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制冷站制冷机组控制系统设计

大连理工大学专业学位硕士学位论文





在物质高      展的 度发 今天, 着M t m o科技的不断发展和人民 生活水平的 提高, 不断 制 冷技 也 术 得到了长 发展, t 足的 W 铿吸收式冷水奎 〔 下简称澳冷机) 一种先进 } 以 { q 就是 的无污染的环保型制冷产品,澳冷机替 代氟利昂 制冷T 得到迅猛发展a 因些, 对澳冷机 的控制系统也提出了 更高的要求。
该设      计所研究的内容 属于计算机技术在工业控制中应用的 研究范畴, 它采麟国内外 最先进的IS C 技术、应用 PC编程和工控组态软件的研究成果,MI L 6 控制系统采用 4 先进的 色触摸屏作为 彩 人机界面和 P 可 逻辑控制器件) L 编N (( 控制器等先 进的控制元

器 来实 件, 现澳化 理吸收 水 式冷 机组的 控制。 最优 在设      计方案上, 首先根据制冷站的 主要制冷工艺流 程和基本的工作原理确定最优的 制冷控制方案,其中自 动控制包括三个方面即:机组启一停程序控制、 安全保护控制和 制冷量控制: 然后根据控制方案,通过PC L 编程软件对控制过程进行设计与编程:并 通 过组态王工业监控软件建立数据库从而实现工艺流程动态,利用系统软件提供的工 具, 通过形象的组态工作,结合调节器的数学模型,做出丰富的动画效果, 对工艺过程 进行实时控制、监控、实现报警和信息、历史趋势、动i及控制方案实施等。最 i f 后通过监控软件与下位机 PC L 通讯组 I 建立上位机与下位机通讯, 完成了 澳化铿制
冷机的最优控制。

该项目      投入使用,由于其最优的 现已 控制系统的设计, 使漠冷机组的各项工艺指标 达到最仗, 从而使其在节能环保方面的 优越性得以 最大限度地发挥, 为用户带来了 很大的
收益空间。

关键询:可编程控制器;制冷:通讯

制冷站制冷机组控制系统设计

D s n T e  t l  e Fr lr Ir i ri S tn e g O h C noSsm  C i St  fg ao ti i f  o r yt o hl e n  e tn  o e e r a
A s rc btat

Wi t dvl m n o c ne  t nl y  t m r e et  h e l       ee p et sec ad ho g ad  ip vm n o t l e o th h  e  o f  i n e o n h c e  o f  v f e 

pol l nwdy t Rfg ao Tc i e  hs  d epd d . L r e e i o a sh ei ri e n u ao  b n  l e r iyTe  p' f s  e  a ,  r e tn h q l a e e o a l h i e  s e v p B as po c lr ia avne, uols  ev n et-o cd  i ri b ri hl s s  dac pltn s ad  i m n lree rr e tn o tn  e e n  i t  d o i e n nr l o ap tt e g ao f
p dc Sl tg  LB i t d Fen  eo i a  d t fl o R fgr o o .  i h r ut e cn t ir e o r ibcmn tn i h i d  e i a n e e  n a f o s  s g  e r n  e f  e t e  r i

Tc i e S i rgm rsir ue et ot cnos t ot L r l s e n us o i s e  t im n f h otl  m  h i ci r  h q .  bn o t e r s  e  r ye f  B h e e t  r q c r  s e  l t Tip e a l ras  h t y d  n sy  r t hi e bs n      m iy  t t t sd fl o i ur c tl  n us e o h a r n e e o  u i f  t o o e q a d  s  p l e  e d n c c pt.  d i a p t m sa ac D S  n u,  thi e  re c o u r h eg d t h o d ne C thi eP C  n u a e ah m e Ti sn  s  t  d  e q L e q n s r s  o e  v c c d  a i e et  dsi cnosf a it w r .  c st ot u cnof t c e m noi url rl w r n  odT a e h pm m  tl  h hv f  t ot o e h n a t e  l o  s  i c e  or o e r 
LB asri ci r  T e C n lrad  avne cl t c: r n h  ir o tn l s ,  P c t ls  t dacd o o h  e wt t b po hl e h L o r e n h e t o e  o r  s u c e i h e m n a i ieae ue ite  cnossm. a- c n n rc a s n  MMl t l e m h e  f r d h t e  o r yt I ts  g c m , t t pm m  tl t i a ei d  e t      i s e e fsy  ot u cno sa g s  dc e udr  n  ds n  h e i h i lh i r e  o r t ee r r e  d n h e

cnd ao ot thi l  e fw  t oetn  c l. r a te ky osetn h e n ap c s  a h pri pnp sTe r h e  iri f  c c r s l n e  ao r ie h e  r e e  o o d  i e  pr: /u o n tl h ci r se tl r iri qa i cno assr ht w c r f t hl s,  c r ad  g ao unt otl t tt d as o o o e  e e a o o n e e tn  t n r  l t f n r f y  r

S o l t p gm a c pe tog o ri PC t r Te gi ,  e ny h r r s   i  h u p a g  s w e h Kn e t c d,  o a r o l r h  t L o a.  iV w h e  e m d  en f e
i ut l  ir ta , s t m no t fw nmcl,  a cno a r n si m no sf r iue o  ir  l d a i l sc s  tl lm, d r o t ow e s d  o t h o y a e  ay uh  o r ,  a h t   n,  T e nVe cn  m n a wt t P C s t cm ui tn io t d e ,  K g i a cm ui t i h L ,  h o m n ao sr r y e t h i c w  o c e  h  e  o  e  ci bten hscm u r  P C  eu. n ot u cn of t LB asr i e e t ot  pt ad  is pTe t pi m  t l  h ir  po w h e  o e n L s  t  h h e  m o r o e  bo tn r 
c ie cn  ahe e . hl r  b c iv d l a e 

Tipj hs  uio  te ne h ot ots m m  tl e     t be pt  p cc U d t cn l  iot u cnos t , h re a e s  c o n  n r i.  r  r f  p t a e  o h i or y m s a t thil  e pr erot LB aspo ci r nay r c tt lh e nap c s  m ts h i b ri h es e la o h h l  c c r s a e f  r  tn l e r p a o  e  o a e  o t  p e ot u vl :  e at eot L r  ri cir n in et- tt pm m u S t avn gs  e  as po hl s ie r m n lree i ae o  d a f  i bo tn  e e n o h h B l t  v ap c d o
ad r - vd d  b pr r e w letm l T e f et cs m rcn a n ee y ae fl cn  e o d  l e e . ro ,  ut e a otn ngs i a e f m e e x r y he r h e  o s  b i
moe n f . rb e t e i

K y rs Porm alL g C nrlr R fgr i ; m ui tn eWod:  ga m b oi ot l ;  r eao C m n ao r e  c  oe e i tn o ci

独创性说明
作者郑重声明:      本硕士学 位论文是我个人在导师指导下进行的 研究工 作 及取得研究成果。 尽我所知, 文中特别加以 除了 标注和致谢的地方外, 论文 中不包含其他人己 经发表或撰写的研究成果, 也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究
所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

作签: . : 者名 菩 日 期

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大连理工大学学位论文版权使用授权书
本学位论文      作者及指导 教师完全了 “ 连理工大学硕士、 解 大 博士学位论文版权使用 规定”,同 意大连理工大学保留 并向国家有关部门 或机构送交学位论文的复印 件和电 子 版,允许论文被查阅和借阅。 本人授权大连理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内 容编入 数据库进行检索, 采用影印、 或 有关 也可 缩印 扫描等复 制手段 保存和汇编学 位论
文。

作者签名:

导 名2 。 : 右乡
20 年 6 月 1 日 05 0

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随着社会的发展,生产技术的进步和人们生      活水平的 提高,需要制冷设备的范围越 来 越广, 需求量也越来越大。I而制冷技术也在突飞猛进地发展,制冷设备与日 m 俱增。
浪化银吸收式冷水机组 ( 以下简称滇冷机)自1 5 4 年问世以来, 4 经历了半个世纪, 在机
组结构、性能和型式各方面有很大的变化与发展。由于它是一种无污染产品,在人们的

环保意识 越来越强的今天,漠冷机己 经替代氟利昂 制冷进行制冷。 其应用范围 有了突飞
猛进的发展。

在此项目      设计中 的 采用先进的国内外 D 5 C 技术 、应用 P C编程软件和工控软 L 件的研究成果,结合制冷技术、控制理论等,NV 控制系统采用先进的彩色触摸屏 l fT I 作为人机界面和PC( L 可编程逻辑控制器件) 控制器 等先进的控制元器件, 一起实现对
澳化铿制冷机的最优控制。

制冷站焦 令 p 机组#制系统设计 } :

