基于PLC的吸濕轉輪試驗臺設計

郝秀淵，耿世彬

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

基于PLC的吸濕轉輪試驗臺設計

郝秀淵，耿世彬

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京210007)

為研究吸濕轉輪的運行參數(再生空氣溫度、轉輪轉速、再生空氣風量、處理空氣風量)和結構參數對再生空氣經過轉輪前后含濕量差的影響，設計了控制系統以西門子PLCS7-200和觸摸屏結合的試驗臺。介紹了試驗臺的組成部分、系統電路設計、控制系統軟件設計。實際試驗表明，設計的試驗臺操作簡單、性能可靠、數據采集方便、人機交互友好，可以完成吸濕轉輪富集水蒸氣試驗研究。

吸濕轉輪；可編程邏輯控制器；觸摸屏；變頻器

0 引言

淡水資源是人類生產和生活所必需的資源，為了解決高山哨所、邊防海島、艦船、戈壁灘等地區飲用水困難的問題，科研人員提出空氣取水的方式[1-3]，但在荒漠戈壁灘地區空氣中含水量低，直接從空氣中獲取液態水非常困難，因此提出吸濕解析(轉輪吸濕)和冷凍結露結合的取水方案，即先通過吸濕轉輪處理新風，把新風中的水分富集到硅膠轉輪中，再用小風量的高溫空氣通過轉輪使轉輪中的水分解析，獲得高含濕量空氣，最后用表冷器處理高濕空氣得到液態水[4]，其中利用吸濕轉輪富集水蒸氣是整個取水方案中關鍵的環節。

目前，國內外關于轉輪除濕的研究主要集中在以下三個方面：(1)固體吸濕材料的種類及其物性特征的研究[5-7]；(2)轉輪傳熱傳質模型的建立[8]；(3)轉輪運行參數(再生空氣溫度、轉輪轉速、再生空氣風量、處理空氣風量)對處理空氣出口溫度和濕度的影響[9]。其評價指標均只與處理空氣出口狀態相關，而利用吸濕轉輪富集新風中的水蒸氣需要研究的對象為再生空氣出口的狀態。因此為研究不同環境工況下，吸濕轉輪的運行參數和結構參數(吸濕轉輪再生角度)分別對再生空氣通過吸濕轉輪前后含濕量差的影響，以及這些因素同時變化時對含濕量差的影響規律，本文設計了基于PLC(Programmable Logic Controller)的吸濕轉輪試驗臺。

1 吸濕轉輪試驗臺簡介

吸濕轉輪特性試驗臺由試驗裝置部分和PLC控制系統組成。其工作原理為吸濕轉輪在驅動電機的驅動下保持低速旋轉，新風先通過粗效過濾器然后進入轉輪吸濕區，與轉輪中的吸附劑進行熱質交換，由于吸附劑表面水蒸氣分壓力低于新風中水蒸氣分壓力，水蒸氣被富集到轉輪干燥劑中，剩余的干燥空氣被排到室外；與此同時再生空氣在再生風機的作用下，經過加熱器加熱變為高溫再生空氣進入轉輪再生區，由于吸附劑表面水蒸氣分壓力高于再生空氣中的水蒸氣分壓力，在水蒸氣壓力差的作用下，吸附劑中的水分解析進入再生空氣，得到高濕再生空氣，同時轉輪重新獲得吸濕能力。兩種過程不斷地反復交替，所以吸濕轉輪具有連續富集水蒸氣的能力。

吸濕轉輪試驗臺裝置示意圖如圖1所示，試驗臺安裝有4個溫濕度傳感器，用來監測再生空氣和處理空氣通過吸濕轉輪前后的溫濕度值，溫度傳感器用來測量經過PTC加熱器后的再生空氣溫度。在一定環境工況下，改變吸濕轉輪試驗臺運行參數和結構參數，讀取再生風道2個溫濕度傳感器示數計算得到含濕量差值，研究各參數對轉輪富集水蒸氣效果的影響。

