工业循环冷却水系统综合教学实验平台设计与实现

李志斌， 刘 畅， 方毅然， 赖宝鹏, 黄启韬

(上海电力学院 自动化工程学院，上海 200090)

0 引 言

实践教学不仅能够调动学生的学习热情，还能够催化学生从学习者到实践者的转变。从实践教学的基点出发，选取工艺简单和原理复杂的对象，作为实验参考，选取工业循环冷却水系统作为实验平台的设计对象。

工业循环冷却水系统[1-3]是工业生产中重要的辅助系统，其主要的冷却介质是水。当吸收废热后的冷却水，流经冷却塔或其他冷却设备，达到降温的目的后，再由水泵及管道设备将其送回换热器中重复使用。本文以检测技术、自动控制原理、过程控制原理、热工基础、PLC可编程控制技术等多门主要的工科课程为理论基础，以实际生产中的工业工艺为参照对象。设计出具有监测、控制、交互、模拟等功能的综合教学实验平台，为自动化、测控等相关专业的实践教学提供新思路和新模式。

1 实验平台设计

本文的综合教学实验平台之所以选择工业循环冷却水系统为搭建对象，是因为工业循环冷却水系统不仅具有一般实验的原理验证的特性，还具有多数量的监测目标(进出口水温、水流量、风量等)和丰富的控制对象(散热风机、水泵、加热装置等)。它具有许多传统实验所不具备的优点。

本实验平台主要构成部分：冷却塔模型、控制箱、监控系统。它是以可编程逻辑控制器、温度变送器、电力调整器、加热器为主体设备搭建而成，其整体设计方案如图1所示，图2所示为实验平台实物图。

图1 循环水系统模拟平台整体设计方案

图2 实验平台实物图

1.1 冷却塔模型设计

本实验平台的冷却塔模型主要是模拟工业循环冷却水系统中的冷却塔部分，其首要作用是为循环冷却水与空气进行热交换提供场所。该模型的主要组成部件有淋水填料、淋水管道、散热风机等。其中模型的结构采用开式横流的方式设计，能够提高冷却塔腔内空气流动速度，利于对塔身维护，并且所占地面积小，相比于同类型的其他设计方式具有较高的经济性。

冷却塔的塔体主要材料是PPS塑料板。在塔体的内部设计了2块可活动的隔板，隔板的作用是将冷却塔形成3个并联的冷却塔群，如果将隔板抽走，则会形成一个共腔的冷却塔。这种灵活的塔体构架具有以下特点：①冷却塔模型更加逼真，使得实验结论更加准确。②采用模块化设计，方便模型组装。③可以同时研究单塔和塔组的热力性能。塔腔中填满亲水性强的薄膜式填料，是另一个重要的冷却部件。在重力的作用下，塔内的热水从塔顶部向下流动，并在淋水填料上淋洒成一层水膜，以增大与空气的接触面积和时间，使得水温迅速下降，提升塔腔内的冷却速率。水箱的管道配水系统是以提高水压的调节性为目的，主要由配水干管、配水管及配水喷头组成。在配水管选择上，力求配水均匀的原则。并且根据水在管道中的流动有逐渐减少的特性，选取渐缩的管道。在冷却塔的顶部安装了3个散热风机，它是整个冷却系统中的重要装置。在冷却塔中加装散热风机，其目的是为了提高冷却塔塔腔内的空气流动速度，增加冷却塔的冷却效率。

1.2 控制箱设计

控制箱主要是装载实验平台的电气控制器件，其核心控制部件是菲尼克斯ILC130型号的PLC，操作人员将编写好的程序下装到PLC中，对实验平台内的被控部件下达指令，使其做出相应的动作。在本实验平台中，其主要控制对象是：风量、水流量、加热器的功率，其中风量的调节范围为0～8 325 L/min，水流量的受控范围为0～7 L/min，功率的调节范围为0～3 kW。控制箱内的热电阻实现对冷却塔进、出口水温采集，采集后的温度经温度变送器将其模拟信号转变成电信号，传送给执行机构，并完成控制任务。电力调整器在控制电路中通过输入信号来调节加热器的功率，从而实现对冷却塔进水水温的初步控制。系统受控过程如图3所示。

图3 系统受控过程

1.3 监控系统设计

整个实验平台需要上位机对其进行实时监控，不仅能够实现实验数据的采集和记录，而且能提供一个可操作的人机交互界面。为了保证实验平台在进行实验过程中正常运行，上位机的监控系统设计具有自动和手动控制功能，即在自动档位时，不需要任何人工干预，控制器能够自动按照程序设定，对被控对象进行相应的操作。在手动控制方式下，可以人为地控制各个受控模块。同时自动和手动之间可以合理切换，避免监控系统在工作中出现差错。

上位机的监控系统的人机界面，是以MCGS组态软件作为监控界面的开发平台，并利用莫迪康Modbus TCP实现MCGS与PLC之间的数据通信。上位机界面主要任务是实验参数的设置、实验监控、实验数据的采集和处理。根据实验平台的要求，主要有以下几个功能界面。

