（通信与信息系统专业论文）除冰车加热控制系统体系结构设计.pdf

中文摘要 摘要：由于我国冬季下雪比较频繁，下完雪开始的低温雨雪冰冻灾害，产生了难以预料 的影响。大范围的雨雪、冰冻和强降温天气对交通运输、能源供应、电力传输、农业及人民群众生 活造成了严重影响和损失，城市道路和高速公路的路面积雪结冰问题严重，影响汽车行驶， 容易造成交通事故。因此，针对冬季的路面情况，设计了具有除浮雪和结冰功能的除冰车 加热控制系统。除冰液的加热控制系统设计主要内容包括出口温度的控制，温度、压力、 流量的显示和报警等。本系统采用松下f p 系列p l c 控制器，由它处理相关输入输出信 号，驱动各电动阀以及燃烧器，来控制整体除冰液的出口温度。仪表作为显示装置显示 各管路信息。 本文根据实际除冰液控制的性能指标，设计搭建了除冰液加热控制系统的实验平 台，为以后的除冰液加热控制的研究，提供实验依据。本文在设计当中，着重进行的工 作有：研究和分析了除冰液加热、控制系统各个控制量，设计画出除冰系统试验平台原 理图，设计控制逻辑。分析被控量确定系统采用可编程的控制方法，选择p l c ，设计i 0 点，画出i 0 连接图和仪表的外部接线图。完成硬件选择及参数的确定，设计控制柜整 体布局并完成p l c 、仪表、开关量的接线。确定系统加热器、储液灌、执行机构( 传感 器、电磁阀等) 实际场地布局，完成设计上的总体硬件接线。编写可编程控制梯形程序， 对硬件进行联机调试。本文的创新点是自行搭建的除冰液加热控制实验玉f 台，采用对流 量扰动具有鲁棒性的控制算法，该算法局部有很好的调节跟踪效果，对后续除冰加热系 统装备的研发具有借鉴作用。 关键字：除冰液加热控制温度实验平台传感器 a b s t r a c t b e c a u s eo fm o r ef 沁q u e n tw i n t e rs n o w s ，t h es n o wb e g a nt oc o m p i e t et h el o w t c m p e r a t u 佗u n d e rt h es n o wa n di c es t o n n s ，佗s u l t i n gi nu n p r e d i c t a b l ee f r c c t s aw i d e 饱n g eo f s n o w ，i c ea n ds t r o n gc o o lw e a t h e rt ot h et r a n s p o r t ，e n e r g ys u p p l y ，p o w e rt m n s m i s s i o n ， a g r i c u i t u r ea n dp e o p l ei v i n gw i t hs e r o u si m p a c t sa n dl o s s e s ，u r b a nr o a d sa n dh i g h w a y s s e r i o u sr o a ds n o wi c e ，d r i v i n go fv e h i c l e s ，l i k e i yt 0c a u s et m m ca c c i d e n t s t h e r e f 0 佗，f o rt h e w i n t e rr o a dc o n d i t i o n s ，d e s i g n e dw i t hs n o wa n di c et h a nf l o a t i n gf u n c t i o nd e i c i n gv e h i c l e h e a t i n gc o n t r o ls y s t e m d e i c i n gf l u i dh e a t i n gc o n t r o ls y s t c md e s i g nm a i n l yi n c i u d e so u t i e t t e m p e r a t u c o n t r o l ，t e m p e r a t u 佗，p s s u m ，f l o wd i s p i a ya n da l a 唧t h es y s t e mu s e s p a n a s o n i cf p s e r i e sp l cc o n t r o l i e r w h i c hw i l ld e a lw i t hr e l e v a n ti n p u ta n do u t p u ts i g n a l s t 0d r i v et h ee l e c t r i cv a i v ea n dt h eb u m e rt oc o n t r o l t h eo v e 豫i id e - i c i n gf l u i do u t l e t t e m p e r a t u 托i n s t r u m e n t 嬲ad i s p l a yd e v i c ed i s p i a yi n f o r m a t i o no nt h ep i p e l i n e b a d0 nt h e t