圖1 試驗裝置示意圖

2 硬件設計

吸濕轉輪試驗臺的硬件構成如圖2所示。

圖2 系統構成

2.1硬件選擇

(1)PLC的選擇。根據試驗要求，需測得處理空氣經過吸濕轉輪前后的溫濕度、再生空氣經過PTC加熱器前的溫濕度、再生空氣經過PTC加熱器后的溫度以及再生空氣經過吸濕轉輪后的溫濕度，總計有9個模擬量輸入；還有4個開關量輸入和6個開關量輸出。綜合考慮可編程控制器，選用西門子S7-200SN系列，型號為CPU224CN，供電方式為AC電源，它集成了14點輸入/10點輸出，總計有24個數字量輸入/輸出，最多可擴展7個模擬模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或35路模擬量I/O點，內置模擬量調整器，配有1個RS45通信/編程口，具有PPI通信協議、MPI通信協議和自由方式通信能力，是具有較強控制能力的小型控制器[10]。

(2)溫濕度傳感器的選擇。試驗過程中測量的空氣溫濕度均處于正常范圍，選用4個EE160-HT6，其濕度敏感元件為HCT01-00D，具有長期穩定的特點，工作范圍為0～100%RH，在環境溫度為20 ℃時精度為±0.5%RH；其溫度敏感元件為Pt1000，工作范圍為-20～+80 ℃，20 ℃時精度為0.1 ℃，供電方式為DC24 V，輸出信號均為4～20 mA。因為經過加熱器后的再生空氣為高溫氣體，所以選用1個溫度敏感元件為Pt100的WZP-230鉑熱電阻，其測溫范圍為-50～+250 ℃，符合工作環境要求。

(3)模擬量輸入模塊。由溫度傳感器和溫濕度傳感器測量的溫濕度值以模擬電流信號方式輸出，而本系統選用的西門子PLC只能處理數字信號，因此選用3個西門子EM231CN模擬量輸入模塊，將溫濕度傳感器輸入的模擬信號轉換成數字信號，再通過MPI通信協議傳輸給PLC224。

(4)變頻器選擇。為了滿足試驗要求，對處理風機和再生風機風量實現無極調節，本系統選用2臺奧圣電氣ASB53XH磁通量控制變頻器，可通過操作鍵盤對風機進行變頻操作，頻率顯示在變頻器數字面板上，最后利用風量罩測得處理新風風量和再生空氣風量。

(5) PTC型陶瓷加熱器。為了保證再生溫度梯度，選用3組PTC型陶瓷加熱器，每組加熱器的功率分別為15 kW、10 kW、5 kW，設計滿足當再生空氣風量最大為1 500 m3/h、再生空氣初始溫度為20 ℃時，仍然可以將再生空氣溫度加熱到140 ℃。PTC加熱器特點為成本低、壽命長、安全、綠色環保。

(6)吸濕轉輪驅動電機。選用佳雪微特齒輪減速電子調速三相電容運轉異步電動機，型號為90YYJT90-3，功率為90 W，轉速為1 350 r/min，齒輪減速器的型號為90-GS-150，電動機連接電子無極速度控制器，轉輪驅動電機和吸濕轉輪之間使用皮帶傳動，通過旋鈕調節可變電阻的阻值可實現吸濕轉輪轉速調節。

2.2系統電路設計

系統電路設計如圖3所示，試驗臺主體部分使用380 V 交流電，電路中安裝相序保護器確保相序連接正確，防止風機倒轉發生故障；系統分別通過6個斷路器為處理風機、再生風機、轉輪驅動電機、報警器、散熱風扇和PTC陶瓷加熱器供電；在處理風機、再生風機、轉輪驅動電機、加熱器和警報器前都安裝接觸器，由PLC數字輸出信號控制，當系統處于異常工作狀態時，警報器就會發出蜂鳴聲；新風風機和再生風機前還安裝了熱過載繼電器，作為風機的過載保護；開關電源YK-S-60W-24采用PWM技術和電路拓撲結構，具有效率高、穩定度高和抗干擾能力強等特點，可將AC220 V轉變為DC24 V，為觸摸屏、PLC和模擬量輸入模塊供電。

3 軟件設計

3.1PLC程序設計

PLC軟件設計采用西門子S7-200編程軟件STEP7-MicroWIN SP9，該軟件功能齊全，不僅能夠進行程序的設計研發，而且能對程序的執行過程進行實時監測[11]。

3.1.1轉輪轉速測量

除濕轉輪外周上平均分布4個金屬檢測體，在轉輪旋轉過程中，每個檢測靠近接近開關時，接近開關會向PLC傳輸一個數字信號，PLC通過2個信號時差運算得出轉輪轉速，程序梯形圖如圖4所示。