(1)系统主界面。显示整个循环冷却水实验平台监控系统的主界面，在此界面下可以完成对加热器的开关，对实验平台电源的开关，对系统手动控制方式和自动控制方式之间的切换，实时监视实验平台的运行状态和相关参数的显示。监控系统的主界面如图4所示。

图4 监控系统的主界面

(2)参数设置界面。实现对冷却塔的进水温、出水温、循环水的水流量、散热风机的风速等相关实验参数的设置，并且给出参数设置的上下限。

(3)风机状态界面。该界面主要实时监控风机的运行状况，利用信号灯的状态来显示风机是否运行。并且界面中每个风机的开关按钮，实现对各个风机启停操作。

(4)复合曲线界面。在实验实际操作中，平台中的给水温和回水温呈现动态变化。该界面不仅记录实验水温的变化数据，而且能够将记录的数据和对应的时间复合成曲线，直观的表现出二者的数学关系。

(5)传感校正界面。在进行实验操作的过程中，由于受到主客观因素的影响，实验平台会存在系统误差。该界面能够显示设置量、实测量和偏差，方便误差消除和实验结果的精确计算。

(6)登录管理界面。由于系统具有不同的操作等级，不同等级的用户拥有不同等级的操作权限。为了防止用户越权操作，设计了该管理界面。

2 实验平台实践教学应用

工业循环冷却水系统综合教学实验平台是以提高学生的综合素质为目的，以发展学生的创新精神与实践能力为宗旨，以融合教学内容和工程能力为准则的实践训练体系[4-5]。基于本实验平台设计出以下具有专业学科交叉和培养技术应用特点[6]的课程实验。

2.1 模拟火电厂循环水系统性能优化实验

本实验设计主要依据凝汽器的最佳真空[7-11]作为火电厂循环水系统运行优劣的标准。制定模型的性能评判准则，优化不同的系统负荷下循环水泵的工作方式。

本设计基于贴近实际发电情况下循环冷却水的热交换过程，通过对系统进行性能优化判定，使学生能够更好地掌握火电厂循环水系统性能优化的技术和方法。

(1) 建立目标函数。基于凝汽器的最佳真空的定义，确定汽轮机功率增量和循环水泵的功率增量之差最大值为目标函数。

(2) 模型计算。在实验平台中，加热器模拟汽轮机和凝汽器部分。需要将凝汽器的热力特性、汽轮机的通用曲线转换成计算模块，确立水温与功率增量的关系。熟悉火电厂动力部分的热力计算和数学转换。

(3) 参数设置。在实验平台中利用加热器的热负荷模拟汽轮机的工作负荷。通过对负荷的调节，得出该负荷下水泵的最优工况。了解电厂水循环系统的优化原理。

(4) 程序编写及实现。将计算公式编写入PLC中，使得模拟汽轮机变负荷工作时，循环水泵在最优额定工况下运行。

2.2 PID参数调节温度控制实验

本实验主要针对循环冷却水的进、出口温差进行控制。利用传统的PID控制器实现对水温的调节，更进一步，采用模糊控制理论实现对冷却水温度的自动调节[12-16]。

通过此次实验，主要使学生在面对复杂的工业系统时，综合分析系统的组成、工作原理和控制目的，提出相应的控制策略，能够使其满足基本的控制要求。在处理一些非线性特性强、参数变化大、数学模型不清晰的系统时，给出一种实际工程上比较普遍的方法。

(1) 模型建立。确定系统的输入量、输出量，将实验平台满负荷运作时，记录输入、输出的实验数据，建立输入量、输出量的微分方程，对微分方程进行拉氏变换求得系统的传递函数。在数学建模过程中，使学生掌握数学手段处理工程中的变量关系。

(2) 模型仿真。在Simulink中仿真出PID控制器对系统传递函数的控制。掌握系统仿真对模型的分析和评价，以及PID参数调节的方法和步骤。

(3) 库文件加载到PLC。将Simulink中PID控制模型离散化，利用Simulink PLC Coder工具将模块转化成PLC所要求的特定文件，并加载到PLC中。熟悉掌握Simulink开发PLC控制算法程序。

(4) 程序运行。下装好程序，将平台通电调试。

(5) 控制算法改进。依据模糊控制理论，设计和编写模糊控制器，将模糊PID控制器编译入PLC中进行实验测试。熟悉掌握模糊控制器的设计要领，分析模糊PID控制器与经典PID控制器的区别。

3 结 语

本文介绍了工业循环冷却水系统综合教学实验平台的相关设计，通过PLC控制，MCGS上位机的显示和参数设置，将PLC的逻辑功能与组态软件的延续性和扩充性相结合，功能丰富，系统可控性好，处理能力强，是一个理论与实践无缝融合的实验操作平台。并且依据实验平台，设计出相关的实验项目，可以使学生通过实验的模拟平台与实际工程相结合，加强同学对工业应用中循环水的控制理论与控制策略选择等方面学习和研究。该实验平台现已应用于实践教学中。从教学反馈的信息中表明，该实验平台不仅完成了教学任务，还为学生提供了创新的实践环境。

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