u a id e - i c i n gf l u i dc o n t r 0 ip e r f o 册a n c e ，d e s i g n 锄dc o n s t r u c t i o no ft h e d e i c i n gf l u i dh e a t i n gc o n t r o ls y s t e me x p e r i m e n tp l a t f o 咖f o rt h em t u r e0 ft h eh e a t i n gc o n t r o l 0 f d e i c i n gf l u i dt op r o v i d ee x p e r i m e n t a lb a s i s i nt h i sp a p e r d e s i g n s ，f 0 c u s i n go nt h ew o r k c a 盯i e do u ta 心：代s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ed e - i c i n gf l u i dh e a t i n g ，t h ec o n t m ls y s t e mo fe a c h c o n t r o lv o i u m e ，d e - i c i n gs y s t e mt e s tp i a t f 0 册d e s i g n e dt 0d m wt h es c h e m a t i c ，d e s i g nc o n t m i i o g i c a n a i y s i st od 芒t e 咖i n et h ea m o u n tc h a r g e db yap r o g m m m a b l ec o n t r 0 is y s t e m ，s e l e c tt h e p l c ，t h ed e s i g ni op o i n t s ，d i a wt h ei oc o n n e c t i o nd i a g r a ma n dw i r i n gd i a g r a mo ft h e e x t e m a i i n s t r u m e n t t h eh a r d w a 代l e c t i o na n dp a m m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，d e s i g nt h eo v e 豫 i a y o u to f t h ec o n t r o lc a b i n e ta n dc o m p i e t ep l c ，m e t e r s ，s w i t c hw i r i n g d e t e 咖i n et h es y s t e m h e a t e r 锄d 心s e r v o i rf i i i i n g ，t h ee x e c u t i n ga g e n c y ( s e n s o r s ，s 0 l e n o i dv a l v e s ，e t c ) t h ea c t u a ls i t e l a y o u t ，c o m p l e t et h eo v e r a l id e s i g no ft h eh a r d w a r cc o n n e c t i o n p r o g r a m m a b i ec o n t r o l l a d d e r p r o g 忸mw r t i n g ，d e b u g g i n go f h a r d w a r co n i i n e i n n o v a t i o no f t h i sp a p e ri st 0s e tu pt h e i ro w n d e - i c i n gf l u i dh e a t i n gc o n t r 0 ie x p e r i m e n t a ip l a t f 0 咖，t h eu s e0 fr o b u s td i s t u r b a n c eo nt h ef 1 0 w c o n t r o la l g o r i t h m ，w h i c h 佗g u i a t et h ei o c a l t r a c kh 嬲ag o o de f r e c to nt h es u b s e q u e n t d e v e l o p m e n to fd e - i c i n ge q u i p m e n th e a t i n gs y s t e mw i t hr e f e 陀n c ee f f e c t k e y w o r d s ： d e i c i n gf i u i d ；h e a t i n gc o n t r o l ；t e m p e 忸t u 怕； e x p e r i m e n t a lp i a t f o 咖 s e n s o r n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 从零八年以来，全国各地大多数地方发生雪火事故，路面上的积雪积冰严重影响车 辆的行驶，往往会造成交通严重中断，给人民生活带来了不便，为此，中央调集大量人 员进行救灾活动，这样人量浪费了人力资源和财力资源。