1 绪论

Il '  选题的背景及选题来源
DS 全      称 DSRBJ D  N R L SE 中文全称为 C 英文 I IL E C TO S TM, T T O Y 集散型控制系统。 是随 着现代 工业生产自 大型 动化的 兴 不断 起和过程控 制要求的日 益复杂应运而生的综 合 控制 系统, 它是计 机技术、 算 系统控 I l 技术、 络通4 网 f  } 技术和多 技术 媒体 相结合的 产物, 是完 成过程控制、 过程管理的现代化设备。 在企业中 采用先进的生 .制系统刘 产r 企业的 各主 产装置 要生 进行实施监控及时了 产 解生 运行情况D S C 系统具有管理集中、 分散控制 即危险分散的优点。 具有高度灵活的数据采集 输入输出 和控制功能。强大的控制功能包 括: 规控制、 常 逻辑控制 和顺字控 制等各 种优化的功能 模块, 通过组态和编程来满足高 度安全、高性能的数据采集 和控制要求。高 性能的通信处理器经过优化设计,具有很强 的网 络通信能 完 力, 成诸如网络数据存取、 对等通 信等功能,它同时对现场控制器 产生 的 报警进行精 确的时间 标记, 变送器接日 分体现了D S 智能 卡充 C 系统输入 卡的 输出 先进 性, 变送器 卡与智能 智能 接口 变送器之间可以 进行完全双向 通信, 数字 通过它可以 对变 送器进行组 并且提高数据的 态, 精确性, 增加控制的安全性, 键功能卡件均选择 为了 关 T+配 保 个控制系统的先进性和可靠性, l 置, 证整 通过引入D S C 装置, 可大大提高生产 系 稳定 减少备件数量, 统的 性, 优化工艺 标, 动化水平、 指 使自 生产管理水平达到国内 先 列。虽然国 C 进行 产D S的发展取得了 长足进步, 但国外D S C 产品在国内 市场中占 有

率 较高 其中 要 o y l和横 公 的 品。 还 , 主 是Hn w ! 河 司 产 我国T S的 年 率约 em I 市场 增长 为 C
20 年市 0a / > 场额约为3- 亿元。由 05 3 于近5 年内D S C 在石化行业大型自 控装置中 没有可 替代产品, 其市场增长率不会下降。 所以 据统计,到20 年,我国 05 石化行业有 1 0 0 多 0 套装置需要应用T S I 控制:电 C 力系统每年新装 1 0 0 多万千瓦发电 0 机组, 需要T S I 实现 C 监空 序 ;不少企业己 使用T S 巧- 年, I 近 2 C 0 需要更新和改造。 所以,今 5 后 年内D S C作 为自 化仪表行 要产品的 动 业主 地位不会动 摇。 澳化锉      冷水机组 ( 下简 吸收式 以 称澳冷 机)由 它是一 于 种无污染产品,一 种在高 真 空下 运行的 设备, 有空气泄露进入 一旦 机组, 制冷量大幅度下降, 不但 而且会加 剧腐蚀,
因此要高度重视。

美国      机的 是澳冷 创始国,1 5 9 年开利公司 4 试制出 第一台, 后来日 本引进美国 技术并 有 进, 近五十年的发展,日 冷机在数量、 所改 经过 本溟 性能方面、 新产品 研制方面, 均 有很大发展。 外原苏 另 联发展也较迅速。

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我国      研制漠冷机起步于6 年代初期,于 16 年试制出了 0 96 第一台滇冷机,至今经历 了三十年的历史。最初应用于核潜艇,开始阶段限于纺织行业,由于冷量衰减及机组锈 蚀问题没能得到很好的解决,因 此使该机组的发展停滞不前。
江阴溟化铿制冷厂自18 年着手生产溟冷机,      96 同年7月出厂第一台 机组, 以后又不

断 于 产品 开发 研 于1 0 成 地研 致力 新 的 和 制, 9 年 功 制出了 一 机型1 该 用两 9 新 代 ( 机采 泵 1 ,
制, 取消了吸收器中传统的喷嘴结构改用淋激式装置,从而摆脱了 机组因喷嘴堵塞而导 致冷量大幅度衰减的困扰。 近年来, 该机的应用迅速遍及各行各业, 一权威曾惊叹: 国内
“ 一个厂,救活一个行业! 此开创了我国澳冷机应用的新时代。自19 年 1 月与 ”由 95 0 制冷空调业的先驱最大的制造公司之一的美国特灵公司共同投资,创建了 江苏双良 一特

灵漠 化铿制冷机有限公司,更是 如虎添翼。 江阴澳化铿制冷厂现己 开发出 直燃型、热水 型和蒸汽型三大类型近 1 5 0个品种。制冷量从 5万大卡/ 50万大月 时到 0 粉时,具有年产 1 0 机组的生产能力, 5 台 0 成为国内 生产澳化铿吸收式冷水机组的最大企业, 是机械工业 部定点生产厂家。 嗅化铿吸收式冷水机组 ( 以下简称澳冷机)自14 年问世以来,经历 95 了半个世纪在机组结构、 性能和型式各方面有很大的变化, 未来的发展和研究潜力具大。
课题源于黑龙江华润酒精有限公司,属于计算机工业控制研究领域。     

1 研究的内 . 2 容和目 的
1 .研究的内 .工 2 容
该课题的设计思想是采用最先进的国内外 D S技术 、应用 P C 和工控软件的      C L 研究成果,MMl 控制系统采用先进的彩色触摸屏作为人机界面和 P C ( L 可编程逻辑控

制器件) 控制器等先进的 控制元器件, 并利用组态王工业监控软件实现工艺流程动态, 对制冷工艺过程进行控制、监控、实现报警和信息、历史趋势、动画及控制方案 实施等。监控软件与下位机 P C通讯组网,一起实现对漠化铿制冷机的 L 最优控制。 预计整体设计目 标能满足用户需求口

1 .研究的目 .2 2 标
研究的目      标是实现制冷的最优控制。 实现的主要手段是:     

()     L 1 应用PC编程软件进行 最优控制方案的实现与编 程 ()      机监控软件 2 应用上位 绘制制 冷机组的 工艺流程和应用画面, 现动态 并实 连接。 ()      3 建立系统的实时 数据库和历史数据库

制冷站制冷机组控制系统设计

C)建立上位机与下位机通讯      4 123 .. 研究涉及的相关知识
()组态王概述        1

今天,随      着对工业自 动化的要求越来越高,以 及大量控制设备和过程监控装置之间 的通讯需要, “ 监控和数据采集系统” 越来越受到用户的重视, 他们需要这样一 种系统 来管理日益现代化的工厂 监控系统      对众多的 控制器和其他现场部件进行控制 和监视时必须具有高性能和高可 靠性, 必须能随时对各种事件做出反应, 并且不丢失任何数据和报警信息。此外,历史
数据的纪录将为事故追忆和分析提供帮助。

基于 “      监控和数据采集系统”的管理方案能 够和其他系统连接, 相互交换并共享数 据资源,例如各种数据库系统、专家系统等。 这样,先进的 “ 监控和数据采集系统”不
仅能帮助用户连接工厂里的设备,而且能使他们协调运转,优化工厂管理。

组态王的易用性、开放性和集成能力使它成为优秀的通用组态软件。组态王运行于      最先进的操作系统环境之上,并能与通用的桌面应用软件进行通信。应用 “ 组态王”软 件, 用户可以 便的 方 构造自己 需要的 “ 监控和数据采集系统”, 在任何需要的时候 把生 产现场的信息实时地传送到控制室, 保证信息在全厂范围内畅通。 组态王的网络功能是 企业的基层和其他部门 建立起联系, 现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。

管理 不许进 产现场,即 人员 入生 可获得事实 和历史 数据, 优化控制现场作业, 提高生 产
率和产品质量。

() L 可编程逻辑控制器      2 PC 可编程逻辑控制器 (L)      PC 是一种新型的工业控制装置, 是可编程计算机高手专门 应 用的计算机。 它被用与 控制和监控机器, 每件事情, 从简单标准和温度显示到复杂定位 系统到机器图 用一个可编程控制器都能够处置。 象, 用来代替了 继电器实现逻辑控制。 输入是一系 触点 列的 流或电 经模拟转换后输出【 流, 田 。 可编      程逻辑控制器是一个能运行程序的小计算机。 程序读入逻辑控制器的输入值, 计算一个自 定义的逻辑函数,然后输出。 与一      般的计算机不同,可编程控制器是电 工技术师专用的通用机。通常用其自 身提 供的 语言 “ 逻辑图” 梯形 来编制控制程序, 继电 与 器梯形逻辑极为 类似。 在众多的 程序 设计语言中 可编程控制器的编程方法使用很广泛。

在梯形      中 逻辑图 一个继电 器线圈 或仅仅是一个线圈都能打开或关闭 任何数量的 触点 及继电 器控制转换。 使设计可编程控制 这能 器梯形逻辑图比 设计一个基于 控制系 统的继

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电器 容易得多。除了正常的 继电器外, 梯形逻辑图允许数学函数融于其中。一个简单的 加法函数可以 记输出按钮被按次数。

