一種液氮輸送控制系統的改進設計

鄭艷鵬，蘇東

（中國科學院上海高等研究院，上海 201800）

無論在人們的生活、工業生產，還是在科研活動 中，溫度物理量都扮演著重要的角色。隨著人們對溫度的控制要求越來越多，溫度的控制方法也呈現出了多樣性。例如：楊春麗將PWM 技術應用在了溫控風冷系統[1]；劉談平等人將PID+PWM 應用在了溫控電源的設計[2]；王猛等人將模糊控制應用在了燃氣熱處理爐控制系統中[3]。而上海光源原有的液氮循環機組的液氮輸送控制器采用現成的溫控儀通過內置的PID 溫度控制算法進行溫度控制。這種控制器對于常見的小功率加熱器來說控溫精度較好，具有一定的應用價值。但對于低溫液氮來說，使用該控制器，控制低溫電磁閥的通斷，存在以下缺點：算法單一，只能選擇合適的負載匹配該控制器；對于大慣性負載并不適用；而且溫控器一般采用按鍵控制、數碼管顯示，操作感和視覺感差、當出現報警時需要查代碼，不利于故障排除；內部繼電器開通容易產生電火花、壽命短。針對以上缺點，設計出了一種改進的液氮輸送系統。來給上海光源的液氮循環機組提供不斷的液氮供其使用。由于液氮輸送系統對管路的溫度控制要求不高，超調量為±10 ℃。所以根據其控制要求設計出了一種溫度區間控制算法，這種方法可以改進現成的溫控儀超調嚴重、不穩定等問題。另外當發生故障時，界面能顯示故障信息，摒棄了溫控儀排查故障繁瑣的問題。

新控制系統通過固態繼電器來控制電磁閥的通斷，具有壽命長響應速度快、不產生電火花的優點。采用觸摸屏監測數據更清晰、操作感好，更加智能化。系統還增加了電壓、電流數據監測、電磁閥開通次數統計等功能均能在界面實現監控。而且，系統還能將本地數據傳送于其他控制器。由此可以看出，改進的控制系統更具優勢，值得進一步的推廣與應用。

圖1 液氮循環機組和液氮輸送控制器

1 控制系統的總體設計

1.1 液氮循環機組簡介

液氮循環機組靠液氮泵，通過液氮管路可以給像單色器這樣的高熱部件降溫。系統利用PID 控制算法控制換熱器的開通與關斷，使系統工作在2 bar甚至更高的壓力下，以此來提高液氮的沸點，保證液氮不沸騰。在壓力穩定的條件下，系統可以保持流量的穩定，使液氮循環機組工作在極其穩定的狀態，持續冷卻單色器，并使兩端的溫度維持在77 K 左右。

液氮輸送控制器是為了使液氮循環機組在液氮不足時，進行補液，為液氮循環機組提供不斷的液氮供其使用。

1.2 液氮輸送控制系統設計

由于上海光源的液氮存儲在距離液氮循環機組較遠的位置約600 m，液氮屬于低溫液體易于揮發，所以液氮通過真空管路進行傳輸。管路較長時，到達液氮循環機組需要的時間也相對較長，液氮輸送控制系統設計目的就是為了縮短供液時間，使液氮循環機組不斷液。新舊液氮輸送控制系統原理框圖如圖2 所示。對應的舊系統實物圖和新系統操作界面如圖3所示。其工作原理是通過現成的溫控器采集溫度，然后通過內部PID控制算法，去控制中間繼電器的通斷，從而控制電磁閥的通斷，進而控制管內溫度的高低。從圖3(a)中可以看出設定溫度為-30 ℃，當前溫度為-80 ℃，兩者溫度相差50 ℃，控溫效果不佳，超調量較大。

圖2 新舊液氮輸送控制系統原理框圖

圖3 舊系統實物圖和新系統操作界面圖

對舊控制系統進行改進，具體要求如下：系統溫度檢測范圍（-199 ℃～室溫），溫度超調范圍（±10 ℃）；系統兼有開關量與模擬量（電壓、電流、溫度）采集和人機交互功能。根據以上要求，設計出改進的系統原理框圖，如圖2(b)所示。與之對應的人機界面如圖3(b)所示。從圖2(b)中可以看出，整個控制系統主要由PLC 觸摸屏一體機、固態繼電器、電壓、電流、溫度變送器、指示燈、聲光報警器和24 V 直流電源等構成。其中，PLC 觸摸屏一體機為系統的核心，它集成有3路模數（ADC）接口、3路數模（DAC）接口，還有16路高速脈沖輸出接口和10 路繼電器輸出接口、24路數字量輸入接口。該控制系統只需要3 路DO 輸出、3 路ADC，1 路DAC，所以完全滿足系統的需求。改進的控制系統的工作原理：電壓、電流和溫度變送器，將電壓、電流和溫度信號轉換成0～10 V 的電壓信號，送入ADC 接口。通過CPU 計算,處理0～10 V 模擬量轉換程序，變換成人們容易識別的溫度、電壓、電流數據，通過組態軟件中的顯示控件進行組態，就能得到圖3(b)新系統操作界面。利用讀取到的實際溫度寄存器，通過編寫溫度控制程序，控制電磁閥的開通與關閉就可以控制液氮管路內的溫度。當需要發出警報時，軟件編程使DO3 輸出點置1，并促使相應的組態報警控件和滾動報警控件工作，從而實現了蜂鳴器報警和界面的報警功能。