在打通各交通线路中，所采用 的除雪除冰设备可谓五花八门。大量铁锹、撅头、扫帚，许多专用除雪除冰车( 推雪车、 撒布车、洒水车、除冰车等) ，大量建筑工程机械( 如装载机、平地机、挖掘机等) 、军 用坦克、消防车等都不同程度地派上用场，采用综合或单一作业模式、机械或化学除雪 除冰方式，效率各不相同。从除雪除冰设备来看，靠人山人海战术操动铁锹铁镐和撒布 融雪剂的做法，虽然设备成本极低，但方法太“笨”，效率极低，而人力成本极高，在 极小范围内集中搞一搞还可以，并且除雪除冰对环境影响火，工业用盐和融雪剂，多数 为人工和撤布车撒布，少部分通过洒水车洒布。工业盐和融雪剂对路边植被和桥梁的破 坏，现在还看不出来，但答案是肯定的：除用食用盐外，对附近饮用水质也会造成影响。， 但相对当今的交通需求来说已显得十分落后了，关于专用除雪除冰车，行驶速度快，效 率高，专用除冰车，适合纯雪( 未融化、压实和结冰) ，因此，除冰性能的好坏已经成为 冬季影响交通运行安全的主要原因。同时路面除冰问题也是造成冰雪天气全国城市和高 速交通大面积延误的主要因素。 由于冬季路面积雪积冰成为交通的安全隐患，所以在下雪后的路面进行喷射i 每温除 冰液进行除冰。老式除冰车通过车载燃油锅炉循环加热除冰液1 ，然后再由喷射系统喷 射除冰，启动加热后需经过约5 0 m i n ，才能使除冰液温度升到8 4 ，准备时间长，不能 满足大流量交通对除冰的需要。因此，除冰系统的快速性和稳定性显得尤为重要。除冰 液温度，压力，流量的控制是除冰装备中的技术，也是决定除冰装备作业效率的关键问 题。本文对除冰液加热控制系统体系结构进行了详细的阐述，介绍了自行搭建的除冰液 快速加热系统实验平台，并针对试验中发现的问题提出了解决方案。 除冰液的快速加热硬件系统有并联的三台即热式加热器( 含燃烧器) 、储液箱、燃 油储油罐、相关管路、除冰液泵、喷枪、电磁阀、温度、控制柜( 含p l c 控制器) 及流 量、液位传感器及相关仪表显示等。 除冰系统介绍 除冰系统按工作原理哺1 分为两种：一种足循环加热式除冰车，循环加热式除冰车是 利用车载燃油热交换器循环加热方式，把车载除冰液箱中含有的6 8 吨除冰液从开始 温度加热至约8 4 摄氏度然后再由喷射系统喷射除冰。这种除冰车的除冰液加热时间 过长6 8 吨除冰液从初始温度加热至8 4 摄氏度约需要5 0 分钟左有。老式的国产除 冰车都是采用这种加热循环加热方式。这种除冰车工作效率比较低、能源浪费比较大， 第一章绪论 基本趋于淘汰；而另一种即热式除冰车则不需加热除冰液箱内所有的除冰液，而是把从 离心泵抽出的除冰液直接加热升温到8 4 摄氏度并由喷枪喷射出。除冰液从启动加热到液 体升到8 4 摄氏度只需要1 5 5 分钟，其除冰效率提i 岛很多，所以说即热式除冰加热系 统具有的优势是老式除冰车所不能比拟的。但是目前国内对即热式除冰车快速加热控制 规律还没有从实验及和理论上做比较深入细致的研究，只能突破了这一关键性技术才 可以开发研制山具有自主知识产权、达到国际先进水平的国产即热式除冰车。经过大量 的实验证明，即热式除冰车加热系统具有的特点是非线性、大滞后、时变，并且除冰车 的加热系统的设计要求足超调量小、快速和稳态误差小这些个特点使得该系统很难通 过理论建模的方法确定它精确的数学模型，并且使用经典控制算法难以取得理想控制效 果。针对上述的特点，设计了即热式除冰车的除冰液加热系统并进行了系统建模与仿 真。 1 2 除冰系统国内外应用研究现状 随着国民经济的快速发展，我国的交通问题页日益突出。当前，全国大中城市普 遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象。总的说来，目前我国的城市交通 主要呈现出以下几种特点和问题【1 】： 1 、城市的规模一步步在扩大，带来的运输压力沉重。、 2 、机动车的数量增长快速，道路容量明显不足。 3 、不合理的路网，交通管理低下的水平。 4 、公共交通在不断萎缩，出行结构很不合理。 另外，2 0 0 8 年北京奥运会、2 0 1 0 年上海世博会以及广州亚运会等大型国际活动也 会直接增加交通运输需求。若在冬天冰雪情况下交通压力更是不可想象。未来几年，无 论乘客数量还足汽车规模都将有很大的飞跃，在未来几年内数量还会急剧增加。然而目 前交通的除冰措施已经无法满足冬秋季道路的除冰需求，在冬秋季经常凶为冰雪天气造 成交通瘫痪，每天造成近千万的经济损失。除冰装备保障能力不足会给交通运行安全带 来隐患，甚至酿成严重交通事故。 目前秋冬的雨雪天气还在铁路和空运方面带来了很大的问题，我国1 4 4 个运行机场 中，有冰雪天气的机场达到9 7 个，去年冬季，共有7 2 个机场运行受到冰雪天气的影响， 占运行机场总数的5 0 7 ，根据预测，在所有受到冰雪天气影响的机场中，在未来五年 中，年旅客运输量超千万的机场将达到2 0 个。