摘  要： 設計了一套基于工業(yè)空調(diào)的儀表測量與過程控制實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)由實驗對象、儀表測量系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)既可實現(xiàn)溫度、壓力、流量、液位等過程參數(shù)的測量與顯示，又可實現(xiàn)冷風溫度、出風溫度、出風壓力的自動控制。對系統(tǒng)進行適當改造和擴展，可實現(xiàn)水箱液位、冷凍水流量、出風流量的自動控制和出風溫度的分程控制。本實驗系統(tǒng)適應生產(chǎn)過程自動化發(fā)展和高校教學改革需要，滿足不同層次儀表測量與過程控制類實驗教學和科學研究需要，有利于提高教育教學質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞： 工業(yè)空調(diào)；儀表測量；過程控制；實驗系統(tǒng)

0 引言

　　隨著生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展，對自動化專業(yè)人才的要求越來越高，高校作為培養(yǎng)自動化高級人才的基地，在提高教育教學質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量上，應該不斷地進行改革創(chuàng)新，使培養(yǎng)的自動化專業(yè)人才更容易適應企業(yè)崗位要求，滿足社會對高級自動化人才的需求。

　　本文設計一個基于工業(yè)空調(diào)的儀表測量與過程控制的實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)緊密結(jié)合工程實際，對溫度、壓力等過程變量能實時控制，并可以結(jié)合智能控制理論與計算機控制技術(shù)，對被控量實現(xiàn)智能控制。該系統(tǒng)能滿足高校自動化類專業(yè)的儀表測量與過程控制類實驗教學和科學研究需要。

1 實驗系統(tǒng)的設計

　　實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，由實驗對象、儀表測量系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)組成，實驗對象及控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

　　實驗對象為工業(yè)空調(diào)，由多節(jié)方形風箱、進風機、進風管路、冷卻器、電加熱器、出風管路等組成，還有相應的輔助設備，如：冷凍（卻）水箱、水泵、冷凍水調(diào)節(jié)閥、水管路等。工業(yè)空調(diào)應用廣泛，為學生所熟悉，其工作原理為：外界新風從進風口通過風機進入空調(diào)本體，先經(jīng)冷卻器冷卻，使風的溫度保持一定，然后經(jīng)過電加熱器的加熱，使得出風的壓力、溫度和濕度達到工藝要求。

　　儀表測量系統(tǒng)主要是檢測空調(diào)的運行狀態(tài)，測量儀表安裝位置分現(xiàn)場安裝與控制柜安裝。測量系統(tǒng)現(xiàn)場安裝儀表的作用與選擇為：PI1用于測量送往冷卻器的冷凍水壓力大小，儀表采用量程為0~0.6 Mpa的普通彈簧管壓力表；PI2和PI3分別測量空調(diào)的進風壓力、出風壓力的大小，儀表采用量程為0~0.6 Mpa的膜盒壓力表；TI1用于測量送往冷卻器的冷凍水溫度，儀表采用量程為0~50 ℃的雙金屬溫度計；QI用于測量送往冷卻器的冷凍水量，儀表采用普通水表，可對冷凍水量進行累計；LIA用于水箱液位檢測與報警，儀表采用液位控制器。控制柜安裝的儀表作用與選擇為：MI1和TI2是一整套溫濕度傳感及測量儀表，用于測量空調(diào)器的出風溫度和出風相對濕度，其中MI1用于相對濕度的測量，量程為0~100%，TI2用于溫度的測量，量程為0~150℃；QIJ用于測量送往冷卻器的冷凍水量，采用渦輪流量傳感器+渦輪流量變送器+智能流量計算控制儀的組合儀表，既能對冷凍水量的瞬時值進行顯示，也可對冷凍水量進行累計。

　　儀表控制系統(tǒng)采用智能調(diào)節(jié)器控制，包括冷風溫度控制系統(tǒng)TIC1、出風溫度控制系統(tǒng)TIC2，各系統(tǒng)簡述如下：

