基于PLC的吸湿转轮试验台设计

郝秀渊，耿世彬

(解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

基于PLC的吸湿转轮试验台设计

郝秀渊，耿世彬

(解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京210007)

为研究吸湿转轮的运行参数(再生空气温度、转轮转速、再生空气风量、处理空气风量)和结构参数对再生空气经过转轮前后含湿量差的影响，设计了控制系统以西门子PLCS7-200和触摸屏结合的试验台。介绍了试验台的组成部分、系统电路设计、控制系统软件设计。实际试验表明，设计的试验台操作简单、性能可靠、数据采集方便、人机交互友好，可以完成吸湿转轮富集水蒸气试验研究。

吸湿转轮；可编程逻辑控制器；触摸屏；变频器

0 引言

淡水资源是人类生产和生活所必需的资源，为了解决高山哨所、边防海岛、舰船、戈壁滩等地区饮用水困难的问题，科研人员提出空气取水的方式[1-3]，但在荒漠戈壁滩地区空气中含水量低，直接从空气中获取液态水非常困难，因此提出吸湿解析(转轮吸湿)和冷冻结露结合的取水方案，即先通过吸湿转轮处理新风，把新风中的水分富集到硅胶转轮中，再用小风量的高温空气通过转轮使转轮中的水分解析，获得高含湿量空气，最后用表冷器处理高湿空气得到液态水[4]，其中利用吸湿转轮富集水蒸气是整个取水方案中关键的环节。

目前，国内外关于转轮除湿的研究主要集中在以下三个方面：(1)固体吸湿材料的种类及其物性特征的研究[5-7]；(2)转轮传热传质模型的建立[8]；(3)转轮运行参数(再生空气温度、转轮转速、再生空气风量、处理空气风量)对处理空气出口温度和湿度的影响[9]。其评价指标均只与处理空气出口状态相关，而利用吸湿转轮富集新风中的水蒸气需要研究的对象为再生空气出口的状态。因此为研究不同环境工况下，吸湿转轮的运行参数和结构参数(吸湿转轮再生角度)分别对再生空气通过吸湿转轮前后含湿量差的影响，以及这些因素同时变化时对含湿量差的影响规律，本文设计了基于PLC(Programmable Logic Controller)的吸湿转轮试验台。

1 吸湿转轮试验台简介

吸湿转轮特性试验台由试验装置部分和PLC控制系统组成。其工作原理为吸湿转轮在驱动电机的驱动下保持低速旋转，新风先通过粗效过滤器然后进入转轮吸湿区，与转轮中的吸附剂进行热质交换，由于吸附剂表面水蒸气分压力低于新风中水蒸气分压力，水蒸气被富集到转轮干燥剂中，剩余的干燥空气被排到室外；与此同时再生空气在再生风机的作用下，经过加热器加热变为高温再生空气进入转轮再生区，由于吸附剂表面水蒸气分压力高于再生空气中的水蒸气分压力，在水蒸气压力差的作用下，吸附剂中的水分解析进入再生空气，得到高湿再生空气，同时转轮重新获得吸湿能力。两种过程不断地反复交替，所以吸湿转轮具有连续富集水蒸气的能力。

吸湿转轮试验台装置示意图如图1所示，试验台安装有4个温湿度传感器，用来监测再生空气和处理空气通过吸湿转轮前后的温湿度值，温度传感器用来测量经过PTC加热器后的再生空气温度。在一定环境工况下，改变吸湿转轮试验台运行参数和结构参数，读取再生风道2个温湿度传感器示数计算得到含湿量差值，研究各参数对转轮富集水蒸气效果的影响。

图1 试验装置示意图

2 硬件设计

吸湿转轮试验台的硬件构成如图2所示。

图2 系统构成

2.1硬件选择

(1)PLC的选择。根据试验要求，需测得处理空气经过吸湿转轮前后的温湿度、再生空气经过PTC加热器前的温湿度、再生空气经过PTC加热器后的温度以及再生空气经过吸湿转轮后的温湿度，总计有9个模拟量输入；还有4个开关量输入和6个开关量输出。综合考虑可编程控制器，选用西门子S7-200SN系列，型号为CPU224CN，供电方式为AC电源，它集成了14点输入/10点输出，总计有24个数字量输入/输出，最多可扩展7个模拟模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，内置模拟量调整器，配有1个RS45通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力，是具有较强控制能力的小型控制器[10]。

(2)温湿度传感器的选择。试验过程中测量的空气温湿度均处于正常范围，选用4个EE160-HT6，其湿度敏感元件为HCT01-00D，具有长期稳定的特点，工作范围为0～100%RH，在环境温度为20 ℃时精度为±0.5%RH；其温度敏感元件为Pt1000，工作范围为-20～+80 ℃，20 ℃时精度为0.1 ℃，供电方式为DC24 V，输出信号均为4～20 mA。因为经过加热器后的再生空气为高温气体，所以选用1个温度敏感元件为Pt100的WZP-230铂热电阻，其测温范围为-50～+250 ℃，符合工作环境要求。