而从去年1 2 月份至今，全国大部分地区 遭遇多年罕见的低温和雨雪天气，电网负荷持续攀升耗煤屡创历史新高，目前直供电 网平均可耗天数下降到8 天左右。全国特别是华中湖北、湖南、江西三省及京津唐地区 出现电煤供应紧张局面。铁道部从1 0 日起开展为期2 0 天的电煤集中抢运，抢运期间全 国铁路日装电煤4 5 万车，较此前增加7 0 0 0 车。 2 第一章绪论 这一形辨直接造成煤炭等重要物资从需求不足到供不应求的局面转变，山西等产煤 地区也加紧扩大煤炭生产产量。而因气温持续走低、电煤价格高位徘徊、铁路运力有限， 全国行李托运电力供需偏紧的状况仍将持续一段时间，可以预见铁路货运量也仍将保持 稳步上升趋势。铁路和飞机雨雪天气都有巨大的压力，而除冰除雪就相当有必要。 目前国际上集中除冰系统的售价约合4 0 0 0 万元人民币，自主研发价格按国际市场 的一半计算，未来五年将实现近6 亿元的产值，市场潜力可观。通过本项目的研究，有 钊对性的进行技术储备，使我国具有除冰装备的研发能力，对未来从根本上摆脱该设备 对国外的过分依赖性。 目前集中除冰作业方式n 1 的主要优势表现为： ( 1 ) 实现除冰液的就地供给，节省除冰车往返加液的辅助时间，提高除冰车除冰作 业效率； ( 2 ) 实现除冰液的预加热，减少除冰车现场的加热时间和燃油添加频率，从而提高 除冰车的除冰作业效率，同时可以减少除冰作业现场的燃油消耗； ( 3 ) 便于管理，采用集中除冰作业方式容易把除冰作业流程与交通信息动态相关联， 避免二次除冰，保证交通的运行安全；易于实现除冰液的集中回收，减少除冰废液对环 境和生态的破坏。 因此，集中系统对于减少除冰车的辅助作业时间，提高除冰作业效率，减少除冰液 对环境的破坏，保证交通运行安全具有重要的意义。 1 3 除冰液介绍 道面除冰液的主要原料多以碱金属碱土金属的低级有机酸盐，配合以一定量的乙 二醇和尿素。除冰液主要是利用凝固点下降的原理，即其他物质溶解在水中后水的凝 固点会下降。理论上溶解度越大，凝固点下降越大，但同时还要看结合的溶液，必须保 证在使用温度低的条件下，除冰液的溶质不能出现结晶问题。我们都知道一般上含氯化 钠、氯化钙、氯化镁和氯化钾等卤盐的除冰液价格便宜一些，除冰效果好一些，但它们 对金属材料的物品有严重的腐蚀作用，存在一定的不足应禁止使用。除冰液的废液属于 高浓度的有机废水。如果未经回收处理，如此比较高浓度的除冰液废液直接进行排放， 将会给周围的水体环境和水生动植物造成极火的危害。 而在我国使用的所有除冰液废液都没有经过处理直接排放到道路机场周围的生态 环境，造成严重的环境污染。尤其是在2 0 0 8 年年初，我国的南方大部分地区遭受到雨 雪、冰冻灾害的影响，为了比较快速的恢复正常道路运行，迫使使用了大量除冰液。结 果导致使用的地区的水体中的化学需氧量( c o d ) 升i 前巨大，这就说明水体受有机物的污 染增大了。 由上可见，我们应高度重视由除冰液废液而造成的次生环境污染问题。由于二醇类 3 第一章绪论 和低级有机酸盐等主要构成除冰液，而它们对环境的影响，特别是对水环境的影响大体 上有以下两个方面的内容： ( 1 ) 高浓度除冰液废液可大量消耗水体中的溶解氧( d o ) 降解e g 和p g 的需氧量很高，分别为1 1 1g0 2 ge g 降解和1 6 8g0 2 gp g 降解。 当水体受到高浓度除冰液废液污染的时候，势必会大量消耗水体中的溶解氧，从而造成 水生生物的大量死亡，并且致使水体变黑、发臭，严重会影响到水体环境质量和水生态。 ( 2 ) 对水生生物的毒性作用 大量的研究结果证实，除冰液的废液对地表水和地下水中的水生生物具有很强的毒 性作用，这些水生生物包括三种鲦鱼( p i m e p h a l e sp r o m e l a s 、c e r i o d a p h n i ad u b i a 和 h y a l e l l aa z t e c a ) 、虹鳟鱼( 0 n c o r h y n c h u sm y k i s s ) 、弧菌( v i b r i of i s c h e r i ) 和两种水 蚤( d a p h n i am a g n a 和d a p h n i ap u l e x ) 等。另外，除冰液中含有的添加剂，如辛基酚 ( o c t y l p h e n o l ，o p ) 、壬基酚( n o n y l p h e n o l ，n p ) 等的降解产物是具有内分泌干扰效应的。 上个世纪9 0 年代的时候，美国、英国等发达国家就对除冰液的使用和废液的排放 是否对环境造成影响进行过针对性的调查评估，加强了人们对使用除冰液从而造成环境 影响的充分认识。到目前，国外对除冰液的危害以研究除冰液本身及其组分的毒性方面 居多，但是国内却主要集中在除冰废液对机场和高速公路混凝土结构的腐蚀方面进行研 究。 随着我国近年来经济的迅猛发展，人类活动的频度与范围对全球的气候变化也带来 了显著的影响像0 8 年初袭击我国的雪灾极端天气在以后可能会频发，因此，除冰液 废液的任意排放而造成的环境危害应该值得我们的高度重视。对此，在除冰液的使用上 除了从技术上进行改进以外，还应进一步增强环保意识。