基于PLC的双温包温度调节器设计研究

林文城

基于PLC的双温包温度调节器设计研究

林文城

（厦门海洋职业技术学院，福建厦门 361012）

在取暖工况下，船用中央空调器采用双温包温度调节器来控制水蒸气流量，来调节空调舱室的温度。针对传统温度调节阀存在的问题，开发基于PLC双温包温度调节器控制系统。该控制系统选择以PLC-S7系列为下位机，定期采集装置运行技术参数数值，PID运算后，输出脉宽调制信号，改变比例电磁阀开度来调节锅炉水蒸气的流量，自动合理调整空调舱室温度，充分发挥控制系统精度高、响应快和维护简便等优势，契合智能无人驾驶船舶的设计理念。

双温包温度调节器 中央空调器 温度补偿率

0 引言

在船用中央空调器装置中，降温工况采用制冷剂对送风进行冷却和除湿，而在取暖工况利用锅炉产生的饱和水蒸气对送风进行加热和加湿。在取暖工况下，为了提高空调舱室的舒适体验，部分中央空调采用在加热器装设具备补偿功能的双液体感温包直接作用式温度调节器（以下简称双温包温度调节器），用来调节水蒸气的流量，控制加热器的温度，从而合理控制送风温度。双温包温度调节器借助两个液体感温包，分别装设在空调器的新风口和送风口，采集新风温度和送风温度的变化量，根据设定的温度补偿率，自动调节加热器中水蒸气流量，来控制中央空调器的送风温度来满足空调舱室的需求。

但在实际使用管理中，双温包温度调节器也暴露出一些问题，比如存在控制偏差大、反应滞后、稳定性差和设定值调节难等不足。为了改善这类双温包温度调节器在船用中央空调器采暖工况的工作性能，研制基于PLC控制和触摸屏显示的自动控制系统，本着依据环境温度的变化自动补偿送风温度的原则，适时准确地调节加热器水蒸气的流量，同时满足其温度补偿率、温度、风压和回风比等技术参数的设置、显示和保存等需求。

1 双温包温度调节器控制系统的硬件设计

双温包温度调节器控制系统的硬件组成中，下机位考虑选用西门子PLC-S7-200系列CPU 226CN，如图1所示，输入输出扩展模块选用西门子品牌的EM235，温度传感器、压力传感器和流量传感器等与PLC相连。此外，为展现人机界面，PLC通过RS232／485 转换器实现与上位机之间通信，上位机选用带串行通讯口的TD200触摸屏，从而建立温度调节器控制系统硬件的基本框架。

图1 温度调节器控制系统的硬件组成框图

2 系统控制原理

采暖工况下，具备温度补偿功能的船用中央空调器，可以根据舱室隔热质量、船员自身需求和装置结构特点等情况，来设定相应的温度补偿率数值。所谓温度补偿率，是中央空调器的送风温度变化量和新风温度变化量的比值，则当环境温度出现偏差，送风温度随之调节，以确保通过送风量温度的调整，来实现各个空调舱室的温度都能维持在期望值上。

周期性借助传感器采集中央空调器的新风口和送风口的温度值，数模转换后，由PLC控制模块依据上位机输入温度补偿率的初始值，进行PID运算后生成控制信号，该控制信号经过转换输出PWM信号。利用开关式放大电路，PWM信号控制蒸汽阀的开度，调节加热蒸汽的流量来改变空调的送风温度。根据反馈控制电路信号数值，PLC控制模块计算温度补偿率的实测值与初始值的偏差值，来进一步调整蒸汽流量的数值。

3 软件设计

上位机数据监控和下位机程序设计，分别应用组态王和编程软件STEP7两种软件进行开发，来提升传统双温包温度调节器调控能力，彰显在取暖工况下船用中央空调器的人性化和智能化。

3.1 PLC控制程序的设计

3.1.1 PLC的工作原理

根据船用中央空调器的运行特点和技术要求，编写控制程序并输入PLC的寄存器，在上位机上输入装置技术参数的初始值。在设定的扫描周期里，通过用户输入设备信号传输，PLC循环性采集系统组成的工作状态和技术指标数据，例如利用温度传感器收集空调送风口和回风口的适时温度值，导入并执行输入映像寄存器上的控制程序，将按一定顺序运行获得的结果数值保存在输出映像寄存器中，所有控制程序执行完毕，PLC将计算结果输入锁存器后，驱动用户输出设备进行周期性数据调整，确保系统被控对象技术参数目标值长期稳定维持在设定的范围内。

3.1.2 PLC控制程序开发

装置启动前，控制系统先检查中央空调器的新风和回风等风门的位置情况，读取锅炉饱和水蒸气的温度值，开启蒸气阀，对空调器的加热器进行预热，达到设定的温度后，起动风机，开始向空调舱室提供暖风，最后再经过加湿器的加湿作用，中央空调器就正式开启取暖工况。装置正常运行中，温度控制系统定期检测空调器新风口的温度变化值，即感受大气环境温度条件的变化。若大气环境温度下降即温差变大时，则空调器出风口的温度随之下降，温度控制器的温度补偿率数值减小，这种情况下空调舱室的温度将大幅度下降而短时间内无法满足船员的生活要求。出现这种情况时，控制系统将根据温度补偿率数值的变化，即时开大加热器蒸气阀的开度，增加水蒸气的流量，提高空调器出口的送风温度，确保温度补偿率数值的稳定，才能保证空调舱室温度符合要求。

