（机械工程专业论文）制冷装置通用实验台的研制.pdf

摘篮 摘要 随省我国国民经济持续、快速的发展和人民生活水平刁i 断的提高，制冷窄调 设备在各行j i k 和生产部门中得到了广泛的应用。由于其应用的广泛性及重要性， 使得制冷装置囚各种故障而造成的“停机损失”已成为用户种不堪忍受的负担。 为此有必要严密监视其运行工况和正确预报故障，最大限度地减少停机维修的时 问，提高昂贵制冷空调设备的利用率。同时也有必要在设备发牛故障或异常后能 及时准确地进行报警珍断，确定故障所在及故障原因，为迅速排除故障，提l j i 维 护决策与建议。 要对制冷装置工作状态进行有效监测并及时进行故障报警渗断，必须通过搭建实 验台，获得诊断中所需的故障参数范例，以便于实现报警诊断功能。 为此，水课题采用冰水机作为实验主机，辅助咀压力、温度流量等传感器 和训算机搭建“制冷装置通用实验台”，通过采用工控组态软件构建制冷系统状 态脏测和故障诊断实验平台。在线监测制冷装置各种运行状态，并通过实验台模 拟制冷装置常见故障，建立制冷装置故障报警诊断参数范例集，为迸一步进行制 冷系统可靠性的研究奠定了实验基础。 本课题完成了以下几方面的的研究工作： 1 、制冷装置通用实验台的设计； 2 、计算机监测硬件系统设计： 3 、计算机监测软件系统设计； 4 、制冷系统的故障模拟及诊断参数范例集建立。 关键词：制冷装置制冷系统运行监测故障m c ( ；s a b s t r a c t w i t ht h er a p i da n dc o n t i n u a ld e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n d t h ec o n t i n u a li m p r o v e m e n to fp e o p l e ss t a n d a r do fl i v i n g ，r e f r i g e r a t i o na n d a i rc o n d i t i o n i n gs e t t i n g sa r ew i d e l yu s e di ne v e r yw a l ko fl i f e b e c a u s eo f t h e i r u n i v e r s a l i t y a n d s i g n i f i c a n c e ，t h e l o s sc a u s e db yt h e i ra b n o r m a l o p e r a t i o nh a s b e e na nu n b e a r a b l eb u r d e n t h e r e f o r eo p e r a t i o ns t a t u so f r e f r i g e r a t i o ns e t t i n g s s h o u l db es t r i c t l ym o n i t o r e da n dt r o u b l e ss h o u l db e c o r r e c t l yp r e d i c t e d t od e c r e a s em a i n t e n a n c et i m et ot h em i n i m u m ， i no r d e rt oe f f i c i e n t l ym o n i t o r o p e r a t i o ns t a t u so fr e f r i g e r a t i o ns y s t e m a n d t i m e l yd i a g n o s ea n da l a r mt r o u b l e s ，t e s t - b e dm u s t b eb u i l du pt oo b t a i n d a t ao ft r o u b l e sa n dr e a l i z ea l a r m i n ga n dd i a g n o s i n gt r o u b l e b e c a u s eo ft h ea b o v er e a s o n s ，au n i v e r s a lt e s t b e do fr e f r i g e r a t i o n s e t t i n g sw a sb u i l tu pi n t h i sp a p e r ，i nw h i c ha ni c e w a t e rr e f r i g e r a t o rw a s a d o p t e d a st h em a i nt e s t m a c h i n e ，a i d e dw i t h ac o m p u t e ra n ds e v e r a l s e n s o r so fp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n df l o w a tt h es a m et i m eap l a t f o r mo f m o n i t o r i n go p e r a t i o n s t a t u sa n dd i a g n o s i n gt r o u b l ew a ss e t u pt h r o u g h u t i l i