红外除冰由于价格高，而且受 专利保护等原因，目前在我国的应用很受限；而开发新型的除冰液投资大，国内外也没 有相关的研究，难度比较大。因此我们认为修建除冰坪除和冰液处理池是切实可行的方 法，因为它们的使用不仅能在一定程度上回收再利用，节约成本，还能减少污染。 4 第二章除冰糁体系统分析 第二章除冰整体系统分析 目前，集中除冰作业模式已经成为国际上通用的高效除冰作业方式，其中的人流量 除冰液加热供给系统和除冰车系统均采用即热式加热方法，即需要在除冰液喷射或供液 过程中实现对液体的即时加热，因此需要对除冰液喷射出口温度进行控制。而加热的快 速性和出口温度的稳定性足影响除冰装备作业能力和效率的关键因素。 2 1 除冰系统各部分描述 集中除冰系统【i l 包括：除冰液存储、加热、配比系统、移动式大流量除冰液供液系 统、指挥、调度系统、除冰液回收系统四个部分，各部分系统功能描述如下： ( 1 ) 除冰液存储、加热与配比系统 该部分主要完成为人流量移动加液站供液，该部分主要包括： 除冰原液储液系统：该部分储存除冰原液，实现除冰原液的快速供给，考虑到 不同类型除冰液的存储需求，系统包括两个除冰液储液罐，既可实现i 、i i 型除冰液的 分离存储，又可作为冗余系统相互备份，提高整个系统的可靠性。 管路系统：根据供液系统的供液能力需求，确定合适的管路口径。并依据空间 要求，对管路布局进行优化，保证在满足供液能力和布局空间的条件下，管路的总长度 最小。 加热系统：加热系统的主要作用是给移动加热站提供具有一定温度的除冰液， 加热的作用主要有两方面：一是除冰原液和水加热后可以保证二者充分快速混合，保证 除冰液的除冰性能；二是考虑到如果使用预热式除冰车，加热速度较慢，直接提供热液 可以保证预热式除冰车的加热速度，保证不因为加热问题影响到除冰效率。即使对于即 热式除冰车，直接提供热液也可以保证加热速度，降低除冰车作业现场的加热燃油油耗， 可以防止除冰车因频繁加装加热燃油而影响除冰效率，同时还可降低除冰现场的燃油污 染，加热方式采用即热式加热。 控制系统：该系统的控制量包括除冰液存量控制、除冰液出口温度控制、除冰 液供液及出口流量控制、作业过程电动阀的开关逻辑控制、电机变频调速控制、通讯控 制等。除完成上述控制功能外，控制系统的功能还包括：各系统元件及传感器的状态监 测、故障自诊断及部分故障自恢复功能。整个控制系统结构采用基于分层递阶的集散控 制结构，实现除冰液的自动存储、加热及配比作业。 振动隔离与抑制系统：供液泵在工作过程中有很大振动，不仅会产生很大噪音， 同时也会对系统元件产生破坏，如计量传感器失效、管路、控制元件破坏等。本系统在 分析振动振型的基础上，设计了基于屏障隔离技术对振动隔离与抑制系统，根据振动惯 量的大小和负载选择和布置振动消除器，有效阻止了振动能量的传递。 2 第二章除冰维体系统分析 ( 2 ) 移动式大流量除冰液供给系统，该部分功能包括： 将远程供液站的除冰液和水运送到集中除冰作业现场； 为作业除冰车实现现场大流量快速加液； 具有除冰液保温功能。 ( 3 ) 指挥、调度系统 作为整个集中除冰系统的信息调度中心，信息主要包括除冰设备运行状态信息和 航班动态信息，前者信息主要来自于前端传感系统，并通过无线通讯方式传输到指挥 调度中心。 ( 4 ) 除冰液回收系统 主要完成废除冰液收集和处理，回收后的废除冰液经过超精细过滤和精馏后形成 浓度为5 0 6 0 混合除冰液，颗粒度小于5um ，从而有效避免了除冰液对环境和机场 周围生态的破坏，回收后的除冰液可作为化工原料，具有一定的经济效益，同时也为 后续除冰液回用奠定基础。系统总体结构如图2 1 所示。 3 图2 1 除冰系统总体结构图 漕 曹 醪 买 枣 赛 孰 漤 冷 妻 第二章除冰椎体系统分析 2 2 设计主要研究内容 研究内容主要包括以下几个方面：管路系统研究，除冰液加热系统研究，控制系统 研究，指挥控制系统研究，除冰液回收处理技术研究。 根据此课题题目，我们主要介绍除冰液加热系统研究，控制系统研究。 2 2 1 除冰液加热系统研究 主要研究内容包括： ( 1 ) 基于强化传热的除冰液加热器结构与参数优化研究，集中除冰供液系统需要完 成除冰液的大流量快速加热，对除冰液加热器的换热效率要求较高，而目前传统的列管 换热器和螺旋板换热器由于其管内外换热面积相等，当管内外交换介质进行热量交换 时，由于其不平衡性而达不到理想的交换目的，其换热效率相对较低。而通过增加换热 面积达到大流量除冰液加热的热负荷要求，又会导致除冰液加热器的体积过大，带来占 地空间过大等一系列问题。因此，需要对除冰液加热器结构进行研究，通过强化换热技 术，在不增加换热面积的情况下提高换热效率，满足除冰液大流量快速换热的需求，该 部分主要包括以下几方面研究内容： 热交换旋流管管内强化传热机理研究； 热交换旋流管结构参数对换热器传热与流阻性能影响的数值模拟研究。 ( 2 ) 除冰液强化传热加热器的传热特性与阻力特性实验研究，除冰液粘度较高， 除冰液在加热器内流动时，其层流的摩擦阻力系数随管道壁面温度的变化而发生变化， 其流态和临界雷诺数也将随着壁面温度的变化而发生变化，除冰液在加热器管道内流体 动力学参数的变化将直接影响除冰液在管道内的流速，从而进一步影响到加热器的换热 效率和除冰液的出口温度。