可编程控制器程序员通过为      触点、 编号, 决定任何时 个 器被启动。 线圈 可以 刻哪 继电 可编程控制器一般接受触点闭 (      合 如按钮和开关)作为输入,提供一些转换设置 作
为输出。

可编程控制器 (L)操作模式细节      PC

可编程控制      器有两种操作模式: 停止模式和运行模式, 在停止模式中 程序不能 执行 被完 , 成 然而, 运行 在 模式中 程序可以 执行, 你的 被 此外, 在运行 模式中, 创建、 你能 编辑、监控程序和数据的操作。调试帮助扩大了 跟踪程序操作能力和鉴别程序设计的问
题。

在停止模式中,像多重扫描函      数的调试方式经常被应用,对预定的扫描数字导致了
一种从停止到运行的改变。

在可编程控制器 (L) 储存了      PC 中 一种致命的 错误, 迫使程序从运行到停止的 改变。

如 编程控制器(L) 果可 P 被检测 一个致命的 C 到有 错误, 这个致命错误 当 情况持续 时, 存在 不允 许从停止 行的模式改变 非 错 到运 。 致命 误被可 程控制 ( C 操 统 编 器 P ) 作系 所储存, L 是可以 检测的, 但不能导致从运行到停止的模式改 变。在停止模式中可编程控制器是一 个半空载状态。 用户程m的执行处于不连续状态, 输入更新被执行, 用户中断情况瘫痪。
在通 信中断正在发生的时间中,可编程控制器 接受消息,并适当的执行这个请求。当可 编 程控制器保持在停止模式时, O值变化被显 U 示到图象寄存器中, 力函数是个例外, 它

超过 U O变化值到图形寄存中。当 在停止模式时, 你能加载,上载或删除 用户程序存储
器。

在一个或多      个设备通过通信端口 法和可编 设 程控制 信的事件中, 器通 可编程控制器 依次响 应每一个请求。 可编程控制器从 不妨碍另一 个装置的 操作来阻 止这个通信装置的 操作。你的 系统设计必须提供阻 止这种 干扰的 所有必要的防 护措施。 自 我诊断校 验操作系 EPO>  统 &RM 1模块状态校验 I 扩展总 0 和 0 线完整性 校验的 性校 周期 验, 这种校验在每一个扩展 工 的存 0 取上被执行。 在运行模式中,可编程控带 读输入执行你的程序,写输入,响应通信请求,      懦 更新 智能摸 执行内 琐碎事务和响 块 在的 应你的中 条 运行模式执行周期的固 断 件。 定扫描次 数 是不 可编程控制 被 器支持的, 操作根据发生次数的 这些 优先级接受服务。 这个执行周 期 被叫 做扫描周期。

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每一      个扫描周期开始是通过读输入比 特流的当前值和将这些值写入到输出图 存 象寄 器中, 输入比 特流没有对应的物理输入, 但和物理输入比 特流一样字节的输入在每一个

输 更 周 , 象 存中 非 迫否 都 清 l 入 新 期中 在图 寄 除 被 则 被 零s l 在读如输 入值之后, 程序从开始指令和程序执行到结 你的 束指令。 在读结束指令时, 可
编程控制器校验发现系统的智能模块是否需要被服务。如果需要,消息将为下一循环阶
段读入和缓冲。

在扫描阶段的      消息处理过程中,已 经被通信端口 接受的消息 被处理。已 经完成的响 应被放置到一边,在适当的时间转换为通信请求者。 自      我诊断校验包括操作系统EPO 和向I 模块状态校验一样的用户程序存储器。 ERM O 最后, 输出图象寄存器值被写入到输出 模块上, 这样, 就完成了一个扫描周期。 PC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使得其应用受到限制。      L 但近几年来, PC的应用面越来越大,其主要原因是:一方面由于微处理机芯片及有关元件的价格大 L 大下降, 使得 PC L 的成本下降;另一方面 PC L 的功能大大增强,它也能解决复杂的计算 和通讯问 题。目 前,PC在国 广泛应用于钢铁、采矿、水泥、 L 外已 石油、化工、电 力、 机械制造、 汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。 可编程控制器诞生不久即显示了      其在工业控制中的重要地位。PC技术随着计算机 L 和微电子技术的发展而迅速发展,由最初的一位机发展为8 位机。随着微处理器 CU P和 微型计算机技术在 PC中的应用,形成了现 L 代意义上的 PC L.现在的 PC L 产品已使用了 1位、 2 6 3 位高性能微处理器, 而且实现了 多处理器的多 通道处理, 通讯技术使PC 应 L的 用得到 步发 如今, 进一 展。 可编程控制器技术已 较成熟。 比 可编程控制器总的发展趋势是向高集成度、小体积、高速度、易使用、高性能方向     
发展:

①向      专用化、 小型化、 低成本方向 发展 ②向大容量,高速度方向发展      ③与计算机联系密切      ④发展多样化      ⑤模块化     

⑥网 通讯能      络与 力增强
⑦多样化与标准化      ⑧工业软件发展迅速     

大 理工大学专 位硕士学位论文 连 业学

1 论文的组成和安排 . 3
本篇论文系统地介绍了制冷站制冷机组的自      动控制系统的工作原理。 共分为五章, 第 一章为绪论,主要介绍选题的背景及来源、 研究的内 容目 标及涉及到的相关知识; 第 二章生 产工艺, 介绍了制冷的含 义、应用与设备、 传热原理及制冷工作原理,及 M I M 智 能化自 控系统装置的设 计与具体 操作: 第三章本 章介绍了调节器模型建立, 对位置式P I D 控制算法和增量式P I D控制算法进行阐述并 具体的 给出 程序流程图;第四 章本章介绍了 组态王软件结构和主要组成部分的功能,应用组态王软件进行软件包的开发,包括画面 的 绘制、 数据库的 建立、函数定义和动态连接; 第五章介绍了系统通讯方式和PC程序 L
的实现。

1 本章小结 . 4
本章主要介绍了论文的选题背景及课题来源,      本论文研究的内 容、目 标及全篇论文
的组成安排

制冷站制冷机组控制系统设计

2生产工艺

21 .  制冷的含义、应用与设备
( 制冷的含义        功

制冷就是使一物体或某一空间的温度,      低于周围环境的温度,并维持这个温度。因 此, “ 制冷” 应该从低温物体或空间带走热量和隔热保温两个方面的功能。 制冷的方法有两种:一是利用天然冷源,如天然冰或地下水,但受到时间和地区等      条件的限制,具有很大的局限性;另一种是人工制冷,下面我们着重讨论人工制冷。 ()        2 制冷的应用范围 现在己      广泛应用于核能、 航空、 船舶、 制药、纺织、电 子和化工等行业。 近年在民 用建筑中也被大量采用。 ()      3 制冷设备 制冷设备的      种类较多,形式各异,按补偿能 源的不同, 我们大致可分为两类: 电能制冷和热能制冷。 其中热能制冷又分为蒸汽喷射式和吸收式,而吸收式又划分为氨 吸收式和滨化铿吸收式。

22 . 传热原理
()传热原理      I 自      然界的规律是:热量都是从高温物体 ( 或空间)向低温物体 〔 或空间)传递,最 终趋于平衡,也就是说 ,只要有温度差,就有热量传递。

传热基本形式有三种:即导热、 对流和辐射。 ① 导热 (     亦称热传导) 导热是在固体,      静止液体或气体中,由分子振动而引 起的传热现象。 振动剧烈 ( 高 温) 的分子在与相邻分子相撞时, 将热能传递过去。但物体内 部各分子的相对位置不发 生变动,所以是固体中唯一可能发生传热的形式。 以 单层平壁为 例,由t : 侧单位时间里通过平壁向另一侧传递的热量。

Q  f一 15 = t 1( F , 2, A 
=FA t  Al S ,

(I 2) .