(3)模拟量输入模块。由温度传感器和温湿度传感器测量的温湿度值以模拟电流信号方式输出，而本系统选用的西门子PLC只能处理数字信号，因此选用3个西门子EM231CN模拟量输入模块，将温湿度传感器输入的模拟信号转换成数字信号，再通过MPI通信协议传输给PLC224。

(4)变频器选择。为了满足试验要求，对处理风机和再生风机风量实现无极调节，本系统选用2台奥圣电气ASB53XH磁通量控制变频器，可通过操作键盘对风机进行变频操作，频率显示在变频器数字面板上，最后利用风量罩测得处理新风风量和再生空气风量。

(5) PTC型陶瓷加热器。为了保证再生温度梯度，选用3组PTC型陶瓷加热器，每组加热器的功率分别为15 kW、10 kW、5 kW，设计满足当再生空气风量最大为1 500 m3/h、再生空气初始温度为20 ℃时，仍然可以将再生空气温度加热到140 ℃。PTC加热器特点为成本低、寿命长、安全、绿色环保。

(6)吸湿转轮驱动电机。选用佳雪微特齿轮减速电子调速三相电容运转异步电动机，型号为90YYJT90-3，功率为90 W，转速为1 350 r/min，齿轮减速器的型号为90-GS-150，电动机连接电子无极速度控制器，转轮驱动电机和吸湿转轮之间使用皮带传动，通过旋钮调节可变电阻的阻值可实现吸湿转轮转速调节。

2.2系统电路设计

系统电路设计如图3所示，试验台主体部分使用380 V 交流电，电路中安装相序保护器确保相序连接正确，防止风机倒转发生故障；系统分别通过6个断路器为处理风机、再生风机、转轮驱动电机、报警器、散热风扇和PTC陶瓷加热器供电；在处理风机、再生风机、转轮驱动电机、加热器和警报器前都安装接触器，由PLC数字输出信号控制，当系统处于异常工作状态时，警报器就会发出蜂鸣声；新风风机和再生风机前还安装了热过载继电器，作为风机的过载保护；开关电源YK-S-60W-24采用PWM技术和电路拓扑结构，具有效率高、稳定度高和抗干扰能力强等特点，可将AC220 V转变为DC24 V，为触摸屏、PLC和模拟量输入模块供电。

3 软件设计

3.1PLC程序设计

PLC软件设计采用西门子S7-200编程软件STEP7-MicroWIN SP9，该软件功能齐全，不仅能够进行程序的设计研发，而且能对程序的执行过程进行实时监测[11]。

3.1.1转轮转速测量

除湿转轮外周上平均分布4个金属检测体，在转轮旋转过程中，每个检测靠近接近开关时，接近开关会向PLC传输一个数字信号，PLC通过2个信号时差运算得出转轮转速，程序梯形图如图4所示。

图3 系统电路设计图

图4 转轮测速梯形图

3.1.2再生温度控制

PLC温度控制技术一般分为定值开关控温法、PID控温法、智能温度控制法3种[12]，本系统中加热器已经分为3组不同功率的再生加热源，因此采用定值开关温控法。图5所示梯形图只是控制再生温度加热的一部分，启动试验台设置再生温度后，3组PTC陶瓷加热器同时开启，当再生温度传感器采集的再生温度距设置温度10 ℃时，PLC发出指令关闭辅加热器2，当温度差变为5 ℃时关闭辅加热器1，当温度超过设置再生温度5 ℃时关闭主加热器；当再生温度降至距设置温度2 ℃时，开启主加热器，当比设置温度低7 ℃时，开启辅加热器1，当低于 13 ℃时，开启辅加热器2。

图5 主加热器控制梯形图

3.1.3试验台报警控制

试验台运行过程中，发生传感器故障、再生温度超过设定值175 ℃时，设备继续运转，报警器发出蜂鸣声；当发生处理风机、再生风机和转轮电机过载，系统则停机报警。两种报警情况均需要手动解除警报才能重新启动试验台。

3.1.4试验台停机控制

停止试验台时，系统马上关闭加热器同时检测再生温度，当超过60 ℃时，处理风机、再生风机和吸湿转轮继续运行降低机组温度，直到低于保护温度60 ℃时，测试台停止运行。图6为吸湿转轮试验台停机的梯形图。

图6 系统停机的梯形图

3.2触摸屏设计

触摸屏采用昆仑通泰嵌入式一体化触摸屏，型号为TPC7062Ti，屏幕分辨率为800×480的7英寸液晶显示屏，有1个RS485串型通信接口，通过PC/PPI电缆连接西门子PLC224实现数据传输[13]。触摸屏软件设计使用昆仑通泰MCGS7.7嵌入版组态软件进行编辑，使触摸屏具有友好的人机交互操作界面。在触摸屏操作界面有系统启动/停止按钮控制系统起停，还可以设置转轮再生温度；监控界面可以实时监测处理空气进口温湿度、处理空气出口温湿度、再生空气进口温湿度、再生空气出口温湿度、再生空气经过加热器后的温度和转轮转速等试验数据，还可以查看历史数据曲线，并且支持测试数据通过USB接口导出；当系统出现故障时，可通过触摸屏查看故障源，触摸屏界面如图7所示。