因此，需要对加热条件下除冰液加热器的传热特性和阻力特 性进行实验研究，为加热器结构参数的优化和设计提供依据。 2 2 2 控制系统研究 主要研究内容包括： ( 1 ) 控制系统体系结构研究与控制逻辑设计，主要工作包括： 系统硬件体系结构设计、控制元件的选型与优化研究； 控制系统软件体系结构分析与控制逻辑设计。 ( 2 ) 除冰液加热温度控制策略研究：在集中除冰系统中，除冰液加热系统一般采用 即热式燃油加热器加热，加热器炉膛温度通过控制燃烧器的喷油量进行控制，除冰液加 热系统的控制输入量可以分为3 档，分别为单喷油嘴供油、双喷油嘴供油和三喷油嘴供 油。由于除冰液温度控制系统系统是典型的非线性、大惯性、大延时系统，同时，除冰 液供液泵流量脉动大，也给温度控制带来难度，供液出口的启闭也会造成系统流量在很 大范围内变化。所以，对该系统来说，直接进行山口温度控制有相当的难度，系统容易 第二章除冰镌体系统分析 出现震荡甚至发散。所以从控制方法上，需要选择可靠稳定的控制算法。 6 第三章除冰加热控制系统总体设计 第三章除冰加热控制系统总体设计 根据除冰系统的主要研究内容中的加热和控制系统整体展开设计，介绍自行搭建的 除冰液加热控制实验平台，它是以实际集中除冰系统装置的主要性能指标为主要参考依 据，被控对象有机、电、液。 3 1 设计要求 除冰液加热控制体系实验平台需要进行除冰液加热和温度控制要求的供液流量为 3 3 0 l m i n ，出口温度8 0 5 ，除冰液温度控制执行机构包括具有燃烧器和除冰液热交 换设备。通过控制燃烧器两级功率输出的启停，从而可以平滑调节燃烧器平均输出功率， 以实现除冰液的温度控制。除冰液热交换器包括三台管式燃油锅炉，总传热面积约为 5 1 7 m 2 。在三个燃油锅炉的入口处分别装有一组温度传感器，压力传感器，在除冰液出 口设有出口电动阀，温度传感器( 用于检测除冰液的出口温度) ，压力传感器。在储液 灌与燃油锅炉处，设有冷回液阀和热回液阀，来调节炉内以及山口处的超温，超压等。 整体系统分析结构，如图3 1 所示： 图3 1除冰液加热控制系统结构 根据以上分析提出控制要求如下： 整体设计，需要有手动和人工控制两种方法，即： ( 1 ) 手动时，人工操作整个系统的启动，停止，1 # ，2 # ，3 # 锅炉风机，燃油，点火， 小火，大火等按钮开关量，来控制对应继屯器的通断，而继电器的通断控制电源与各电 磁阀的接通，来达到控制系统的目的。 ( 2 ) 自动时，通过控制器实现系统的自动控制，系统启动后完全由控制器，控制系 统的整体运行，达到理想的除冰液出口温度的控制。 ( 3 ) 与此同时，无论在自动和手动的情况下，都要实现总管线中的的温度、压力、 第三章除冰加热挖制系统总体设计 流量，1 # ，2 # ，3 # ，管路内的入口温度，加热炉温度，出口温度，入口压力，出口压力， 流量的监控显示以及报警，即需要仪表量。总系统设计原理如图3 2 所示。 压力传感器 图3 2 除冰系统试验平台原理图 ( 4 ) 根据以上分析，我们可知道，此系统为多输入，多输出的除冰加热控制系统， 被控量有各路电磁阀开关、以及燃烧器的供油、点火、小火、大火等，以及还有几路传 感器的仪表的开关量、模拟量、变送输出与报警等。此为多输入、多输出的控制系统。 因此，我们选用编程简单、控制性能较好的多输入，多输出的p l c 控制，作为控制器。 3 2 输入输出设备 根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备( 按钮、开关、及各种传感器 等) 包括：1 # 、2 #风机开关、燃油、小火、大火按钮开关，系统启动、停止按钮， 手动、自动选择可开关等。输出设备主要有电磁阀控制信号、仪表显示及其它执行器等。 此时我们就可以知道与p l c 有关的输入输出，进而能确定p l c 的i o 点数。分析图3 2 画出的所有对象，以及加热控制系统的研究内容，列出i 0 输入输出设备清单。 3 3p l c 选型 3 3 1p l c 简介 国际电委会( i e c ) 1 9 8 7 年2 月颁布的可编程序控制器第三稿中定义：“可编程序控 制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程 序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操 8 第三章除冰加热挖制系统总体设计 作的命令，并通过数字式和模拟式的输入输出( i 0 ) ，控制各类型机械的生产过程。 可编程序控制器及其外围设备都按易于工业系统，联城一个整体，易于扩充功能的原则 设计。”垤1 1 3 1 简单说：可编程序控制器是一个专门用于工业控制的通用计算机。 ( 1 ) 可编程控制器的特点： 可靠性高，抗干扰能力强； 控制程序可变，具有很好的柔性： 编程简单，使用方便； 功能完善； 扩充方便，组合灵活； 减小了控制系统设计及施工的工作量； 体积小，重量轻是机电一体化的特有产品。 ( 2 ) p l c 的发展趋势： 向高速度、大容量方向发展； 向超大型、超小型两个方向发展； p l c 大力开发智能模块，加强联网通信能力： 增强外部故障的检测与处理能力； 编程语言多样化。 