制系统组成，实验对象及控制系统示意图如图2所示。

图1 实验系统结构组成图

图2 实验对象及控制系统示意图

实验对象为工业空调，由多节方形风箱、进风机、进风管路、冷却器、电加热器、出风管路等组成，还有相应的辅助设备，如：冷冻（却）水箱、水泵、冷冻水调节阀、水管路等。工业空调应用广泛，为学生所熟悉，其工作原理为：外界新风从进风口通过风机进入空调本体，先经冷却器冷却，使风的温度保持一定，然后经过电加热器的加热，使得出风的压力、温度和湿度达到工艺要求。

仪表测量系统主要是检测空调的运行状态，测量仪表安装位置分现场安装与控制柜安装。测量系统现场安装仪表的作用与选择为：PI1用于测量送往冷却器的冷冻水压力大小，仪表采用量程为0～0.6 Mpa的普通弹簧管压力表；PI2和PI3分别测量空调的进风压力、出风压力的大小，仪表采用量程为0～0.6 Mpa的膜盒压力表；TI1用于测量送往冷却器的冷冻水温度，仪表采用量程为0～50℃的双金属温度计；QI用于测量送往冷却器的冷冻水量，仪表采用普通水表，可对冷冻水量进行累计；LIA用于水箱液位检测与报警，仪表采用液位控制器。控制柜安装的仪表作用与选择为：MI1和TI2是一整套温湿度传感及测量仪表，用于测量空调器的出风温度和出风相对湿度，其中MI1用于相对湿度的测量，量程为0～100%，TI2用于温度的测量， 量程为 0～150℃；QIJ用于测量送往冷却器的冷冻水量，采用涡轮流量传感器+涡轮流量变送器+智能流量计算控制仪的组合仪表，既能对冷冻水量的瞬时值进行显示，也可对冷冻水量进行累计。

仪表控制系统采用智能调节器控制，包括冷风温度控制系统TIC1、出风温度控制系统TIC2，各系统简述如下：

冷风温度控制系统TIC1原理图如图3所示，由温度传感器（Pt100热电阻）检测空调的冷风温度变化并输出测量信号y（t）送至温度调节器，在温度调节器内测量信号 y（t）与设定值 x（t）比较后产生偏差信号 e（t），然后经PID运算后输出4～20 mA信号送给执行器 （电动调节阀），改变电动调节阀的开度使调节介质（冷冻水量）发生变化。调节介质（冷冻水量）变化使冷却器的散热能力发生变化，冷风温度随之发生变化，最终使空调器的冷风温度稳定在设定值内。

图3 冷风温度控制系统TIC1原理图

出风温度控制系统TIC2的原理图如图4所示，由温度传感器（K分度热电偶）检测空调器的出风温度变化并输出测量信号y（t）送至温度调节器，在温度调节器内测量信号 y（t）与设定值 x（t）比较后产生偏差信号e（t），然后经 PID运算后输出0～10 mA信号送给执行器（可控硅调压器）改变输出电压的高低，可控硅调压器输出电压的高低使电加热器的热量发生变化，使出风温度也发生变化，最终使空调的出风温度稳定在设定值内。

图4 出风温度控制系统TIC2原理图

变频调速控制系统原理图如图5所示。变频调速控制系统用于控制出风压力，由压力传感器+变送器组合检测空调的出风压力变化并输出测量值为4～20 mA的信号y（t）送至压力调节器，在压力调节器内测量值信号y（t）与设定值 x（t）比较后产生偏差信号 e（t），然后经PID运算后输出4～20 mA信号送给执行器 （变频器+风机组合），改变变频器输出频率使风机转速发生变化，最终使空调的出风压力稳定在设定值内。

图5 出风压力变频调速控制系统PIC原理图

2 实验系统的特点

本实验系统具有开放性、综合性、先进性的特点。

（1）开放性：本实验系统可由学生进行仪表系统的设计、安装、校验、调试、运行、监控、维护、改造等，在此过程中，学生可进行开放性的学习，同时，能将新的技术融入系统中。