大连理工大学专业学位硕士学位论文

其中:李 热传     导 递热量 《-
P,            一 平壁面积
a 平壁厚度            - 一 义 ̄             ̄导热系数

△一温度差            t一

可以      平壁面积越大, 看出: 厚度越薄,二 侧温差越大以 及导热系数越大, 传热的热 量也 越多。固体 金属的导热系数数值最大, 非金属次之,液体较小, 气体最小。
②对流     

对流现象只能在液体和      气体中出 热量传递时流体分子间发生相 现, 对运动, 而且它 总是m 着导热的发生。 发 管为 蒸 以高 换热 例, 汽将热量传 壁, 管壁将热量传给 给管 再由
溶液。

对流传热的      过程比较复杂, 平壁将热量专 现以 9给流体为 例。大致可分成二个过程, 首先是 平壁将热量传递给紧贴着的很薄而且速度很慢的一层流体称层流层 ( 其中流体各 点的流动方向 与平壁方向 平行) 然后再在 层以 , 层流 外的流体相互混合使温度趋于一致。 层流层虽然很薄,但热阻 ( 传热的阻力)却很大,由于无法严格区分这二种传热,所以 统称为对流。 ③辐射     

辐 物体 固 9体 气体) 磁波的      ( 体1 或 射是 以电 形式来传递热 它不 任问 质, 量。 需要 介 所以 它在真空中也可以 进行热量的传递, 如太阳向 地球传递辐射热量。 〔)      2 传热基本方程 漠冷机组里的传热面就是许许多多的换热管。      现将换热管的管壁看作是平壁, 来分
析其传热过程。

热流      t由 层流层的 很大, 在靠近管壁处流体的 体温度 j 于 , 热阻 所以 温度降 也很大, 管 壁温度为t, 壁内 t在管 部因导热另 o 一侧管壁 温度降为t 理与冷流体t 有较大的 , 同 2 也 温差。 二      侧冷、热流体与管壁之间对流传热的传热方程式。

Q a(勺 =F - t
其中 Q 对流 热量 : 一 传递
o        -对流传 热系数
F一 -传热面积

(z 2) .

制冷站制冷机组控制系统设计

t        一流体温度

f        一平壁面温度 将二侧对流传热和平壁导热传热方程式经数学推导得出如下传热基本方程

Q F: ]fa+1+/ = [ ‘ {/] A[a t l1,8 1j 一
二K F△ t

(. 2) 3

其中:K      -传热系数
F              一传热面积

△.            卜 二侧流体平均温差 从中可以      得出如下结论:加大传热系数, 传热面积和二侧温度差,部可以增加传热
量。

()      化 3 传热的强 传热管的      传热过程,实质是由 一个导热和二个对流传热组成的。
对导热而言,在二侧温度差和面积一定时要强化传热,只能更换金属和减薄厚度,但受 价格和强度上的限制。

强化对流传热的关键是减薄层流层的厚度以      提高其放热系数 以 ,除适当提高流速外    ( 流体阻力也增大),主要有以 下几种方法; ①管外挤压螺纹 (      或外加翅片) 不但增加传热面积而且破坏层流层。 ②管内      挤压螺纹线一破坏层流层。

23 .  澳化锉水溶液的性质
澳化铿水溶液是由固      体澳化铿溶解在水中而成。用它作为吸收式机组的工质比较理 想。在常压下, 水的沸点为 10C左右,而澳化铿的沸点为 160,两者相差极大。因 00 25 C

而 沸腾时 溶液 产生的 蒸汽都是水蒸汽, 进行 不须 精馏就可以 纯冷剂蒸汽。 得到 水是我们所熟悉的物质,      用它作为制冷剂有许多 优点: 价格低廉,取用方便,汽化 潜热 无毒、 大, 无味、 不燃烧、 不爆炸等: 是: 缺点 它只能 获取0 上的 0 C以 冷源。因此 在澳化铿溶液中,滨化铿是吸收剂,水才是真正的制冷剂。
澳化铿溶液的一般性质     

澳 铿 (i ) 卤      r 由 族元素B 与 元 () 成, 温下 无 体, 大 化 L B () 碱族 素L组 常 是 色晶 在 气中 r i
不变质、不挥发、不分解。 ()      1 无水漠化铿的特性

大连理工大学专业学位硕士学位论文

澳 铿可以 氢澳 (B 与 氧化 (O ) 碳 铿[2 l     用 酸 H O 氢 铿 L H或 酸 LC , 化 i i0 来制取:
H rLO -LB + 2     H irH 0 B+ i

2 +i      0-2 irH 0 C 2 1 L2 伯r C LB + 2+ O个

由 用LC      伪作原 于 i 2 料制取L r 常 i 时 有不凝性气体C 产生, 机组性能, 而澳 B O 影响 因 化铿溶液均用L H作原料。无水滨化铿的 i O 特性如下:
化学式:L      ir B 分子量;8.      6 6 8 比重:3 6 (5C . 4  0 ) 4 2 熔点:59C 40

成 分:L . %;  2 1     i  9 B 9. %  7 9 r  0

沸点:160 25 C

固体滨化铿产品中常含有一个、      两个或多个结晶 其化学式分别为: 水, L r 2,  rH0 L r凡0,L r玫0 i H0 L , 2,  3 B i2 B i B i5 B ()制冷机用滇化铿水溶液的要求      2 吸收式机组采用的溟化V水溶液。其参数参考下列要求见表 2 :      . 1 溶液中不应含有二氧化碳 (氏)      C 等不凝性气体,同时用以 配制i化铿溶液的水也 A 必须是蒸馏水或经离子交换剂树脂处理过的水。
表 21      l .  浪化a 溶液技术指 标


流 蒯 敞 。 Ca 崛

Tb2 Tcn u d e  e r tn a.  e i e  ot L sli . h q a f  i o o 1  t h B u 分 含 量
5- 5            05 0 1-.0        . 03 0

00 02 (H91 5 .1 .0  ='0 ) P .
0 00 01 00 1 .0 00 1 .0 00    .2
0O   S . 

s一 氏,

以 Ba Fe Cu

00 1 .0 0 00 .0 1

0 00 .0 1

B(

无反应

制冷站制冷机组控制系统设计

24 . 基本结构
嗅化锉吸收式机组的制冷功能是由发生器、      冷凝器、蒸发器和吸收器完成的,其他 的换热器只是提高机组效率。同时配以一些辅机、辅件如屏蔽泵真空泵和专用阀等。 整 个机组是由几个管壳式热交换器构成的组合体,由于不同功能的需要进行适当的改型, 下边由管壳式热交换器开始逐个进行介绍。 热水型机组有上述四大器外,      还有一 个换热器。蒸汽单效机组比热水型机组多一个 热回收器 ( 凝水换热器):蒸汽双效机组比 蒸汽机组多一个高压发生器和一个高温换热 器。 按照各换热器的 组合, 可分单筒型、双筒型、 和三筒型。 ( 管壳式热交换器      ) ] 该换热器主要由      一束管子和一个外壳组成。 是一个最简单的单程换热器,管子 末端 固 定在管板上,一种流体在管内 流动,另一种流体在管束间流动。 管内流体有时考虑到 流速等的需 通过二端封头内设置的隔板而形成多 要, 个流程, 往返一次就是二个流程。 管束间往往设置垂直轴向的隔板,它不但起支撑管束的作用,      而且还可以改变流体
方向。

由      于不同的需要管束可以 全部充满壳体, 也可以是局部的;也可以是沉浸式 ( 管束 全部沉浸在流体中) 等不同型式。 管束在管板上的排列可以      是矩形的,也可以是三角形的或其他的型式。 c)      2 高压发生器 蒸汽型的      浓溶液出口 在工作蒸汽进口 而稀释液进口 侧, 在筒体的另一端。 浓缩后的      溶液在并联流程中直接进入吸收器。在串 联流程中作为中间溶液进入低压 发生器后,再进一步浓缩。 在加热 浓缩溶液的同时, 产生的冷剂蒸汽经挡液板 ( 分离液 滴) 作为热源进入低压发生器换热管内。由 后, 于在蒸汽双效机组中,温度较高的工作 蒸汽直接进入换热管铜管内部,钢制壳体中的溶液温度相对要低一些,而二种金属的热 膨胀状况却不如人意, 在运行过程中 铜管的膨胀量要大于钢体的壳体,于是铜管将受到 极大的 热压缩应力, 通常采用二种办法: ①浮动管板 用于老机组)      (
②预应力法      ()      3 低压发生器一冷凝器

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低发一冷凝器置于同一筒体内,上部由      挡液板下部分隔板分开, 冷凝器管束在上, 冷 冷剂水滴落存于底部。 凝的 低压发生器除与高发相仿外,      在液囊里有二根管子。 管端较高的一根是熔晶管,它 的 作用是当机组万一结晶时一换热器通道堵塞,低发液位上升,此时浓而且热的溶液从
熔晶管通过,未经冷却的溶液经溶液泵由稀溶液通道进入换热器,不但能从内部对结晶

部位加热使之消除结晶,而且溶液仍可畅通无阻。

低压发生器换热管内      是来自 高压发生器的冷剂蒸汽 ( 单效机组只有一个发生 器, 管 内为工作蒸汽),在对低发内溶液进行浓缩的同时,产生冷剂蒸汽,主要有二种结构型

式: 激式 〔 淋 具有小 淋水 和喷淋式 ( 孔的 盘) 用喷咀) 。
淋激式 (      具有小孔的淋水盘)和喷淋式 ( 用喷咀)相比较,除省略了多数机组都有

的吸收泵,不但节电, 而且由于直接淋激浓溶液 ( 喷淋式喷洒溶液量大,必须添加大量 稀溶液) 浓度高,从而提高了吸收水蒸汽的能力。

25 . 工作原理
澳化铿机组是利用水在低压下相态的变化 (      由液态变为汽态),吸收汽化潜热来达 到制冷的目 水是制冷剂,澳化铿溶液为吸收剂。 的。 制冷由发生、冷凝、蒸发和吸收四      个过程组成,分别在发生器、冷凝器、蒸发器和
吸收器四个换热器中进行。