z i n gc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r eo fi n d u s t r y c o n t r 0 1 o p e r a t i o n s t a t u so f r e f r i g e r a t i o ns e t t i n g sw e r em o n i t o r e do n l i n ea n dap a r a m e t e rd a t a b a s eo f f a m i l i a rt r o u b l e so fr e f r i g e r a t i o n s e t t i n g s w h i c hw a ss i m u l a t e dt h r o u g h t e s t b e de x p e r i m e n t sw a sc r e a t e dw h i c hw i l lg r o u n dt h ef u r t h e rr e s e a r c ho n t h er e l i a b i l i t yo f 1 e f i i g e r a t i o ns y s t e m f o l l o w i n gt o p i c sw i l lb ef i n i s h e di nt h i st h e s i s ： 1 d e s i g no f t h eu n i v e r s a lt e s t b e do f r e f r i g e r a t i o ns e t t i n g s 2 d e s i g no f t h eh a r d w a r es y s t e mo f c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m 3 d e s i g no f t h es o f t w a r es y s t e mo f c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m 4 s i m u l a t i o n o ft r o u b l e sa n dc r e a t i o no f p a r a m e t e r d a t a b a s eo f a b s t r a c t t r o u b l e so fr e f r i g e r a t i o ns y s t e mo f t r o u b l e s k e y w o r d s ：r e f r i g e r a t i o n s e t t i n g sr e f i - i g e r a t i o ns y s t e m o p e r a t i o n m o n i t o r i n g t r o u b l em c g s h i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究目的及意义 随着我国国民经济持续、快速的发展和人民生活水平不断的提高，制冷空调 设备在各行业和生产部门中得到了广泛的应用。随着科学技术的进步，以电子技 术、信息技术、自动化技术、人工智能术和新材料技术为核心的新一代制冷科技 得以迅猛发展，这些新技术在制冷空调领域的广泛渗透、应用和衍生，正在使浚 行业的面貌发生翻天覆地的变化。 制冷装置的结构越来越复杂，发生故障的可能性大为增加。由于其应用的广 泛性及重要性，使得制冷装置因各种故障而造成的“停机损失”已成为用户种 不堪忍受的负担。为此有必要严密监视其运行工况和正确预报故障，最大限度地 减少停机维修的时间，提高昂贵制冷空调设备的利用率。也有必要在设备发生故 障或异常后能及时准确地进行报警诊断，确定故障所在及故障原因，为迅速排除 故障，提供维护决策与建议。 为此，做好制冷系统工作状态的监测与故障报警诊断工作就显得非常迫切。 制冷系统是一个由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置等多个子系统组成比较复 杂的系统，同时系统循环中的物质有制冷剂、油、水、空气和其它杂质等，其中前二 者是保证系统正常运行所必需的，后三种物质则对系统是有害的。因而，一旦制冷系 统发生故障，其症状、原因都比较复杂，后果也极其严重。 为了对制冷系统工作状态进行有效监测并及时进行故障报警诊断，必须通过搭 建实验台，获得诊断中所需的故障参数范例，以便于实现诊断功能。 本课题融合故障模拟及数据自动采集等技术搭建了“制冷系统状态监测、故 障模拟及故障报警诊断”通用实验平台，旨在对制冷系统工作过程中产生的各种 信息进行获取、传输、分析和应用，为研究提高制冷装置工作的可靠性创造实验 条件。也将有助于迸一步深入研究制冷装置故障的机理，对指导制冷装置的设计、 调试、监控、运行管理等有着重要的现实意义。 与此同时，培养适应现代社会需求的新型制冷人才也迫切需要先进的实验设 广东工业大学工学硕士学位论文 备与实践手段。该实验平台是产学研通用的实验装置，可以方便地创造制冷系统 的各种工况，真实地模拟出制冷系统的工作状态和常见故障，也是制冷技术高级 证书考证必备的设备。 1 2 制冷系统监测及故障在线诊断的研究现状 状态监测和故障诊断技术最早起源于美国，是在6 0 年代初由于航天、军工 方面的需要发展起来的。