（2）综合性：本系统融入了自动控制技术、电子技术、计算机技术、通信技术，可进行过程测量与仪表类课程、变频器技术、智能控制、组态软件应用技术等课程的教学，不仅能完成不同层次或不同类别的实验，还能进行设计性、综合性、创新性的实验。

（3）先进性：本系统运用了变频调速控制技术、智能仪器控制技术、计算机控制技术，这些技术是现代生产过程中较先进的技术。

3 实验系统的功能

3.1 常用过程参数的测量

本实验系统可测量的过程参数有：温度（TI1、TI2、TIC1、TIC2）、 压 力 （PI1、PI2、PIC）、 流 量 （QI、QIJ）、 液 位（LIA）、湿度（MI1）。

3.2 压力控制

出风压力可由压力调节器与变频器控制，也可由计算机进行远程控制。通过该系统，可以学习变频器的结构、工作原理、操作、应用等知识，特别是变频调速节能方面的知识，同时还可学习计算机控制技术方面的知识。

3.3 温度控制

在检测与过程控制系统中，温度的测量与控制所占的比例很大，应用最广[1]。本实验系统实现冷风温度控制TIC1和出风温度控制TIC2。

3.4 仪表的校验

本实验系统进行的仪表校验主要有：弹簧管压力表的校验、数字显示仪表的校验（校验热电偶和热电阻）、压力或差压变送器的校验等。通过本实验系统，可以学习校验的方法、数据记录、处理及检定结果等。

3.5 学习PID参数整定

调节器参数整定的方法很多，本实验系统可选用简单、易操作的经验法（用于模拟PID控制）或智能仪表PID整定[2]。在本实验系统中，通过改变出风压力、出风温度、冷风温度来控制系统的PID设定值，观察设备以及仪表的变化情况，学习PID参数的整定。

3.6 计算机控制系统设计

本实验系统采用组态王软件设计上位机监控系统，用于出风压力、出风温度、冷风温度的监控。组态王软件具有良好的开放性，支持与国内外常见的PLC、智能模块、智能仪表、变频器、板卡等进行数据通信[3]。通过计算机控制系统，学习计算机控制系统设计的方法。

3.7 其他功能

本实验系统除上述功能外，还具有其他的功能，如：水箱液位控制、出风流量的控制、冷冻水流量控制、分程控制等。

4 系统的创新

（1）本实验系统被控介质有气体和液体，主体被控介质是气体，安全性高，而现在高校用的过程控制实验系统被控介质大多是水，本系统被控介质多样化。

（2）本实验系统具有可拆装性、改造性、扩展性、开放性强，能更好地融入过程控制发展新技术，更益于锻炼学生动手实践能力、设计能力、创新能力、现场解决实际问题的能力。

（3）本实验系统以工业空调为载体，因为工业空调应用广泛，为学生所熟悉，这样，更容易激起学生学习的热情与兴趣。

5 结论

本文设计了一套基于工业空调的仪表测量与过程控制实验系统，系统紧密结合工业生产过程，实践性、技术性和实用性强，具有广泛的应用价值，主要适用于高校进行实验教学和科学研究，有利于提高教育教学质量和人才培养质量，提高学生专业技能，培养学生设计能力、方法能力、可持续发展能力、创新能力和解决现场实际问题的能力。本系统具有开放性、综合性、先进性等特点，使培养的自动化专业人才更容易适应企业岗位要求。随着生产自动化的发展，本实验系统还需要不断地改进和完善。

[1]范峥，徐海刚.检测与仪表[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2]黄永杰，卢勇威，高宇.检测与过程控制技术[M].北京：北京理工大学出版社，2010.

[3]郭剑花，王锁庭.过程测量及仪表[M].北京：化学工业出版社，2010.