图7 触摸屏主界面

4 结论

试验研究表明，通过触摸屏设置再生温度可以实现再生空气温度梯度变化；通过调节可变电阻旋钮可以实现吸湿转轮转速由5 r/h～40 r/h无级调节；通过操作变频器的操作键盘可以实现处理风机和再生风机的变风量调节；通过安装拆换风道模块可以改变吸湿转轮再生角度，分别为90°、120°、150°和180°；系统能够将试验台运行过程中接近开关采集的数字信号和温湿度传感器、温度传感器采集的模拟信号通过A/D模块转换后输入PLC处理运算，最后转轮转速和温湿度以可视化的形式呈现在触摸屏上。

图8～图10是通过搭建的试验台测得的试验数据，分别表示再生温度、转轮转速和再生角度对再生空气进出口含湿量差的影响。测试过程中试验台运行稳定，参数调整方便，数据采集准确，延时停机系统运行正常。

图8 再生温度对含湿量差的影响

图9 转轮转速对含湿量的影响

图10 再生角度对含湿量差的影响

本文设计的吸湿转轮试验台成功实现了以西门子PLC S7-200和触摸屏结合的控制方式。试验台具有操作简单、实时监控、生成曲线图像、自动报警等功能，为完成吸湿转轮富集水蒸气单因素试验和多因素正交试验提供了保障。

[1] 侴乔力，苏跃红，葛新石,等.太阳能吸附式空气取水器的技术方案及其理论和实验研究[J].太阳能学报，1994(4):341-346.

[2] 叶继涛，谢安国，陈儿同.太阳能半导体制冷结露法空气取水器的研究[J].辽宁科技大学学报，2004，27(4):282-285.

[3] 罗继杰，张蔚东，白小步.野外作业用空气取水设备研究与应用[J].暖通空调，2004，34(4):42-45.

[4] 耿世彬，李永，杨俊斌.一种节能空气取水装置:中国，CN104563210A[P].2015-04-25.

[5] TASHIRO Y，KUBO M，KATSUMI Y，et al.Assessment of adsorption-desorption characteristics of adsorbents for adsorptive desiccant cooling system[J].Journal of Materials Science，2004，39(4):1315-1319.

[6] SENDEK M E，VIRJI M A，WHITE D A，et al.Water sorption properties of modified clinoptilolite[J].Separation & Purification Technology，1997，11(2):139-147.

[7] 丁静，杨晓西，李国权,等.多微孔活性硅胶吸附特性及其对吸附式除湿轮性能的影响[J].化学工程，1998(6):11-13.

[8] GE T S，ZIEGLER F，WANG R Z.A mathematical model for predicting the performance of a compound desiccant wheel (A model of compound desiccant wheel)[J].Applied Thermal Engineering，2010，30(8-9):1005-1015.

[9] 马丽君.固体干燥剂转轮除湿特性的理论与实验研究[D].天津:天津商业大学，2011.

[10] 李文炜，王起文，于庆丰.基于西门子S7-224型号PLC的系统设计方法的教学[J].中国现代教育装备，2005(6):47-50.

[11] 刘少军，张思雨.基于PLC及触摸屏的隧道通风系统的设计[J].国外电子测量技术，2016，35(6):92-95.

[12] 刘同召.基于模糊控制的雨花茶精揉机温度控制系统的研究[D].南京:南京农业大学，2009.

[13] 王晔，赵景波，权利敏,等.基于PLC的土壤源热容量测控系统的设计[J].微型机与应用，2013，32(1):59-61.

Design of desiccant-wheel test platform based on PLC

Hao Xiuyuan, Geng Shibin

(College of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

In order to study the influence of the operating parameters (regeneration air temperature，wheel rotation speed，regeneration air volume，fresh air volume) and structural parameters of the desiccant-wheel on the humidification difference of the regenerated air before and after the runner，the control system was designed with the combination of Siemens PLC S7-200 and touch screen.This paper introduced the components of the test platform，system circuit design，and control system software design.The experimental results show that the test platform is simple in operation，reliable in performance，convenient in data collection and friendly in human-computer interaction，and can be used for experimental research on collecting water vapor by desiccant-wheel.

desiccant-wheel; programmable logic controller; touch screen; frequency converter

TP271

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.027

郝秀渊，耿世彬.基于PLC的吸湿转轮试验台设计J.微型机与应用，2017,36(21)：92-95,99.

2017-06-13)

郝秀渊(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向：地下空间热湿传递理论。

耿世彬(1965-)，男，博士，教授，主要研究方向：地下空间内部环境保障技术。