制冷循环 以     ( 蒸汽型单效机组为例)

澳化锉水溶液在发生器和吸收器之间由      溶液泵给予循环和吸收冷剂蒸汽而成为稀溶
液或浓溶液。

在发生器中释放出的冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝成冷剂水后流至蒸发器,在蒸发器中      产生的冷剂蒸汽被吸收器吸收。

于是      形成二个循环: 一个是澳 化铿溶液由 稀变浓, 浓变稀的 再由 循环: 一个循环 另 是溶液浓缩时产生的冷剂蒸汽由 汽变水,再由 水变汽, 最后被溶液吸收的循环, 二个循
环相伴而同时进行。

() 一冷凝过程      1 发生 这二      个过程在发生器 和冷凝器中 进行, 一般二者置于同 一筒体内, 二者相通但由 挡
液板分隔。

制冷站制冷机组控制系 统设 计

发生器一      拎凝器中的压力决定于冷却 水的温度, 一般略高于冷却水出水温度的饱和 压力: -56 mH ( P5-0  g双效机组高压发生器的 m 压力: - 0 m g。 P 70  ) u f 在双效机组中,工作热源直接加热高      压发生器的 稀溶液, 所产生的高压冷剂蒸汽再 进入低压发生器的换热管内,发生一冷凝过 程与单效机组相似, 只是高压发生器相当于 低压发生器的供热源,而低压发生器却成了高压发生器的冷凝器而已。由于低压发生器 利用的热源不是从机组外部供应的, 双效机组的效率远远大于单效机组( 所以 大约是 15 .
倍左右)。

() 一吸收      2 蒸发 过程
在蒸发器和吸收器中进行,一般二者也同置一筒体内,二者相通也由      挡液板分开。

澳      化铿溶液吸收冷剂蒸汽的能力,由 其浓度和温度所决定 ( 其原理在第一章讨论题 二中己 经阐述, 不再重复) 其中 , 压力P6 mH,即 = -7  g 等于或小于11 个大气压。 m /0 0 蒸发 (      低温沸腾) 温度决定于其外界的 气压, 在蒸发器中的气压由溟化狸水溶液的 水汽分压和不凝性气体分压组成,如果不凝性气体不及时排出机组,而仍要维持原蒸发 温度,则必须提高溶液的 浓度或降低温度, 增加了 溶液结晶的可能性,所以要求给予足
够重视。

机组      溶液分离出 冷剂水后的 均浓度大 0左 稀 溶液浓度差 - .6 平 约6% 右, 一浓 约4 450
工作过程:真空泵将机组抽至真空后,由      发生泵将吸收器内的 稀溶液分别送到高、
低压发生器,在高压发生器内由 工作蒸汽将稀溶液浓缩成浓溶液,同时产生高压冷剂蒸

汽。 进入低压发生器的换热管内 后者 加热浓缩稀溶液,同时也产生冷剂蒸汽。 高、      低压发生器分别产生的 冷剂水和冷剂蒸汽在冷凝器中被冷却后进入蒸发器,再 由 冷剂泵将它送到蒸发器内喷淋。 在高真空 下吸收管内 冷水的热量低温沸腾, 产生大量
冷剂蒸汽,同时制取低温冷水。

高、低压发生器里的浓溶液分别进入吸收器,      利用其强大的吸收水蒸汽的 特点,吸 收制冷剂蒸汽后成为稀溶液, 周而复始循环工作。

人连理_大学专业学位硕士学位论文 [

26  智能化自 统装置 .  ! M M 控系
2 . 制系统 .1 6 控 概论
M 1      M 控制系统采用先进的彩色触摸屏作为人 机界面和PC( L 可编程逻辑控制器件) 控制器等先进的控制元器件,一起实现对澳化锉制冷机的就地最优控制。操作人员只需 按照屏幕上提示的内容轻轻按一下屏幕, 即可启停机组和全方位的了 解机组的工作原理、 基本操作方法、 维护方法运行状态及各部分运行参数,人机对话非常方便。 该系统实现的控制功能主要包括;      ()      1 先进的模拟量方式调节制冷量, 控制冷水出口 温度稳定在很高的 精度上, 更适 用于用户要求高精度的 温度控制场所。 ()      2 冷却水温度控制,使机组能在冷却水温度 1 4  8 *范围内安全稳定运行。 -3 C ()      3 浓度限度控制能随时监视机组浓溶液的喷淋浓度从而控制蒸汽量, 使机组在恰

当 温 运行, 止机组结晶, 的 度下 既防 又提高了 机组的 运转效率。 ()      4 通过变频器改变溶液泵的转速 ( 改变溶液供应量) 使机组溶液循 , 环量, 始终
处于合理状态,减少了能量消耗。

()当机组出现故障时,      5 经过妥善的处理,确保机组的安全。

26 触摸屏监控系统开发 .2
()      1 为了减少画面的占 用量, 也为了更方便操作, 设计了“ 帮助键” “ 和 莱单键” 。 帮助键有二个功能     
首先按下它,即出现本画面所需辅助说明的画面:然后再按一下,即可关闭此窗口         面消失,恢复刚才出现的原画面)。在按帮助键后,一般在原画面上出 ( 帮助画 现如双

点画线的小画面,阅毕按本键,即 恢复原画面。 菜单键的功能      当画面上有此键时,按下该键可以 顺序,也不必恢复至主菜单画面,即可出      不按 现 主菜单画面下方除原内 容的主菜单名称, 按下所需内 容,即可直接转入该内容画面。 () 机组启停控制系统的设计开发      2 为了      实现监视机组的自 动运行, 在画面上设计了“ 机组自 键、“ 动” 系统启动”键、 和“ 确认完毕” 键,并做相应动态连接。 ①“      动”运行监视画面的开发 机组自 按“      动” 机组自 键,再按 “ 确认” 键即自 动切换到 “ 机组运行监视”画面如图 2 . 4 所示; 按机组运行监视画面左下角 “ 统启动” 系 键即转换。

制冷站制冷机组控制系统设计

表 22控制点
T b2 C n oP i a.  ot l n . 2  r o t 序号


代号
T 12 I0 T II IO T 13 I0

测A-4 制点名称 . 空 -

安装部位

安装元件

冷水进口温度     
冷水出口温度     

冷水进水管          冷水出水管         

铂电阻   

2 3 4


铂电阻   
铂电阻   
个 电阻      白

冷却水进口    温度 冷凝温度       
蒸发温度       

冷却水进水管       

T 14 I  0
T 15 I  0 T 16 I  0 T 17 10

冷凝器筒体( 近管板、 液面下 )
蒸发器液囊          熔晶管套管          高发液囊         

G 电阻    白 铂电阻    铂电阻      铂电阻   


自   

烙品管温度     

I   

高发中间溶液出口 温度
蒸汽凝水温度     

8 9

T 18 I  0
T 19 I0 T IO II

低发浓溶液出口 温度
溶液喷淋混度     

1 0
工 1

PAO I II PA 0 I 12 PA 0 I 13
SC O III

1 2 1 3
I 4 1 5 1 6

自      抽装置压力 高发压力       
蒸汽压力       

蒸汽凝水出口        低发液囊 (    靠传热管侧) 低温热交换器浓溶液出口    自        抽装置顶部 低发冷几蒸汽能水出口 端盖 蒸汽进口        端盖
蒸汽进口          管

铂电阻   
铂电阻   

压力传感器 压力传感器
压力传感器

溶液泵速度     
蒸汽流量       

控制箱            变频调速器

FC 0 I 11
L 12 I0

蒸汽调节阀

高发液位       

高发液囊            液位检测电极

冷水断水一      可能因为冷水泵吸入空气,以 致流量波动, 延时三秒再进行处理; 所以 冷 却 水低温; 机组内 部冷剂水量有自 动调 一 7 机制,所以允许3 分钟后再进行处理。 0 ()限      2 度控制 ①冷却      低温限 水进口 度控制

冷却水      温度在10 4  范围内 常 进水 8 -30o C C  可正 运行, 温度过低, 但 机组有可能 结晶
所以当 10-t 8 6 < <2℃时,对制冷量进行限度控制,其调节回路框图见图24 C .
温度传感器
P LC

蒸 汽 电控 阀

图24 .  冷却水进口低温限度控制框图
F .  l k i 2 Bo g . c 4 

oc tl g l l iep a rf C on wt etn f rl t o i t  ete  olg  r a e o oi h w  t ru o n n e  m m r  i a n c e r

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表23      设定值 ,项目
Tb2 Po cealh  e a.  re s bsvl . j t  i a 3  t v
类 别
重 故 障 项目