3 3 2p l c 选择 包括对p l c 的机型、容量、i o 模块、电源等的选择。 ( 1 ) 选择p l c 机型 根据i o 点数可知，控制器选择两个可编程控制器，两套加热器及其其它变量由两 个可编程控制器控制，需采用1 6 点输入，1 6 点输出的松下f p 控制器，具体型号为： f p g c 3 2 t ，但因为i 0 量较多，需要扩展i 0 单元。 ( 2 ) f p g c 3 2 t h ( 图3 3 ) 容量及i 0 模块“1 第兰章除冰加热控制系统总体设计 c i ) _ 一 ，回 固 固一 逐 砟 程 麓 ：! 鼍 ；i 鬈 ：! j o o o 盟。：。目 f 。 i - 一i 肚、 匿三固围 制酬 堪割耍妻尊列甚矧要妻j 习 压藏薪t 一一一莲抠暑r 一_ t j l 一 l “j l 一 l j 图3 3f p g c 3 2 t h 外部端子介绍 ( 3 ) f p p l c 性能规格( 表3 一1 ) 如下： 表3 1 ：f p p l c 性能规格 项目规格 稃序j 卒制方式 梯形图循环运算方式 幕本单元3 2 点( 输入1 6 点输出1 6 点) 控制i o 点数 扩展时 最大1 2 8 点( 最多彳i 扩展3 个f p 0 单元) f l i l 序存储器 ” 内置f 1 a s h r o m 稃序容量1 2 0 0 0 步 术本指令 8 9 条 指令条数 高级指令2 1 2 条 运算速度 0 4 微秒一步( 纂奉指令) 运算用外啬l j 输入( x ) 5 1 2 点 存储器 外部输入( y )5 1 2 点 内f i l i 继i 乜器( r )1 5 6 8 点( r 0 一r 9 7 f ) l 定时器计数器( t c ) 1 0 2 4 点l 2 ( 初始没霄定时器1 0 0 8 点t 0 一t 1 0 0 7 计数器 1 6 点以，0 0 8 c 1 0 2 3 ) - i o - 尸。：。 第三章除冰加热挖制系统总体设计 定时器蜃程指令选择( 1 m s 1 0 m s 1 0 0 m s 1 s ) 链接继电器( l )1 0 2 4 点+ l 数据寄存器( d t ) 3 2 7 6 5 字( d t o d 下3 2 7 6 4 ) l 链接寄存器( l d )1 2 8 字 l 索引寄存器( i )1 4 字( 1 0 一i d ) 根据以上，分析本除冰系统的i 0 设备，可知f p 控制i 0 点数满足设计要求。 ( 4 ) 电源的选择选择为2 4 v 电源为主要系统的开关电源满足系统设计要求 ( 5 ) 关于i 0 模块的扩展n 1 f p 可以使用f p 扩展单元( 包括高性能单元) 和f p 0 扩展单元( 扩展i 0 单元 i 岛性能单元) 。f p 0 扩展单元和f p o 一样，安装在控制单元的右侧。f p 扩展单元安装 在控制单元的左侧，如图所示。 f p ojr 岫 x 7 0 x j 】i 抑一一y = 】 ：一o x 5 f 。r 叼y 5 ， x 鲫一x 咿 、r ，x i r ，f 图3 - 4f p 扩展单元扩展型号 根据实际情况需要，选择f p 0 扩展单元f p o 扩展单元的分配。 考虑兼容性，以及性价比，因此我们将p l c 型号及其扩展单元的具体型号( 图3 5 ) 定 为： 詈五 第三章除冰加热控制系统总体设t i 图3 5p l c 型号及其扩展单元具体型号 3 4 分配i 0 点并设计p l c 外围硬件线路 f p ojj 4 岳。pi _ ；翟= 辱；i 射f 撑- 冗1r ： 、了卜。 ? - 。，、j 篇二尝一_ l 坤”丌2 、，o 一y 笋 ， 。i ，i - - ：篙二忑：j - f r “非，1 1 j 、i 3、r 呻r ，- j f ， 牛i - j i 、) ( 1 ) 分配i 0 点 表3 1 中，列出了具体输入输出设备清单，据此图，可以分配p l c 对应的i 0 点和 编程地址，以便后面的编程和硬件接线。 ( 2 ) 设计p l c 外围硬件线路 画出系统其它部分的电气线路图，包括p l c l 和p l c 2 的i o 连接图和仪表的外部接 线图。，由p l c 的i 0 连接图和p l c 外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止 系统的硬件电气线路已经确定。 3 5 程序设计 采用梯形图心砌语言，将p l c 内部的各种编程元件与特定功能的命令用专用图形符 号定义，并按照控制要求将有关图形符号按一定规律连接起来，构成描述输入、输出之 间控制关系的图形，即p l c 梯形图。除冰液加热控制系统设计制程序逻辑框图分析如下。 3 5 1 系统“预热”控制流程分析、设计 下面，我们分析一下控制规律，系统“预热控制流程图如图3 6 所示。当储液 箱中液体的温度低于5 时，要先对其进行预热方可工作。这样做一方面可以保证工作 时除冰液可以快速加热，另一方面也可避免能源的浪费。 