設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)一個(gè)密封的熱交換裝置，用于管道中水的即熱加熱。熱交換裝置為一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)單元，加熱控制系統(tǒng)應(yīng)具備加熱器防干燒、防爆、加熱器異常檢測功能。系統(tǒng)能夠適應(yīng)管路系統(tǒng)流量變化時(shí)，經(jīng)過熱交換裝置后，輸出的溫度精準(zhǔn)穩(wěn)定(假定設(shè)計(jì)溫度恒定為70℃)。
加熱系統(tǒng)構(gòu)建
1、STEP1 梳理控制要求
在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)前，我們先對以上的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行一個(gè)簡單的梳理。
①“設(shè)計(jì)一個(gè)密封的熱交換裝置，用于管道中水的即熱加熱”，這一條說明加熱系統(tǒng)的工況；
②“加熱控制系統(tǒng)應(yīng)具備加熱器防干燒、防爆、加熱器異常檢測功能”，這一條主要是要求溫度控制系統(tǒng)應(yīng)具備完善的安全保護(hù)措施；
③“系統(tǒng)能夠適應(yīng)管路系統(tǒng)流量變化時(shí)，經(jīng)過熱交換裝置后，輸出的溫度穩(wěn)定”，由這一點(diǎn)要求可以初步判斷，此加熱系統(tǒng)應(yīng)具備自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)功能。
2、STEP2 加熱控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)
從上一步的梳理知道，此加熱系統(tǒng)的控制核心為第三點(diǎn)“加熱系統(tǒng)應(yīng)具備自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)功能”，故這里以這一條技術(shù)要求入手。很容易知道要實(shí)現(xiàn)一個(gè)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的過程系統(tǒng)，最行之有效的方式就是將其構(gòu)建為一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，并運(yùn)用PID控制方法。這可以快速、高效的構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。此加熱系統(tǒng)使用溫控器構(gòu)建一個(gè)PID控制閉環(huán)。另外，因PID算法為一個(gè)單輸入單輸出控制系統(tǒng)算法。
3、PID控制輸入
因系統(tǒng)的控制目標(biāo)為對管路中的溫度進(jìn)行控制，故選擇加熱器的管路輸出口溫度作為PID的控制輸入，選用Pt100鉑電阻測量溫度；
4、溫控器輸出
從以上的分析已經(jīng)知道，管路中的水流量是一個(gè)隨時(shí)變化的量(即可能會(huì)一會(huì)快，一會(huì)慢)，且水流量是被管路其他系統(tǒng)控制，故無法選擇對水的流量控制作為PID控制輸出；加熱器的加熱單元是一個(gè)獨(dú)立的器件，所以選擇加熱單元作為PID控制輸出是一個(gè)合理的方式。溫控器控制輸出類型由加熱部件的電氣控制技術(shù)要求來確定，建議看看《溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成及應(yīng)用》這篇文章。由此，可以構(gòu)建出如下所示的閉環(huán)控制模型：
安全保護(hù)功能設(shè)計(jì)
1、防干燒
此功能是為防止熱交互裝置在管路中無水時(shí)，對加熱單元啟動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)此功能，應(yīng)該對管路中的水的有無進(jìn)行檢測。在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場，一般常見有以下幾種方式實(shí)現(xiàn)：
①檢測管路中的水的流量，有流量值，則說明管路中有水流動(dòng)，那么也就說明熱交互裝置非空；
②檢測管路中水的壓力，當(dāng)水流過管道時(shí)，會(huì)在管道中形成一定的壓力，通過檢測管道水壓力，從而判斷水的有無；
2、防爆
此功能是為了防止出現(xiàn)管管路中的水溫被異常加高，使加熱裝置變成有一個(gè)類似于一個(gè)鍋爐的裝置。檢測方法同上，檢測管路中的流量和壓力均可實(shí)現(xiàn)。但在進(jìn)行加熱裝置硬件設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該要考慮安全解壓閥，在控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，也能保證加熱裝置的安全。
3、加熱器異常檢測功能
這個(gè)一般需要依照加熱裝置加熱器選擇來考慮。如果加熱器為加熱棒，那么可以對加熱棒電源線路中的電流進(jìn)行檢測，通過電流判斷加熱器是否出現(xiàn)異常(斷線、短路、部分加熱組件損壞等)。
加熱裝置各單元設(shè)置
加熱裝置各單元設(shè)置如下圖所示：
流量監(jiān)測放置于加熱裝置輸出側(cè)，可以確保有水流過加熱器后，再開啟加熱控制，防止“干燒”；溫度檢測放置于加熱裝置輸出側(cè)，可以確保輸出水溫被精準(zhǔn)的控制在要求的溫度范圍。