如图2所示，取暖工况下，温度调节器的控制系统借助传感器和开关元件等自动化元件，实时测量空调装置运行的模拟信号数值，经过模数转换后产生数字信号输入PLC，为此PLC运行用户程序进行PID运算，把运算后的结果作为输出信号来驱动执行机构，对空调装置的技术参数和开关量进行针对性调节，最后把调节后的装置运行结果进行反馈，决定是否继续计算调节循环。其中，温度调节器的控制系统最重要的工作任务是是控制加热器蒸气阀的开度，采集新风口和送风口温度的偏差值，计算装置温度补偿率的实际值，获得与温度补偿率初始值的变化量，以该变化量为依据来调节蒸气阀的开度，实现维持空调舱室温度达到设定要求。

图2 温度调节器控制流程图

1）数据采集

西门子PLC-S7-200系列CPU 226CN拥有2个RS-485串行口，其一串行口连接人机界面TD200触摸屏，通过与触摸屏通信，将装置技术参数初始值和强制I／O点诊断功能等导入PLC，同时把运算的结果在触摸屏上显示出来。CPU 226CN配备光电隔离功能的24路数字量输入和16路数字量输出，借助EM235模拟量输入输出模块，利用温度传感器、湿度传感器和压力传感器等，导入装置实时运行技术参数的模拟信号，转换为数字信号后依照顺序存放在寄存器内，实现数据采集目的。

2）PID运算

如图3所示，建立在西门子PLC-S7-200系列CPU 226CN基础上的温度调节器控制系统，实现中央空调器取暖工况下温度的PID控制。在装置运行技术参数中，温度补偿率是系统实现负反馈控制的核心参数，其计算结果C(t)转化为4～20 mA电流信号，此电流信号经过模数转换成数字信号，作为反馈信号传送回PLC。经过PID计算，可以得到该运算值p(t)与初始值sp(t)两者的温度补偿率偏差e(t)，依据偏差e(t)的计算结果，PLC输出控制信号M(t)，采用电流数值的不同来调节电磁力的大小，从而控制衔铁位置来调整比例阀阀芯的方向和位置，来改变加热蒸气阀的开度，以调整加热器的水蒸气流量，保证温度调节器的温度补偿率C(t)在设定的范围内。

PID输出控制信号M(t) 与温度补偿率偏差e(t)的关系式为：

式(1)中：e(t)=sp(t)一p(t)——温度补偿率偏差；sp(t)——温度补偿率初始值；p(t)——温度补偿率计算值；c(t)——温度调节器温度补偿率；M(t)——PID输出值；M0——输出值初始值，KP——比例控制增益；TI——积分时间常数；TD——微分时间常数。根据温度调节器的性能特点和技术要求，来设定系统开关量和工作参数的测定周期T，从而离散化PID输入输出关系公式，这样来取得系统测定第n次数据时的输出公式为：

式(2)中：T-数据采集周期；n-数据采集次数，n =1，2，3……；e(n)-第n次数据采集后计算所得的温度补偿率偏差；M(n)-第n次数据采集后PID输出值。

3）脉宽调制输出

根据PLC的输出信号，脉宽调制（PWM）将响应并输出相应占空比数值的脉冲宽度信号，来控制模拟电路的工作过程。在船用中央空调器温度调节器控制系统中，依据系统计算反馈的温度补偿率偏差数值，输出周期固定而占空比变化的脉宽调制PWM信号，经过放大电路后该PWM输出信号转换为驱动电磁铁的电流信号，随着PWM占空比的改变，就可以获得持续调节比例线圈的电流信号，实现比例电磁铁全位置输出，这样就确保了加热器蒸气阀的开度连续调节达到改变水蒸气流量目的，完成自动控制温度调节器的温度补偿率在初始值上，最终保证空调舱室的温度一直稳定在设定的范围内。另外，脉宽调制的开关型电路运行方式，大幅度降低了普通电磁阀的发热程度，采用信号反馈和电子补偿等方法，来减少滞环和消减死区的影响，发挥了抗干扰性强和响应速度快等优点。

3.2 人机界面的开发

为实现友好的人机界面，船用中央空调器温度调节器控制系统的上位机，选择PLC-S7-200系列常用文本显示器——TD200，采用工业组态软件进行程序开发。TD200文本显示器，可以适时显示装置技术参数并内嵌数据，也可以由技术人员进行编辑。

4 结论语

研制基于船用中央空调器温度调节器控制系统，充分发挥PLC抗干扰能力强、可靠性好、功能强大和适应性广的优点，快速响应，及时消除稳态偏差，并超前补偿控制环节的滞后，保证装置在取暖工况下长时间为船员创造舒适稳定的居住条件，同时，友好的人机界面，降低了设备运行管理的难度和简化装置的维修手续，契合目前智能无人驾驶船舶的设计理念，可以考虑在其他动力设备的控制系统上推广应用。

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Design and research of double temperature packet temperature regulator based on PLC

Lin Wencheng

(Xiamen ocean vocational and technical college, fujian 361012, Xiamen, China)

TH789

A

1003-4862（2023）08-0012-03

2023-01-09

林文城（1975-），男，副教授。研究方向：船舶辅机自动控制和维护管理。E-mail: jyyxyy@126.com