热交换器性能测试平台控制系统的设计

(洛阳双瑞特种装备有限公司，河南 洛阳 471000)

0 引言

热交换器被广泛地应用于石化、电力等工业领域，在生产中起着不可替代的作用。然而目前热交换器在能耗方面的损失严重，给工业生产带来了巨大经济损失[1]。随着能源危机的日益加剧，以及环保因素的影响，热交换器性能与能效测试的研究就显的越来越重要[1]。在此，主要针对热交换器性能与能效的测试要求，利用网际组态软件WebAccess与APAX5620，设计了热交换器性能测试平台的控制系统[2-3]，实现了对测试平台运行状况的实时监控和分析，以测定热交换器性能与能效。

1 控制系统的功能与组成

以工业生产中常用的间壁式热交换器为代表，热交换器两侧流通不同属性的工艺介质，通过2种介质的温差传递热量。为测定其换热效率及能效，可根据需要选择水-水换热模式、汽-水换热模式和油-水换热模式。

1.1 控制系统的功能

控制系统的功能如图1所示。在选定某种换热模式之后，控制系统将自动实现以下操作：根据所选择的换热模式通断特定的阀门，实现工艺介质的切换；根据操作员输入的试验参数调节回路阀门的开度、设备的功率等，实现介质参数精确控制；采集、显示并记录各关键工艺参数，动态分析被测试验件参数指标并形成报表输出；实时进行异常报警以及故障诊断等。

图1 控制系统功能

1.2 控制系统的组成

控制系统按其自下而上的逻辑顺序分为3层，如图2所示，分别为现场执行层、控制层和管理层。

图2 控制系统逻辑层

现场执行层包括现场测量单元、执行单元等，执行过程信号采集、阀门通断调节等。控制层包括PAC硬件设备和控制程序，负责平台的逻辑运行控制。管理层采用PC机+组态软件WebAccess的架构，实现人机交互、平台运行画面模拟、动态显示与存储、报警与诊断等。

2 控制系统的硬件设计

执行层硬件由检测仪表(温度、压力和流量等变送器)和执行元件(调节阀等)组成。执行层硬件输入/输出信号可分为2类，所有连续变化的信号，如用于测量工艺介质的温度、压力、流量的变送器信号，以及调节阀的开度控制与反馈信号等均为模拟量信号；阀门的通断、水泵的启停等均为开关量信号。由于电流信号具有抗干扰能力强、简单易用等优点，模拟量信号统一以4～20 mA电流信号表示[4]。

控制层硬件采集现场过程量信号并运行热工测试平台的逻辑控制程序。其核心控制器采用APAX5620 PAC，内置工业以太网通信模块可用于开发与通信功能；对应的4～20 mA模拟量输入模块为APAX5017，模拟量输出模块为APAX5028；开关量信号对应的输入/输出模块为APAX5045[5-7]。

管理层硬件是指PC控制台，安装网际组态软件WebAccess。

控制系统各层硬件之间的通信方式如图3所示，主要包括2个部分：设备层与控制层采用模拟信号通信，控制层与管理层采用工业以太网Modbus/TCP通信[8]。

图3 控制系统各层硬件之间的通信方式

3 控制系统的软件设计

3.1 控制层软件设计

控制层软件即平台运行的逻辑控制软件运行于APAX5620 PAC硬件平台上，流程如图4所示，负责以下过程：

图4 控制层软件流程

a.现场开关量及模拟量信号的采集。

b.与管理层通信，交换现场过程量数据及管理层控制指令。一方面，APAX5620通过Modbus/TCP上传工艺介质的实时参数到管理层组态软件数据库，另一方面，获取管理层下发的控制指令，并更新指令参数缓存器。

c.温度、压力、流量的闭环控制，根据管理层下发的控制指令，调节阀门开度、加热器的功率等来满足各种试验模式下对介质流量、温度的调节要求。以流量控制为例，控制策略如图5所示。本系统闭环控制利用PID控制器实现，采用APAX5620控制器指令集中的PID功能块。

图5 流量控制策略

d.可靠性监测，包括设备故障检测、系统超温超压紧急停车等。

3.2 管理层软件设计

管理层软件运行于PC控制台，以组态软件WebAccess为平台开发了控制系统管理层软件，主要构成如下所述。

a.热力平衡算法程序，根据控制层软件采集到的现场过程量数据进行热力平衡计算，同时计算出热交换器的换热效率与能效。

b.平台运行画面模拟，包括主画面、参数输入画面、实时趋势画面、历史趋势画面和故障报警画面等。

主画面如图6所示，用于模拟测试平台的工艺流程，监控并显示测试平台的运行情况，包括系统运行模式，换热模式，被测试验件两侧工艺介质的流量、温度、压力，调节阀的开度以及泵的启停状态等。

图6 管理层软件主画面

参数输入画面：用于试验模式选择，包括手动/自动运行模式的切换，水-水换热模式、汽-水换热模式和油-水换热模式的切换；工艺参数目标值的输入，如温度、流量等参数；控制参数的调试，包括比例系数P、积分时间常数I、微分时间常数D和误差死区等。

实时趋势画面与历史趋势画面：用于实时显示测量结果、绘制动态曲线；记录系统运行状况、处理归档，操作人员可及时方便地查看、了解系统实时和历史运行情况，为操作人员发现故障、查找和分析事故原理提供可靠的依据。

报警画面：用于显示当前系统发生的异常情况，有报警分组、报警确认等功能。

4 结束语

利用网际组态软件WebAccess与研华APAX5620 PAC控制器，搭建了热交换器性能测试平台的控制系统。能够方便地实现换热模式的切换，工艺参数自动精确调节、实时采集与保存，热交换器效率与能效自动分析等功能，大大地提高了试验工作效率；具有操作方便、经济性好的特点。经过实际工作运行，验证了设计方案的合理性与控制系统的可靠性。

参考文献：

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[2] 牛皖闽,赵肖宇,佟亮.基于WebAccess自动控制系统研究与实现[J].微机计算信息, 2007, 23(10) : 67-68，94.

[3] 廉小亲,于重重，段振刚，等.基于WebAccess的智能楼宇监控系统[J].计算机工程与设计，2008, 29(24):6382-6385.

[4] 俞希学，关磊，吴帆，等.基于S7-300 PLC的中压直流负载控制系统设计[J].电气自动化,2013,35(6):79-81.

[5] 陈众, 范文雪，蔡勤.基于PAC的发电机同期过程监测装置[J]. 电子技术应用,2010,36(8):100-102,106.

[6] 刘海涛,刘峰,任永峰,等. PAC在定桨距风电机组控制系统中的设计[J].电力科学与工程,2011,27(8):1-4，19.

[7] 高强, 任德学，扈书亮，等.基于PAC的电厂喷淋抑尘控制系统的设计[J].起重运输机械, 2008(11):10-13.

[8] 陈运珍, 冯涛.基于工业以太网的研华PAC控制系统在污水处理系统的应用[J].电气时代,2007(3):50-51.