元件

设定值   
6% 8% 0- 0
45    , 亡C 40    . OC

冷水断水    冷水出口低温 冷剂水低温

靶式流量控制器
铂 电阻      铂 电阻     

溶液泵过流 熔晶管高温
轻 故 障

热继电器   
铂电阻     
铂电阻      铂 电阻     

额定电流
5 “C    5 4 'C    5
1 0     C 8

冷凝器高温

冷却水低温

冷剂泵过流 高发溶液高
高发高〕    蒸汽压力高

热继电器   
铂电}      沮

额定电流
10    C 6 ' 

压力传感器   
压力传感器   

70mg 4mH
?0 7 P .  e M

通过温度传感器将测得的低发出口      浓溶液温度 〔l 和冷凝器的 t) 冷凝温度( ) t 信号 2 输入 P( L 控制器, 二 经运算求得该浓液的 浓度和结晶 温度, 在此温度 〔3 基础上加一定 t) 的 温度差△七 即为安全温度 (4 t)。
同时由      温度传感器将测得的喷淋溶液 (5 t)的信号输入 PC 将运算结果用以判断 L,

该 溶液结晶 可能性的 大小? 门 关系是: 他了的 喷淋溶液温度 (5 t)>安全温度 (4 结晶 t)> 温度 (3 t)

当      喷淋溶 液温度 (5 低于安 t) 全温度 〔 ) PC 器对输入蒸汽量 〔 冷量) t 时, L 控制 4 制
进行限度控制。其调节回路框图。

蒸汽调节阀

图25                .溶液浓度限 度控制框图 F .  lk  r oc tl g i ocnao osli i2 Bo dg m o rl l t  ettn o tn g . c i a f  oi i cn r 5  a n n m i f  o u

, I 2 ?

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②蒸汽压力限度控制
当蒸汽压力 即 P . a >06P 进行限度控制,只有当 P . a时经延时停机,其调 M >07P M
节回路框图。

图26 . 蒸汽压力调节控制框图 F . Bok  r os a p s rcno i 2 l d g m  t m  se  t l g . c i a f  r u or 6  a e e

③溶液循环量 ( 高发液位) 控制

M2了高一低液位调节框图

F .  l k  r or utn  e  l lu le i2 B cd g m e lo i hh o i i e l g . o i a f ga n  i w  d  7  a i t 沙 q v

从高 二低 液位和高发 ( 高压发生器) 压力二个方面 进行控制, 二者矛盾时,以控制 高 刁 液为主。 ‘氏 通过电极检测高压生器溶液的高一低 液位,当液位低时变频器以高频运 转。当 液位高时。 变频器停止运行。其调节回 路框图 见图27 .0 当液位正常时, 通过高发压力传感器, 将压力转换为电 信号, 控制变频器的频率。 通过这种方法以 稳定高发 液位, 控制溶液循环量。 其调节回 路框图 见图28 . 

压力式传感器

P C L

图28 压力调节液位框图                  . 高发 F .  lk  rn  e ile e l d hh h r s e i 2 Bo d g ot lu e l  a 妙t i uep s r g . c i w f i d  r ut 8  a h q v g e e  t r u g t e

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273 ‘. 制冷量控制

()以      1 冷水出口 温度为 制 准。 冷量的控制是自 控系统中最基本、 最重要的 任务, 即
控制机组的制冷量使其符合外界的冷负荷的要求。

当      机组内 一外部条件在一定范围内 变化时, 冷水出口 温度的高低 ( 与设定值相较)
直接反映了制冷量与外界冷负荷的匹配程度。

当      温度信号输入P 可编程逻辑控制器) 冷水出口 L C( 经过PD( 例一积分 I 比 一微分) 运算,不但根据单一数据而且还根据历史情况和变化趋势,将多种因素综合运算后,自
行调整蒸汽调节阀的开度,以达到完善的控制。
P C        L

3水口度 一 }A感 一 冷出温 ME 器 传
} 卜,

冷却水进口 低温 溶液浓度   
蒸汽压力     

} 一

三项限 度控制

图29 . 制冷量调节控制框图

F .  lk r orretn ntcno i2 B cdg m eiri qa i ot g . o i a ff a u t 9  a g o y  r

<) “      度控制” 2在 限 确保机组 和稳定运 安全 行的条 件下对机组制冷量控制。 由      于对机组性能和外界条件之间的内 在联系,有着深刻了 经检测一运算一执行 解, 机构 之间的 完美协作, 对机组的 程序、 安全保护和制冷量调节等方面全方位的 进行自 动 控制。 做到了 即能按预定程序有序地运行, 对突发性故障能及时地作出 恰当的处理,而 且能 够通过运算综合多因素变化条件下的最合理的控制方法,使机组获得安全和 级 最高 经济 效益的 运行结果。

28本章小结 .
本章简要介绍制冷的      含义、 应用与设备、传热原理及制冷工作原理,另外详细介绍 了M I 化自 M 智能 控系统装置的设计开发 及机组控制。

制冷站制冷机组控制系统设计

3 模型建立

31 . 调节器模型建立
数字PD控制器是在模拟 P      I I D控制器的基础上发展起来的, 人们将模拟PD控制规 I

律弓入到计算机中 } 通过适当变换,就可以 用软件实现PE控制,因为计算机程序的灵活 I ) 性, 很容易克 服连续P 3 I 控制中存在的问题,经修正而得到更完善的数字PD算法。随 I I 着微处理机技 术和现代控制理论的发展, 近年来又出 现了 许多新型智能的P I D控制器, 使P I D控制器适用于更复杂的工业应用场合。 数字P I D控制算法通常分为位置式P I D控 制算 法和增量式P I D控制算法; 1 2 1

图31数字PD .  I控制器 F .  it  cn lr i 3 Dg P o rl g . iI t e 1  D  o

311 ..位置式PD 工 控制算法 对模拟PD I控制器离散化处理,可得位置式PD I控制器表达式
了1


1  
 召  厂‘  、          
   

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(.  31 )

   
 

或 u )Ke )  (+ ( - I ( = pK+  ! K[ ) 一] K ( K , ) e e ) 艺e d  ( K k

(.) 32

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式中, 为采样周期, ( 为第 k      T e  K ) 次采样时刻系统的偏差值。由z 变换, 位置式PD 工
控制器的 z 传递函数为

U( s ) + , 一一 K ( :) , , I C,  rz = () K + , 1 一 一:1 Es ( )

( ) 33

决 。 ,、 。 。 艺 。 艺 一I a  v t) Z  rZ 二八尸十人1 下 十八 — 一 J
z 一 1                                                       . .

( ) 34

位置式 PD I 控制系统如图32 . 所示。

图32位置式P . 功控制系统

F .  otn  eP c tl  m i 3 Psi m dl  o r s t g . i o I n ye 2  o D  o s

位置式PD I 控制算法流程图如图33 . 所示。

3I 增量式PD .  2 I 控制算法

所谓增量式PD      工控制算法是 指数字 控制量的 只 输出 是控制量的增量A() 某些控 uK 。 制系统的 执行机构 ( 例如步进电 需要的 机) 控制量只是增量,因此应采用增量式 PD I控
制算法。 增量式PD I 控制算法的表达式为

A () A( )  ( I C( 2 u = e + K一) e K K B e + K一 )

(.) 35

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式中 ,

A二

一 ) 入 。十人 十 儿. = *


Z、

。K+ ( 2 =,  K K -( I  , d 争一 ,  +  )
C  。 =人 一 二 入
Z            '

_

了 七

由 可见, 参 , ,, 确 后, 要 用当 刻 前 采样时 误差 上 当 数K ,, T 定 只 使 前时 和 两次 . T T 刻 值
即可计算出 控制量的增量,则当前时刻控制量为 uK =uk 1 d ( ) ( ) (一) uK +  当然, 对于有积累作用的元件 ( 如步进电机)可自 动实现控制量的积累
〔 6 3 )

图33 控制算法程序流程图 Fg33 w r ff s  a ocnoaot i.  F caoot p g m  otl r m . l h t  h r o o r f r li g h

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开 始

计算 控制参数: ,  AB ,
设置初值 e 1= ( 2二 ( ) k ) K e  - -

读入采样值yK ( ) 计算偏差值e  :K ( ( 二( K K ) 卜v  )

计算控制量A() u ) A() B( 1 C( 2 u ,A( = e + e ) e K K K K一 + K一 )

输 AK 出. ) ( j
为 一 刻 准 ( 1 e ) (- ( 1} 下 时 作 备e ) (2 e ) e - K 寸 k   K k ) - -
返 回
图34 . 控制算法程序流程图

F . F w h t  t p g m otl r m i 3 l c r f e r oc r aot g . o aoo h r a f  o l i 4  f  o n g h


u )JA( ( = U) K j
增量 I控 式PD 制算法程序流 如图34 程图 .所示a s :
313两算种法的比较 ..