　　冷風溫度控制系統(tǒng)TIC1原理圖如圖3所示，由溫度傳感器（Pt100熱電阻）檢測空調(diào)的冷風溫度變化并輸出測量信號y（t）送至溫度調(diào)節(jié)器，在溫度調(diào)節(jié)器內(nèi)測量信號y（t）與設定值x（t）比較后產(chǎn)生偏差信號e（t），然后經(jīng)PID運算后輸出4~20 mA信號送給執(zhí)行器（電動調(diào)節(jié)閥），改變電動調(diào)節(jié)閥的開度使調(diào)節(jié)介質(zhì)（冷凍水量）發(fā)生變化。調(diào)節(jié)介質(zhì)（冷凍水量）變化使冷卻器的散熱能力發(fā)生變化，冷風溫度隨之發(fā)生變化，最終使空調(diào)器的冷風溫度穩(wěn)定在設定值內(nèi)。

　　出風溫度控制系統(tǒng)TIC2的原理圖如圖4所示，由溫度傳感器（K分度熱電偶）檢測空調(diào)器的出風溫度變化并輸出測量信號y（t）送至溫度調(diào)節(jié)器，在溫度調(diào)節(jié)器內(nèi)測量信號y（t）與設定值x（t）比較后產(chǎn)生偏差信號  e（t），然后經(jīng)PID運算后輸出0~10 mA信號送給執(zhí)行器（可控硅調(diào)壓器）改變輸出電壓的高低，可控硅調(diào)壓器輸出電壓的高低使電加熱器的熱量發(fā)生變化，使出風溫度也發(fā)生變化，最終使空調(diào)的出風溫度穩(wěn)定在設定值內(nèi)。

　　變頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)用于控制出風壓力，由壓力傳感器+變送器組合檢測空調(diào)的出風壓力變化并輸出測量值為4~20 mA的信號y（t）送至壓力調(diào)節(jié)器，在壓力調(diào)節(jié)器內(nèi)測量值信號y（t）與設定值x（t）比較后產(chǎn)生偏差信號e（t），然后經(jīng)PID運算后輸出4~20 mA信號送給執(zhí)行器（變頻器+風機組合），改變變頻器輸出頻率使風機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，最終使空調(diào)的出風壓力穩(wěn)定在設定值內(nèi)。

2 實驗系統(tǒng)的特點

　　本實驗系統(tǒng)具有開放性、綜合性、先進性的特點。

　?。?）開放性：本實驗系統(tǒng)可由學生進行儀表系統(tǒng)的設計、安裝、校驗、調(diào)試、運行、監(jiān)控、維護、改造等，在此過程中，學生可進行開放性的學習，同時，能將新的技術(shù)融入系統(tǒng)中。

　?。?）綜合性：本系統(tǒng)融入了自動控制技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)，可進行過程測量與儀表類課程、變頻器技術(shù)、智能控制、組態(tài)軟件應用技術(shù)等課程的教學，不僅能完成不同層次或不同類別的實驗，還能進行設計性、綜合性、創(chuàng)新性的實驗。

　　（3）先進性：本系統(tǒng)運用了變頻調(diào)速控制技術(shù)、智能儀器控制技術(shù)、計算機控制技術(shù)，這些技術(shù)是現(xiàn)代生產(chǎn)過程中較先進的技術(shù)。

3 實驗系統(tǒng)的功能

　　3.1 常用過程參數(shù)的測量

　　本實驗系統(tǒng)可測量的過程參數(shù)有：溫度（TI1、TI2、TIC1、TIC2）、壓力（PI1、PI2、PIC）、流量（QI、QIJ）、液位（LIA）、濕度（MI1）。

　　3.2 壓力控制

　　出風壓力可由壓力調(diào)節(jié)器與變頻器控制，也可由計算機進行遠程控制。通過該系統(tǒng)，可以學習變頻器的結(jié)構(gòu)、工作原理、操作、應用等知識，特別是變頻調(diào)速節(jié)能方面的知識，同時還可學習計算機控制技術(shù)方面的知識。