與舊控制系統相比較，新改進的控制系統具有明顯的優勢，具體體現在：新控制系統中低溫電磁閥的中轉器件采用固態繼電器，解決了電磁繼電器容易出現電火花、壽命短的問題；采用可編程智能多功能溫度變送器采集溫度信號，它支持S 和R 型熱電偶（0～1 600 ℃）、B 型熱電偶（200～1 800 ℃）、K 和N 型熱電偶（0～1 300 ℃）、E 型熱電偶（-200～850 ℃）、J 型熱電偶（0～650 ℃）、T 型熱電偶（-200～400 ℃），也支持Pt100（-199～600℃）和Cu50 熱電阻（-50～150 ℃）等多種溫度傳感器，編程器可更改傳感器種類，有更好的靈活適用性。

1.3 電氣原理圖設計

液氮輸送系統的舊控制系統和新控制系統電氣原理圖分別如圖4（a）和（b）所示。相比較而言，新控制系統更加復雜，主要區別體現在舊控制系統采用現成的溫控器，對系統進行控制。而改進的控制系統采用可編程的PLC 一體機作為控制器，適用于更加復雜的系統，在線可編程是現成功能，是溫控器不可比擬的。圖（b）中還設計出了ADC 與遠程控制器的接口電路，通過編程，可以與遠程控制器交換本地溫度、電壓、電流等數據。

圖4 新舊系統電氣原理圖

2 控制系統的軟件設計

2.1 模數與數模轉換

軟件設計主要完成電壓、電流、溫度的模數轉換，再通過本地控制器DAC 接口連接另一個控制器的ADC 接口實現遠程數據傳輸。還包括電磁閥自動控制和報警程序的編寫還有系統的人機界面的設計。電壓、電流和溫度轉換程序是將外部的電壓、電流、溫度信號轉換成0～10 V 的電壓信號[9-10]，通過PLC 觸摸屏一體機的模擬量輸入AI 接口，溫度變送器參數是將模擬量0～10 V 對應0～4 095 的數字量，所以需要將數字量轉換成-199～600 ℃，這樣就可以調用溫度顯示寄存器D120，然后經人機界面顯示出來。模擬量與溫度的轉換計算如式（1）[11-12]所示：

式中，Tpv為轉換后的實際溫度值，D9012 為轉換成的數字量，由于為12 位轉換器，所以D9012 的最大值為4 095，將Tpv的值賦給D120，它存儲的就是當前溫度值。

電壓變送器參數是0～10 V，對應0～380 V，模擬量與電壓的轉換計算如式（2）[13]所示：

電流變送器參數是0～10 V 對應0～10 A，模擬量與電壓的轉換計算如式（3）[14]所示：

式（2）中，Vo為 負載電壓D9013 為0～380 V 轉換成的對應數字量存儲寄存器，式（3）中Io為負載電流，D9014 為0～10 V 轉換成的對應數字量存儲寄存器[15-16]。將Vo的值賦給D360 來存儲電壓值，Io賦給D450 存儲電流值，供后續的控制程序設計使用。

由于控制器DAC 接口是將0～10 000 轉化成0～10 V 輸出，所以要實現遠距離溫度、電壓、電流數據的傳輸，需要對D9012、D9013 和D9014 同比例放大，放大倍數為βAP=10 000/4 095，這樣就可以利用式（1）-（3）的公式和同樣的編程思路，在另一個控制器中讀取到所要的本地電壓、電流、溫度等數據[17-20]。