(, ) 37

位置式算法由      于是全量, 每次输出 所以 均与过去状态有关,计算时要对 e  ( 进行累 K ) 加,工作量大;因为计算机输出的 U对应的是执行机构的实际位置,如果计算机出 k 现故

5, 4 输出的U 幅度变 会引 q 将大 化, 起执行 机构的大幅 变化, 度 有可能因 些造成严重生 产
事故,

增量式 PD      控制算法可以 工 避免上述现象的发生。比 较两种算法也可以发现, 增量式

算 计 法的 算量要小得多,因 此在实际中 得到了 广泛的 应用。 此外位置式PD      工 控制算法也可以 通过增量式控制算法推出递推公式 本项目      的系统开发中,我们采用增量式P 控制算法 I D

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32 .控制规律
比 积分和微分是三种基本的控制规律。      例、 控制器输出的变化量 ( u 应与偏差( L) e ) 间 有一定的函数关系,这三种基本的 控制规律正 好都是线性的运算规律。 其中,比 例作

用是 最基本的; 积分作用可以 单独使 但更多是与比 用, 例作用结合在一起伊) 微分作用 I - , 不能 独使 它通常是与比 单 用, 例作用 合( ) 或与比 相结 P , D 例积分作用相结合(De ( ) P I
()比例作用      1

比      例控制 作用是一种非常直观的控制规 它具有三个基本特性: 律, ①偏      差为正时, 控制作用发生某一方向的 变化, 其效果应能使操纵变量朝向消除偏 差的 移动: 方向 偏差为负时,控制作用应发生相反方向的变化。

凡是      值增加或在测R值降 在给定 低时, 偏差正向 即 增长时, 控制器的 信号随之 输出 增加的 作用方式, 称为反作用;反之,则称为正作用。 ②在一定      界限内, 控制作 变化量与 用的 偏差的 大小成比 P( 例) 例, 比 作用的 名称
由此而来。

③控制作用的变化范围是有界限的,      在控制作用达到上下限后, 即使偏差进一步扩
大,控制作用也不再变化。

比      例控制的作用是对偏差瞬间作出 快速响 偏差量一产生,控制器即 应。 产生控制作 用, 使控制量向 减少偏差的方向 变化。 控制作 用的强弱取决于比例系数,系数越大,控 制作用越强, 大的比 但过 例系数会导致系统振荡, 破坏系统的稳定性。 ()积分作用      2
积分控制作用具有三个特征:     

①偏差为正与为负时,控制作用的变化方向      是不同的。 ②在一定界限内,      控制作用的变化量与偏差 对时间的 积分值成正比, 积分 ( 作 I ) 用的命名由 此而来。也可以 控制作用的变化速度与偏差成正比。 说, ③控制作用的变化是      有限的。 在控制作用达到上下限 即使偏差进一步加大, 后, 控 制作用也不再变化。 积分环节的作用是把偏差的      积累作为输出。 在控制过程中,只要有偏差存在,积分 环节的输出 将会不断,直到偏差为 零,输出 才能维持在某一常量,使系统在给定值不变 的清况下趋于稳态,因此,即使不加控制量,也能消除系统的静杰误0o

大连理」大学专 位硕士学位论文 _ 业学

积分环节的调节作用虽然会消除静态误差,      但也会降低系统的响应速度, 增加系统 的超调量。 积分常数越大, 积分的积累作用越弱。 增大积分常数会减慢静态误差的消除

过程, 但可以 超调量, 系 稳定 减少 提高 统的 性。 当偏差长期存在时,也会出      现积分饱和现象。 如果偏差长期存在,由于积分作用,
控制器的输出一定会趋向于它的界限值。 ()    3 微分作用

微分控制作用也是常用的控制规      律, 其特点是: ①偏差上升    或下降时, 控制作 用按不同方向 变化。

②在一定界限内, 制作用的    控 变化量与偏差的 变化速 〔 对时间的 数) 例, 度 即 导 成比
微分作用 ( )的名称由此而来。 D

③控制作用的    变化范围也是有界限的。 微分作用是 依据偏差的 变化趋势而动作的, 较 之单纯依据偏差的本身数值在时间 上有超前作用, 在相位上也有超前作用。 他特别适用
于多容量的对象。 微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势进行控制。偏差出现      的变化的越快,微分控制器的输出就越大,并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用

的引 将有助于减少超调量,克 入, 服振荡,使系统趋于稳定, 特别是对高阶系统非常有 利, 它加快了 系统的 跟踪速度。 但微分的作用对输入信号的噪声很敏感, 对那些噪声较 大的系统一般不用微分,或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。 适当的      选择微分常数,可能使微分达到最优。 微分作用的引入有时也带来一些问题:      O.      0果急 速调整给定值, 起偏差发生 将引 突变, 接近阶跃函 式, 控制 输入 数形 此时 器输出会出现大起大落。纵然不见得会出乱子,但操作人员至少在心理上也承受不了。 所以, 对于给定值也有微分作用的 控制器,在使用上须加小心,设定值的调整必须和缓
平滑。

②如果      测量值中 存在噪音,即 有小 杂 幅值的 波动时, 高频 微分作用会将这些 波动分 量 放大, 控制器输出 使 也产生 波动, 剧烈 这是不 希望发生的。因 对于流量和有些液 此,
位控制系统,一般不引入D作用。

33 ,数字PD I的改进算法
()      1 对积分的作用的改进

引      入积分环节的目 要是为了 静态误差, 控制精度。 的主 消除 提高 但积分积累也 会引 起 积分饱和效应, 这将造成系统振荡, 调节时间 变长等不利结果[ 1 8 1

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采用以      下两种方法可以消除积分饱和带来的不利影响, 需要对控制算法进行改进 0积分分离法        当      积分分离法的思路是:当被控量与给定值的偏差较大时,去掉积分,以避免积分 饱和效应的产生;当被控量与给定值比 较接近时, 重新引入积分, 发挥积分的作用,消 除静态误差,从而既保证了 控制的精度又 避免了 振荡的产生。
②遇限削弱积分法     

遇限削弱积分法的思路是:      一旦控制量进入饱和区, 便停止进行增大积分项的 运算, 而只进行使积分减少 ( 即所谓削弱)的 运算。 两种分离法的区别在于:      在进入极限范围后, 积分分离法便停止积分, 而遇限消弱 法刚有条件去积分, 这种算法可以 避免控制量长时间停留在饱和区。 C)      2 对微分作用的改进
微分环节的引入改善了系统的动态特性,但微分对干扰非常敏感,这使它可能会造     

成不利的 影响。 看出,由于采样周期非常小, 可以 差分 ( 特别是二阶差分) 对数据误差 和噪声特别敏感, 一旦出 现干扰, 表现为差分突然变大, 从而引起控制量的非正常增大; 假如这时系统已 进入稳态,干扰会通过微分 项使系统产生振荡。 ①不完全微分法     
c微分先行法     

33 . 本章小结
本章介绍了调节器模型建立。      其中对位置式P I D控制算法和增量式P I D控制算法进 行详细阐述, 并对两种算法进行了比 同时 较; 介绍了 三种控制规律及其特点。 引入了P I D 的改进算法。

在本 的      系统开发中, 项目 我们采用增量式PD 工 控制算法, 实现PD I 调节, 具有非常 强的灵活性, 根据实验和经验在线调整参数可以 可以 得到更好的 控制性能。

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4 过程控制系统软件开发 41 . 软件开发
设计中选用目      前较为流行的组态王软件作为上位机监控软件,从而实现远程控制, 与就地触摸屏控制形成冗余的控制方案,更进一步为上层管理所应用。 主要设计包括画面的绘制;数据库的建立;函数的自      定义;动画连接。 组态王的易用性、开放性和集成能力使它成为优秀的通用组态软件。组态王运行于      最先进的操作系统环境之上,并能与通用的桌面应用软件进行通信。应用 “ 组态王”软

件, 用户可以 方便的构造适合自己 需要的 “ 监控和数据采集系统”, 在任何需要的时 候 把生产现场的 信息实时的 传送到控制室, 保证信息在全厂范围内 畅通。 组态王的网络功能使企业的基层和其他部门      建立起联系,现场操作人员 和工厂管理

人员都可以 各种数据。 人员不需 看到 管理 要深入生产现场 即 可获得实时 和历史数 据,
优化控制现场作业,提高生产率和产品质量o “     .3 是运行于 Mcoot  dw 9/8N 组态王 60” irsf Wnos  9/T中文平台的全中文界面的 i a

组态软件, 采用了多 线程、 O 组件等技术, CM 实现了实时多任务, 软件运行稳定可靠。

“ 态王”      件包由 程管理 ( 组 软 工 器 组态王) 工 、 程浏览器 ( uhxl e) 画 T cE o r 、 面 o pr
运行系统 (ocVw Tuhe)、信息窗C 等四部分组成。其中,工程管理器用于新建工程、工 程管理等。工程浏览器内嵌画面开发系统,即组态王开发系统。 工程浏览器 Tuhxlrr 和画面运行系统 (ocVw 是各自      (ocEpoe) Tuhe) 独立的Wnos idw

