工業循環冷卻水系統綜合教學實驗平臺設計與實現

李志斌， 劉 暢， 方毅然， 賴寶鵬, 黃啟韜

(上海電力學院 自動化工程學院，上海 200090)

0 引 言

實踐教學不僅能夠調動學生的學習熱情，還能夠催化學生從學習者到實踐者的轉變。從實踐教學的基點出發，選取工藝簡單和原理復雜的對象，作為實驗參考，選取工業循環冷卻水系統作為實驗平臺的設計對象。

工業循環冷卻水系統[1-3]是工業生產中重要的輔助系統，其主要的冷卻介質是水。當吸收廢熱后的冷卻水，流經冷卻塔或其他冷卻設備，達到降溫的目的后，再由水泵及管道設備將其送回換熱器中重復使用。本文以檢測技術、自動控制原理、過程控制原理、熱工基礎、PLC可編程控制技術等多門主要的工科課程為理論基礎，以實際生產中的工業工藝為參照對象。設計出具有監測、控制、交互、模擬等功能的綜合教學實驗平臺，為自動化、測控等相關專業的實踐教學提供新思路和新模式。

1 實驗平臺設計

本文的綜合教學實驗平臺之所以選擇工業循環冷卻水系統為搭建對象，是因為工業循環冷卻水系統不僅具有一般實驗的原理驗證的特性，還具有多數量的監測目標(進出口水溫、水流量、風量等)和豐富的控制對象(散熱風機、水泵、加熱裝置等)。它具有許多傳統實驗所不具備的優點。

本實驗平臺主要構成部分：冷卻塔模型、控制箱、監控系統。它是以可編程邏輯控制器、溫度變送器、電力調整器、加熱器為主體設備搭建而成，其整體設計方案如圖1所示，圖2所示為實驗平臺實物圖。

圖1 循環水系統模擬平臺整體設計方案

圖2 實驗平臺實物圖

1.1 冷卻塔模型設計

本實驗平臺的冷卻塔模型主要是模擬工業循環冷卻水系統中的冷卻塔部分，其首要作用是為循環冷卻水與空氣進行熱交換提供場所。該模型的主要組成部件有淋水填料、淋水管道、散熱風機等。其中模型的結構采用開式橫流的方式設計，能夠提高冷卻塔腔內空氣流動速度，利于對塔身維護，并且所占地面積小，相比于同類型的其他設計方式具有較高的經濟性。

冷卻塔的塔體主要材料是PPS塑料板。在塔體的內部設計了2塊可活動的隔板，隔板的作用是將冷卻塔形成3個并聯的冷卻塔群，如果將隔板抽走，則會形成一個共腔的冷卻塔。這種靈活的塔體構架具有以下特點：①冷卻塔模型更加逼真，使得實驗結論更加準確。②采用模塊化設計，方便模型組裝。③可以同時研究單塔和塔組的熱力性能。塔腔中填滿親水性強的薄膜式填料，是另一個重要的冷卻部件。在重力的作用下，塔內的熱水從塔頂部向下流動，并在淋水填料上淋灑成一層水膜，以增大與空氣的接觸面積和時間，使得水溫迅速下降，提升塔腔內的冷卻速率。水箱的管道配水系統是以提高水壓的調節性為目的，主要由配水干管、配水管及配水噴頭組成。在配水管選擇上，力求配水均勻的原則。并且根據水在管道中的流動有逐漸減少的特性，選取漸縮的管道。在冷卻塔的頂部安裝了3個散熱風機，它是整個冷卻系統中的重要裝置。在冷卻塔中加裝散熱風機，其目的是為了提高冷卻塔塔腔內的空氣流動速度，增加冷卻塔的冷卻效率。

1.2 控制箱設計

控制箱主要是裝載實驗平臺的電氣控制器件，其核心控制部件是菲尼克斯ILC130型號的PLC，操作人員將編寫好的程序下裝到PLC中，對實驗平臺內的被控部件下達指令，使其做出相應的動作。在本實驗平臺中，其主要控制對象是：風量、水流量、加熱器的功率，其中風量的調節范圍為0～8 325 L/min，水流量的受控范圍為0～7 L/min，功率的調節范圍為0～3 kW。控制箱內的熱電阻實現對冷卻塔進、出口水溫采集，采集后的溫度經溫度變送器將其模擬信號轉變成電信號，傳送給執行機構，并完成控制任務。電力調整器在控制電路中通過輸入信號來調節加熱器的功率，從而實現對冷卻塔進水水溫的初步控制。系統受控過程如圖3所示。

圖3 系統受控過程

1.3 監控系統設計

整個實驗平臺需要上位機對其進行實時監控，不僅能夠實現實驗數據的采集和記錄，而且能提供一個可操作的人機交互界面。為了保證實驗平臺在進行實驗過程中正常運行，上位機的監控系統設計具有自動和手動控制功能，即在自動檔位時，不需要任何人工干預，控制器能夠自動按照程序設定，對被控對象進行相應的操作。在手動控制方式下，可以人為地控制各個受控模塊。同時自動和手動之間可以合理切換，避免監控系統在工作中出現差錯。

上位機的監控系統的人機界面，是以MCGS組態軟件作為監控界面的開發平臺，并利用莫迪康Modbus TCP實現MCGS與PLC之間的數據通信。上位機界面主要任務是實驗參數的設置、實驗監控、實驗數據的采集和處理。根據實驗平臺的要求，主要有以下幾個功能界面。