当旋转开启预热旋钮后，热回液电磁阀打开，阀门开启2 秒后，泵启动，当流量计 检测到流量以后，燃烧器风机开转，风机转1 0 秒清扫炉内之后，点火器点火，此时总 喷油电磁阀和小火电磁阀开启，喷油2 秒后，关闭点火器；延时2 秒后，若光敏传感器 未检测到信号，则1 0 秒后重新点火，若连续3 次未能点火成功，系统停止，发出报警； 若光敏传感器检测到信号，说明炉子已经点燃，此时打开火火电磁阀，管路中的除冰液 加热后，经热回液电磁阀回到液罐之中，系统进入一个循环加热的状态，当锅炉入口温 嚣匈 第三章除冰加热挖制系统总体设计 度达到预先设定好的预热温度的时候，系统停止，预热过程完毕。 图3 6 “预热”控制流程图 - 1 3 - 第三章除冰加热挖制系统总体设计 3 5 2 系统“喷射”控制流程分析、设计 t 嚣 - 1 4 - 第三章除冰加热挖制系统总体设计 图3 7 “喷射”过程流程图 如图3 7 所示，喷射的控制过程与预热相似，当旋转旋钮至“喷射准备 后，热回 液电磁阀打开，阀门开启2 秒后，泵启动，1 0 秒后另一回液电磁阀打开，当流量传感器 检测到流量以后，燃烧器风机开转，风机转1 0 秒清扫炉扫膛之后，点火器点火，此时 总喷油电磁阀和小火电磁阀开启，喷油2 秒后，关闭点火器。延时2 秒后，若光敏传感 器未检测到信号，则1 0 秒后重新点火，若连续3 次未能点火成功，系统停止，发出报 警；若光敏传感器检测到信号，说明炉子已经点燃，此时打开大火电磁阀，管路中的除 冰液加热后，经热同液电磁阀回到液罐之中，系统进入一个循环加热的状态，此时系统 进入了喷射准备状态，打开喷射口，液体喷出，流量计再次有信号后，关闭热回液电磁 阀，重新开启锅炉，经快速加热后除冰液的除冰液不断喷射出来。一个工位作业完毕关 闭喷射口后，热回液电磁阀再次打开，其余阀门关闭，点火器关闭，系统再次进入喷射 等待状态，准备下次喷射。从逻辑框图上分析，热回液阀做预热时，构成泵与水箱之间 循环管路，而冷回液主要是用来调节管线压力的，比如，压力过火的时候，可以打开冷 回液阀，泵内液体的流量就会增加，压力就会下降。 为了系统保证安全的工作，无论是预热、喷射准备还是手动情况下，都设置了出口 温度的报警上限，若出口温度过高，系统会发出报警信号，并停止运行。当出口温度达 到一定高度( 预设) 时，系统自动关闭燃烧器的大火段，以节约油耗，保证安全。当储 液罐内液位过低时，系统也将发出报警信号，并停止运行。 在分散( 手动) 控制时，也应该注意以下一些问题：第一，点火工作须满足所有安 全条件( 即有充足的流量、温度低于设定值水箱水位在最低水位以上等) ，这点非常重 要；第二，点火失败须延时重点，这样可以延长火花塞的寿命；第三，点火程序在整个 工作过程中待命，这样可以保证除冰车随时可以工作。 3 5 3 软件实现说明 ( 1 ) 自动部分：结合设计要求，主程序采用梯形图指令编程，作用是实现工艺流程， 自动按要求完成燃烧全过程。 ( 2 ) 手动部分：作用主要足用来进行设备调试及应急运行的。用通用梯形图指令编 写。 ( 3 ) 人机界面程序及功能，手自动的调节参数的设置，温度压力流量的显示。 ( 4 ) 采用松下电工研发的，在w i n d o w s 环境下的f p w i n g r 编程软件嘲3 】“】。 3 6 硬件实施及联机调试 硬件实施方面主要包括，系统其他硬件参数的确定及元件选择，以及系统各部分之 自j 的电气互连。 第三章除冰加热挖制系统总体设计 3 6 1 硬件参数确定及选择 ( 1 ) 除冰液泵的参数确定和元件选型 按照除冰流程要求，供液所需流量为1 0 0 0 l m i n ，为保证供液过程中除冰液的粘度 不被破坏，除冰液泵需要选用电动柱塞泵，但实验平台中，将除冰液和水分别放在同一 储液灌中，因此，我们主要选则c r n l 6 系列的的主要技术指标为： 出口流量：1 6 m 3 h 电机功率：2 2 1 5 k w 燃烧器参数确定与选择 考虑到加热温度和流量需求，选择进口b t 4 0d s g 型燃烧器作为锅炉的加热装 置，该燃烧器的主要技术指标为： 最大燃油率：2 0 0 l h 燃油标准：柴油 点火方式：电子点火 传感器与执行器的选择 控制柜需要显示的变量主要包括流量和温度，以及压力，具体细节见系统原理 图。流量传感器用于检测锅炉供液泵的供液流量和锅炉出口的出液流量，锅炉的供液最 大流量为2 0 m 3 h ，锅炉总出口的最大流量为1 2 0m 3 h ，所以流量传感器选择l w g y a 一1 0 0 型涡轮流量计，其主要技术指标为： 量程：2 0 2 0 0m 3 h ； 通径：1 0 0 舳； 精度：5 温度传感器选择p t l 0 0 温度传感器，其主要技术指标为： 量程：一1 0 0 一6 0 0 c 精度：5 压力传感器变送选择b k y 一3 g 型压力变送器，其主要技术指标为： 量程：0 3 0 m p 变送输出：4 2 0 m a 电源：2 4 v 电动阀门根据管路需求选择2 w 一2 5 0 2 5 5 ，以及2 w 一2 5 0 4 0 ( 总入口阀) 电动执行器。 ( 2 ) 仪表量显示的选择 当传感器，检测到系统的温度，压力时，需用显示屏显示山来，l u 一9 0 4 m 智能测试仪 具有四路报警输出，可带o 一1 0 m a 、4 2 0 姒标准电流变送输出及1 2 v d c 5 0 m a 、 5 v d c