应用程 均可单 序, 独使用; 两者又 依存, 相互 在工程浏览器的画 发系统中 面开 设计开发 的画面应用程序必须在画面运行系统 ( uhe) T c w 运行环境中才能运行。 o V
组态王60 具有一个集成开发环境 “     3 . 组态王工程浏览器”, 在工程浏览器中您可以 查看工程的 各个组成部分, 也可以 完成构造数据库, 定义外部设备等工作。画面的开发 和运 工程浏览器调用画面制造系统TUHA 和画面运行系统TUHE 来完成的。 行由 OCMK OCVW TUHA 是应用程序的开发环境,需要在这个环境中完成设计画面、 连接等工      OCMK 动画 作。 O FA 具有先进完善的图形生成功能; TU I K CM 数据库中 有多种数据类型,能合理地抽象

控制 对象的 特性: 对变量报警、 趋势曲 过程记 安全防范等重要功能 线、 录、 都有简单的
操作方法。

制冷站制冷机组 控制系统i Q 计

6应用成果及经济分析
随着现代科学技术的飞速发展, 及人类保护生态环境意识的      以 增强, 年来被压缩 多 式制冷机广为采用的制冷剂氟利昂由于 对大气 臭氧层具有一定的 破坏作用,各国 环保组 织已 00 于20 年发出了 禁止生产令。 新型制冷剂的待开发及压缩式制冷机能源消耗大的矛 盾也就显得更加突出。而澳化锉吸收式制 冷机以 其节省能源、 不污染环境及一机多用等 特点得到了 广泛应用。 澳化铿吸收式冷水机组以      热能为 动力, 以水为 制冷剂, 澳化铿溶液为 吸收剂, 制取 高于0 ℃的冷水,可用于空调或生产工艺过程的冷源。 其显著优点为:      (      D无环境污染 已 经替代氟利昂制冷成为理想压缩式冷水机组. (以      2 热能为动力, ) 大幅度节电,以 废热为动力, 大幅度节能。 利用各种废气、 可 废热来制冷,几乎不需要花费运行费用,便能获取大量的冷量,具有很好的节电、节能 效果,经济性高。 ( 冷量调节范围广,      3 ) 冷量可在 2-0% 010范围内进行无级调节。

( 该机组振动小,噪音低,      4 ) 运行安静。 在真空状态下运行, 无爆炸危险, 安全
可靠。

( 以澳化铿水溶液为工质,      5 ) 无毒、无臭、满足环保要求,是一种无公害、 环保
制冷设备。

( 安装简单,另手动与自      6 ) 动相结合的运转程序控制,灵敏、可靠的安全保护与 调节系统,使机组操作、维护方便简易。 由于其显著的特点,      特别是在节能环保上方面的优越性,它为用户带大的很大的收 益空间,在配合设计的制冷的最优控制。 本项目 至少每年多增加收益 六十余万元左右.

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通过对制冷站制冷机组工艺的研究和其控制方案的设计,巧妙地运用了两套软件,     

即 机监控软件组态王和下位机编 上位 程软件C-rgamr XPo me 来完成对制冷的 优控 r 最 制。 上位机监控软件即工控组态软件是利用系统软件提供的工具,      通过形象的组态工作, 结合调节器的数学模型, 利用监控软件, 做出丰富的动画效果,对现场进行实时的监控
达到工艺控制要求。

下位机编程软 XPo a e 即PC      件C-r r mr L 编程软 具有可靠性高、 gm 件, 编程简单、 易维 护、 扩充等特点。 易 而其功能 增强, 执行包括逻辑运算、 逐渐 能 计时、 计数、 运算、 算术
数据处理、中断、通信联网等各种指令。结合 PC的功能和特点,在对控制方案和控制 L 要求深入研究的基础上,运用 C-rgamr XPorme 编程软件实现了 制冷的优化控制和相关过 程控制和电 气控制。

通过本次设计了解了当前应用前沿的最新科技知识,      对于制冷的最优控制,集散控 制系统,工控组态及 PC L 编程都有了 较深的理解。 本设计己 经调试完毕投入正常运行阶
段。

目      前此系统运行良 但是还可以 L 好, 在PC程序编制的过程中采用一些优化的算法进 行编制, 从而减少程序的扫描周期,提高系统运行速度, 减少系统内存的占用量,更好
的实现制冷系统的优化控制。

制冷站制冷机组控制系统设计

参 考文 献
〔 汗治淳卜 川 澳化钾制冷技术的 应用, 机械日究与应用,1 81-8 { 9 : 1. 9 0

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仁 6 1荣冈, 金晓明 王树青 先进控制技术及应用. , 第三讲 软测量技术及其应用化工自 动化及仪表,
19 :  :6 9 9 1 1. 4

[ 7 〕王树青, 金晓明, 荣冈 先进控制技术及应用 工业生产过程的先进控制. 化工自 动化及仪表. 9 19, 9
2 ( ),1: .   2 5  0 1 4

仁 琳. 8 ]陈 可编程控制器应用技术 北京: 化学.业出 L 版社,04 20. [ 风琴‘ 库原理 9 〕张 数据 及应用 北京: 清华大学出 版社, 05 20 [ '朱学峰 i 1 D t 程控制技术的发展 现状与展望 测控技术,1 9 1 ()  54. 9 ,  7 :  7 9 8  4- Fl il谢松云, 张建 王公望, 董大群 工业计算机控制系统的应用f=和发展方向 测控技术,1 9 hi k 9 , 9
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P E, 9 : -7 S 1 75 5 9 5

[ ] l V  d te  r s t s c iead l tn.ae Dkel , 8 2 Cam  .  i cno ye - h q s a i i s r l k ,c97 6 ha VA a v otl  m t n u n p c o M c e r 1 p s e pa n

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[ ]  iR D s n Ds bt C no Ssm i h N x Mi ni .  ptg  C no 2 Lws  ei o iru d  t l t s  e  t l n m C m un ad  tl 7 e .  g f t e o r y e n  i  t e l u o i n or e Eg e i J r l 7 ( :- . ni en o n , 9,44 5 n rg  a 1 8 )7 0 u 9 [ ]  rn  o mn  h R a tA vne P c s  tlo D C  e-ie iitn 2 Pd s C H f a TTe  d  dac r e C nofm  tRaT O t zi 8 e e ,  e .  o o  d  s o r: o r O o  l m pm ao ad  od r rtoI C  C E Bn aaa19: - . n Byn, pis F A H M,a代Cnd , 7 8 0 e P n f  D e A 9 34

[ ]  on R r e Cnoit Ft . m un ad  tl nenJ m l 97 (:- . 2 Bn n .o s otl e  rC p i n C no ni rg  a 1 ,42 2 9 e n  c s  r n  u e o tg  o r Eg e i o , 9 8 )1 5 s P h u u [ ]  Tr. e n g  -a i iea s  fcvoet u , C , 8, (: - 3 Gr  e sgi mn c n nrc f eei p ar  &  1 8 1)7 0 0 a u r i n a m h e  fe o y D t r  te  o sI S 9 6 72 3 r e [ ]  n  i ai m royuD SC  , 9,4- . 3 Dr Lws k g  e or  ,&  93 : 4 1 a e . n o f  C e M 1 1 5 14 [ ] o kel u m t t i ad  t o f P cnoe- u e. tEgP cc,  : 3 Atm  t. t ac n n aa a n  I ot lra r yC n. . te 1 3 2 s r ,aA o i u g  d t o D  r lss v o r n r i 9 n p i r  a 9
4 -0 86 .

4 9

制冷站制冷机组控制系统设计





经过近      三年的学习到了 要交毕业 时 毕 计也接近尾声了。 卷的 候, 业设 本次的毕业设计得到我的导      师、大连理工大学的王占 杰老师精心的指导和不倦的教 诲。 在我的毕 文中中 业论 倾注着导 勤的 水和 师辛 汗 心血。 在此, 我表示深深的 感谢。 在这几年的学习中聆听了      大连理工大学多位老师教诲, 老师们用似 门 渊博的学识, 严谨的 态 使我 治学 度, 们获益匪 对我 浅, 们今后的 工作学习 将产生很大的 都 影响,同 时 也 得到王爱民 等老师的 热情帮 在些深表 助, 感谢. 同时,      在课题的 设计中, 也得到了吉 林化工学院孟亚男 老师的 热情帮助, 她表 也向
示感谢。

在几年的学习中也得到系领导、 室同事及研究生班同学的关怀和帮助,      办公 在此也
向大家表示感谢

由     平有限, 于本人水 加之时间 仓促, 难免 些不妥之处, 文中 有 敬请各位老 师指正。 最后,      谢在百 衷心感 忙之中 论文 加 评阅 和参 答辩的 各位专家、 授卫 教


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