(1)系統主界面。顯示整個循環冷卻水實驗平臺監控系統的主界面，在此界面下可以完成對加熱器的開關，對實驗平臺電源的開關，對系統手動控制方式和自動控制方式之間的切換，實時監視實驗平臺的運行狀態和相關參數的顯示。監控系統的主界面如圖4所示。

圖4 監控系統的主界面

(2)參數設置界面。實現對冷卻塔的進水溫、出水溫、循環水的水流量、散熱風機的風速等相關實驗參數的設置，并且給出參數設置的上下限。

(3)風機狀態界面。該界面主要實時監控風機的運行狀況，利用信號燈的狀態來顯示風機是否運行。并且界面中每個風機的開關按鈕，實現對各個風機啟停操作。

(4)復合曲線界面。在實驗實際操作中，平臺中的給水溫和回水溫呈現動態變化。該界面不僅記錄實驗水溫的變化數據，而且能夠將記錄的數據和對應的時間復合成曲線，直觀的表現出二者的數學關系。

(5)傳感校正界面。在進行實驗操作的過程中，由于受到主客觀因素的影響，實驗平臺會存在系統誤差。該界面能夠顯示設置量、實測量和偏差，方便誤差消除和實驗結果的精確計算。

(6)登錄管理界面。由于系統具有不同的操作等級，不同等級的用戶擁有不同等級的操作權限。為了防止用戶越權操作，設計了該管理界面。

2 實驗平臺實踐教學應用

工業循環冷卻水系統綜合教學實驗平臺是以提高學生的綜合素質為目的，以發展學生的創新精神與實踐能力為宗旨，以融合教學內容和工程能力為準則的實踐訓練體系[4-5]。基于本實驗平臺設計出以下具有專業學科交叉和培養技術應用特點[6]的課程實驗。

2.1 模擬火電廠循環水系統性能優化實驗

本實驗設計主要依據凝汽器的最佳真空[7-11]作為火電廠循環水系統運行優劣的標準。制定模型的性能評判準則，優化不同的系統負荷下循環水泵的工作方式。

本設計基于貼近實際發電情況下循環冷卻水的熱交換過程，通過對系統進行性能優化判定，使學生能夠更好地掌握火電廠循環水系統性能優化的技術和方法。

(1) 建立目標函數。基于凝汽器的最佳真空的定義，確定汽輪機功率增量和循環水泵的功率增量之差最大值為目標函數。

(2) 模型計算。在實驗平臺中，加熱器模擬汽輪機和凝汽器部分。需要將凝汽器的熱力特性、汽輪機的通用曲線轉換成計算模塊，確立水溫與功率增量的關系。熟悉火電廠動力部分的熱力計算和數學轉換。

(3) 參數設置。在實驗平臺中利用加熱器的熱負荷模擬汽輪機的工作負荷。通過對負荷的調節，得出該負荷下水泵的最優工況。了解電廠水循環系統的優化原理。

(4) 程序編寫及實現。將計算公式編寫入PLC中，使得模擬汽輪機變負荷工作時，循環水泵在最優額定工況下運行。

2.2 PID參數調節溫度控制實驗

本實驗主要針對循環冷卻水的進、出口溫差進行控制。利用傳統的PID控制器實現對水溫的調節，更進一步，采用模糊控制理論實現對冷卻水溫度的自動調節[12-16]。

通過此次實驗，主要使學生在面對復雜的工業系統時，綜合分析系統的組成、工作原理和控制目的，提出相應的控制策略，能夠使其滿足基本的控制要求。在處理一些非線性特性強、參數變化大、數學模型不清晰的系統時，給出一種實際工程上比較普遍的方法。

(1) 模型建立。確定系統的輸入量、輸出量，將實驗平臺滿負荷運作時，記錄輸入、輸出的實驗數據，建立輸入量、輸出量的微分方程，對微分方程進行拉氏變換求得系統的傳遞函數。在數學建模過程中，使學生掌握數學手段處理工程中的變量關系。

(2) 模型仿真。在Simulink中仿真出PID控制器對系統傳遞函數的控制。掌握系統仿真對模型的分析和評價，以及PID參數調節的方法和步驟。

(3) 庫文件加載到PLC。將Simulink中PID控制模型離散化，利用Simulink PLC Coder工具將模塊轉化成PLC所要求的特定文件，并加載到PLC中。熟悉掌握Simulink開發PLC控制算法程序。

(4) 程序運行。下裝好程序，將平臺通電調試。

(5) 控制算法改進。依據模糊控制理論，設計和編寫模糊控制器，將模糊PID控制器編譯入PLC中進行實驗測試。熟悉掌握模糊控制器的設計要領，分析模糊PID控制器與經典PID控制器的區別。

3 結 語

本文介紹了工業循環冷卻水系統綜合教學實驗平臺的相關設計，通過PLC控制，MCGS上位機的顯示和參數設置，將PLC的邏輯功能與組態軟件的延續性和擴充性相結合，功能豐富，系統可控性好，處理能力強，是一個理論與實踐無縫融合的實驗操作平臺。并且依據實驗平臺，設計出相關的實驗項目，可以使學生通過實驗的模擬平臺與實際工程相結合，加強同學對工業應用中循環水的控制理論與控制策略選擇等方面學習和研究。該實驗平臺現已應用于實踐教學中。從教學反饋的信息中表明，該實驗平臺不僅完成了教學任務，還為學生提供了創新的實踐環境。

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