　　3.3 溫度控制

　　在檢測與過程控制系統(tǒng)中，溫度的測量與控制所占的比例很大，應用最廣[1]。本實驗系統(tǒng)實現(xiàn)冷風溫度控制TIC1和出風溫度控制TIC2。

　　3.4 儀表的校驗

　　本實驗系統(tǒng)進行的儀表校驗主要有：彈簧管壓力表的校驗、數(shù)字顯示儀表的校驗（校驗熱電偶和熱電阻）、壓力或差壓變送器的校驗等。通過本實驗系統(tǒng)，可以學習校驗的方法、數(shù)據(jù)記錄、處理及檢定結(jié)果等。

　　3.5 學習PID參數(shù)整定

　　調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法很多，本實驗系統(tǒng)可選用簡單、易操作的經(jīng)驗法（用于模擬PID控制）或智能儀表PID整定[2]。在本實驗系統(tǒng)中，通過改變出風壓力、出風溫度、冷風溫度來控制系統(tǒng)的PID設定值，觀察設備以及儀表的變化情況，學習PID參數(shù)的整定。

　　3.6 計算機控制系統(tǒng)設計

　　本實驗系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件設計上位機監(jiān)控系統(tǒng)，用于出風壓力、出風溫度、冷風溫度的監(jiān)控。組態(tài)王軟件具有良好的開放性，支持與國內(nèi)外常見的PLC、智能模塊、智能儀表、變頻器、板卡等進行數(shù)據(jù)通信[3]。通過計算機控制系統(tǒng)，學習計算機控制系統(tǒng)設計的方法。

　　3.7 其他功能

　　本實驗系統(tǒng)除上述功能外，還具有其他的功能，如：水箱液位控制、出風流量的控制、冷凍水流量控制、分程控制等。

4 系統(tǒng)的創(chuàng)新

　?。?）本實驗系統(tǒng)被控介質(zhì)有氣體和液體，主體被控介質(zhì)是氣體，安全性高，而現(xiàn)在高校用的過程控制實驗系統(tǒng)被控介質(zhì)大多是水，本系統(tǒng)被控介質(zhì)多樣化。

　?。?）本實驗系統(tǒng)具有可拆裝性、改造性、擴展性、開放性強，能更好地融入過程控制發(fā)展新技術(shù)，更益于鍛煉學生動手實踐能力、設計能力、創(chuàng)新能力、現(xiàn)場解決實際問題的能力。

　?。?）本實驗系統(tǒng)以工業(yè)空調(diào)為載體，因為工業(yè)空調(diào)應用廣泛，為學生所熟悉，這樣，更容易激起學生學習的熱情與興趣。

5 結(jié)論

　　本文設計了一套基于工業(yè)空調(diào)的儀表測量與過程控制實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)緊密結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)過程，實踐性、技術(shù)性和實用性強，具有廣泛的應用價值，主要適用于高校進行實驗教學和科學研究，有利于提高教育教學質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量，提高學生專業(yè)技能，培養(yǎng)學生設計能力、方法能力、可持續(xù)發(fā)展能力、創(chuàng)新能力和解決現(xiàn)場實際問題的能力。本系統(tǒng)具有開放性、綜合性、先進性等特點，使培養(yǎng)的自動化專業(yè)人才更容易適應企業(yè)崗位要求。隨著生產(chǎn)自動化的發(fā)展，本實驗系統(tǒng)還需要不斷地改進和完善。

參考文獻

　　[1] 范崢，徐海剛.檢測與儀表[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

　　[2] 黃永杰，盧勇威，高宇.檢測與過程控制技術(shù)[M].北京：北京理工大學出版社，2010.

　　[3] 郭劍花，王鎖庭.過程測量及儀表[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.