圖3 系統電路設計圖

圖4 轉輪測速梯形圖

3.1.2再生溫度控制

PLC溫度控制技術一般分為定值開關控溫法、PID控溫法、智能溫度控制法3種[12]，本系統中加熱器已經分為3組不同功率的再生加熱源，因此采用定值開關溫控法。圖5所示梯形圖只是控制再生溫度加熱的一部分，啟動試驗臺設置再生溫度后，3組PTC陶瓷加熱器同時開啟，當再生溫度傳感器采集的再生溫度距設置溫度10 ℃時，PLC發出指令關閉輔加熱器2，當溫度差變為5 ℃時關閉輔加熱器1，當溫度超過設置再生溫度5 ℃時關閉主加熱器；當再生溫度降至距設置溫度2 ℃時，開啟主加熱器，當比設置溫度低7 ℃時，開啟輔加熱器1，當低于 13 ℃時，開啟輔加熱器2。

圖5 主加熱器控制梯形圖

3.1.3試驗臺報警控制

試驗臺運行過程中，發生傳感器故障、再生溫度超過設定值175 ℃時，設備繼續運轉，報警器發出蜂鳴聲；當發生處理風機、再生風機和轉輪電機過載，系統則停機報警。兩種報警情況均需要手動解除警報才能重新啟動試驗臺。

3.1.4試驗臺停機控制

停止試驗臺時，系統馬上關閉加熱器同時檢測再生溫度，當超過60 ℃時，處理風機、再生風機和吸濕轉輪繼續運行降低機組溫度，直到低于保護溫度60 ℃時，測試臺停止運行。圖6為吸濕轉輪試驗臺停機的梯形圖。

圖6 系統停機的梯形圖

3.2觸摸屏設計

觸摸屏采用昆侖通泰嵌入式一體化觸摸屏，型號為TPC7062Ti，屏幕分辨率為800×480的7英寸液晶顯示屏，有1個RS485串型通信接口，通過PC/PPI電纜連接西門子PLC224實現數據傳輸[13]。觸摸屏軟件設計使用昆侖通泰MCGS7.7嵌入版組態軟件進行編輯，使觸摸屏具有友好的人機交互操作界面。在觸摸屏操作界面有系統啟動/停止按鈕控制系統起停，還可以設置轉輪再生溫度；監控界面可以實時監測處理空氣進口溫濕度、處理空氣出口溫濕度、再生空氣進口溫濕度、再生空氣出口溫濕度、再生空氣經過加熱器后的溫度和轉輪轉速等試驗數據，還可以查看歷史數據曲線，并且支持測試數據通過USB接口導出；當系統出現故障時，可通過觸摸屏查看故障源，觸摸屏界面如圖7所示。

圖7 觸摸屏主界面

4 結論

試驗研究表明，通過觸摸屏設置再生溫度可以實現再生空氣溫度梯度變化；通過調節可變電阻旋鈕可以實現吸濕轉輪轉速由5 r/h～40 r/h無級調節；通過操作變頻器的操作鍵盤可以實現處理風機和再生風機的變風量調節；通過安裝拆換風道模塊可以改變吸濕轉輪再生角度，分別為90°、120°、150°和180°；系統能夠將試驗臺運行過程中接近開關采集的數字信號和溫濕度傳感器、溫度傳感器采集的模擬信號通過A/D模塊轉換后輸入PLC處理運算，最后轉輪轉速和溫濕度以可視化的形式呈現在觸摸屏上。

圖8～圖10是通過搭建的試驗臺測得的試驗數據，分別表示再生溫度、轉輪轉速和再生角度對再生空氣進出口含濕量差的影響。測試過程中試驗臺運行穩定，參數調整方便，數據采集準確，延時停機系統運行正常。

圖8 再生溫度對含濕量差的影響

圖9 轉輪轉速對含濕量的影響

圖10 再生角度對含濕量差的影響

本文設計的吸濕轉輪試驗臺成功實現了以西門子PLC S7-200和觸摸屏結合的控制方式。試驗臺具有操作簡單、實時監控、生成曲線圖像、自動報警等功能，為完成吸濕轉輪富集水蒸氣單因素試驗和多因素正交試驗提供了保障。

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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

郝秀淵，耿世彬.基于PLC的吸濕轉輪試驗臺設計J.微型機與應用，2017,36(21)：92-95,99.

2017-06-13)

郝秀淵(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：地下空間熱濕傳遞理論。

耿世彬(1965-)，男，博士，教授，主要研究方向：地下空間內部環境保障技術。