2.2 控制程序流程圖設計

編寫程序之前要合理分配軟件控制系統中應用到的寄存器、數位功能等變量，來供后續的編程使用。軟件系統主要變量分配表如表1 所示。

表1 變量分配

寄存器分配好后，需要編寫溫度的轉換、電壓電流的轉換、數位報警、計數、溫度控制程序。由于控制器內部D9012 存儲器，存儲的是外部溫度信號轉換成數字量的值，利用這個數據可以將它進行轉存并處理，根據2.1 小節中的式（1）將D9012 進行轉換，最后轉換成實際溫度值，并將結果存儲于D120 中。值得說明的是，溫度的轉換與電壓、電流的轉換程序類似，可根據式（2）和式（3）編寫電壓電流轉換程序，具體的實現流程如圖5 所示。

圖5 控制系統流程圖

當系統發生報警時，觸發表1 中M500-M506 的位變量，這7 個位元件分別對應一種報警，當比較關系成立時置位對應的位變量，然后在界面進行組態就能夠實現界面報警文字提示。

當電壓存儲值寄存器D360≥240 V時觸發M502，根據表1，界面可出現監測電壓過高的提示。同樣的方法可以觸發表格中的任意位變量的報警內容。

在改進的系統中，核心是控制電磁閥的開通與關閉，來控制液氮管路中的溫度。具體的實現方法流程圖如圖5 所示，溫度控制程序如圖6 所示，設D650 為關閉溫度，D200 為開啟溫度，并且D200≥D650，即當實際溫度值D120≥D200（開啟溫度）時，必有D120≥D650。假設D650=-100 ℃，D200=-90 ℃，D120 為室溫28 ℃。此時，圖5 中判斷程序語句＞=D120 D650,＞=D120 D200 均滿足Y0 閉合，電磁閥開啟。同時Y0 觸點閉合，液氮開始流入管道，溫度開始降低，當D120低于-90 ℃時，＞=D120 D200不滿足斷開，但是＞=D120 D650 仍然滿足，直到D120＜-100 ℃時，電磁閥斷開，此時管道內的溫度開始上升，直到D120＞-90 ℃時，開始重復上一個控制流程。

圖6 溫度控制程序

3 溫控過程曲線與分析

3.1 溫控過程曲線對比

針對上海光源現有的液氮溫控箱和改進的液氮控制箱運行情況，得出實時監測的溫度過程曲線。為了呈現鮮明的對比，將兩種控制方法的穩態溫度過程曲線繪制于同一圖中，圖7 中粗曲線為該文改進控制器，開啟溫度與關閉溫度設定區間為[-84 ℃,-93 ℃]時的溫度響應曲線。細曲線為舊控制器PID 算法，在溫度設定值為-90 ℃時的溫度響應曲線。

圖7 溫度過程曲線對比

3.2 分析

該文采用溫度控制區間方法。圖7 中，從該文方法的溫度響應曲線可以看出，設置的溫度控制區間為[-84 ℃,-93 ℃]，當溫度高于-84 ℃時，低溫電磁閥（Y0）打開，但是不能瞬間使溫度降低，在超過T1max-83 ℃時，液氮開始迅速流入，溫度快速下降，當溫度達到-93 ℃時，Y0 關閉，達到-94.5 ℃時，才會出現拐點，溫度又再次回升，周而復始。并且可知，最低溫度T1min達到-96 ℃，在電磁閥由打開到關閉時，液氮的溫度超調較大，為2.5 ℃，由于是溫度區間控制，所以每個周期的波形幾乎一樣，控制較為穩定。

在圖7 中舊控制器控制方法響應曲線中，設定的目標溫度T2set為-90 ℃，從圖中可以看出，T2max為響應過程中最高溫度-85 ℃，T2min為最低溫度-92 ℃，溫度超調可達7 ℃，并且存在失控現象，失控后管路溫度急劇下降，最后朝著液氮的溫度逼近。

兩者差異之處：PID 控制方法由于開通與關閉時間的不固定導致波形的紋波較大。并且在實際應用中發現電磁閥的溫控區間差值在2 ℃以上時，通斷次數明顯比PID 控制方法的通斷次數少，溫差區間越大開通頻率越低，這有利于延長低溫電磁的使用壽命。由此可得出結論，舊控制器的PID 算法容易發生失控現象，電磁閥通斷次數不可控，不太適用于液氮電磁閥的開關控制。

4 結束語

通過比較舊控制系統與改進的控制系統，改進的系統操作更加便捷與智能化。發生故障時，界面能給予提示，方便排查故障；從控制方式來看，區間控制方法更適用于大慣性的負載，不會發生失控現象，運行更加穩定；并且系統通過DA 轉換接口可以連接另一個控制器的AD 接口，實現遠程數據的讀取。可以方便傳輸溫度、電壓、電流參數到其他的控制柜進行監測，提高了系統的擴展性。當然，該系統功能還有待完善，可以加入物聯網模塊，增加手機監控、下發短信等功能，這樣系統會更加智能化，有利于系統的維護和設備的管理。