而近十多年来，随着电子计算机技术、现代测试技术和 信号处理技术的迅速发展，加之各种相关学科的相互渗透，相互交叉和相互促进， 从而逐渐使之发展成一个完整的学科体系。它涉及到数学、物理、化学、机械、 电子技术、传感技术和计算机及信号处理、模式识别与人工智能等学科和技术。 “制冷系统状态监测及故障诊断”的问题，在2 0 世纪7 0 年开始有人涉足， 那时人们开始运用系统仿真技术研究制冷空调系统，模拟系统动态特性，预测系 统性能、改进系统性能，并通过制冷系统最优控制，达到实际制冷系统最优运行。 随着制冷空调技术的广泛应用，从小型制冷装置到大型机组系统，其规模及 结构均趋大型化和复杂化，而且制冷设备的性能和质量需要不断提高。这些都推 动了制冷系统状态监测和故障诊断技术的研究和发展。 1 9 8 7 年，美国学者j p e r r y 发表文章提出了制冷系统优化运行中的故障诊 断问题。1 9 8 2 年，c h o n o r d e n 运用计算机在线辩识系统运行参数，以系统总运 转费用作为目标函数，在一定运行环境、系统最小设置及最大转速条件下，满足 三个约束条件，运用单纯形法极小化目标函数，使系统处于最优运行工况下，在 冷量保持不变情况下，单机总能耗降低1 2 5 。通过实验方法进行试验数据拟 合，然后不断在线校正和修改参数。 国内方面，上海交通大学在“制冷系统状态监测及故障诊断”的研究方面处 于领先的地位。1 9 9 7 年，该校的陈丽萍提出了“人工神经网络在蒸气压缩式制 冷系统在线故障诊断专家系统中的应用”的问题、1 9 9 8 年王晓明对“制冷系统 故障先兆分析和故障预报”进行了研究。特别是陈芝久，丁国良教授在小型制冷 系统领域的动态仿真和优化方面的深入研究，其成果不但对生产实际而且对深化 “制冷系统状态监测及故障报警诊断”的研究均具有很好的指导价值。尽管如此， 2 第一章绪论 由丁制冷系统运行中部件之间性能匹配关系、参与运行的物质和物质的状态错综 复杂，加之对制冷系统故障机理的研究还不深入，使得鼠前国内制冷系统故障诊 断技术仍不成熟，在工程实践中故障诊断还停留在人工经验判断的水平上。 “制玲系统状态监溯及故障报警诊断7 7 是一门对实践很有指导意义的学科。 该领域尚待深入研究的问题很多，需要我们为之共同奋斗，使之逐步完善。 为此作者进行该课题研究，力求通过融和计算机数据采集技术及最新的组态 软件建立制冷系统故障诊断实验台，力求达到在线水平的制冷系统状态监测及故 障报警诊断。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题采用冰水机作为实验主机，辅助以压力、温度、流量等传感器和计算 机搭建“制冷装置通用实验台”，通过采用工控组态软件构建了制冷系统状态监 测和故障诊断实验平台。它可以线监测制冷装置各种运行状态，并通过实验台模 拟制冷装置常见故障，获取相关参数，为进一步进彳丁_ 制冷系统可靠性的研究奠定 了实验基础。 本课题的研究工作主要有以下几方面： l 、制冷装置通用实验台的设计； 2 、计算机监测硬件系统设计； 3 、计算机监测软件系统设计； 4 、制冷系统的故障模拟及诊断参数范集建立。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章制冷装置通用实验台的设计 本章将通过刑制冷系统的工作原理的分析及对典型冰水机运行情况的研究， 了解制冷系统运行时工作参数变化情况，并归纳总结出影响制冷系统正常的主要 参数，从而为确定描述制冷系统运行状态的监测参数提供参考依据，在此基础上， 最终提出制冷装置通用实验台的设计的总体方案。 2 1 制冷系统的工作原理 在目前条件下，人工制冷都是采用液体汽化时吸收热量的特性而使被冷却介 质温度降低，从而达到制冷的目的。要使制冷剂的液体不断地汽化，不断吸热而 连续制冷，构成制冷循环，则必须绘制冷系统提供一定的能量。根据补充能量的 形式和制冷剂汽化的方式不同，最常用的制冷方式是蒸汽压缩式制冷。 本实验台主机( 冰水机) 采用回热蒸汽压缩式制冷，图2 1 所示为冰水机制 冷系统原理图。 图2 l冰水机制冷系统原理图 f i g 2 1p r i n c i p l eo fr e f r i g e r a t i o ns y s t e mo fi c e w a t e rr e f r i g e r a t o r 警二童制冷装置通用实验台的设计 它由压缩机( 活塞式) 、冷凝器( 水冷式) 、节流阀( 热力膨胀阀) 和蒸发器( 冷 水箱) 四个部件并依次用管道连接成封闭的系统，充注r 1 2 ( 制冷工质) 所组成。其工 作过程如下：从冷凝器流出的高压液态r 1 2 经过滤器过滤及回热段过冷后，通过 热力膨胀阀降压降温后进人蒸发器，吸收冷水的热量而沸腾，变成低压低温的蒸 汽，经回热段过热后被压缩机吸人，压缩提高压力和温度后送人冷凝器，在冷凝 器中放出热量并传给冷却水，由高压过热蒸汽冷凝成液体，液化后的高压常温 r 1 2 液体又进入热力膨胀阀重复上述过程。 冰水机制冷循环中，包含着制冷剂的蒸发过程、压缩过程、冷凝过程和节流 过程，图2 2 所示为制冷循环的压力( p ) 一焓( h ) 图。 l g p p 图2 2 制冷循环在l g p h 图上的表示 f i g 2 2e x p r e s s i o no f r e f r i g e r a t i o nc y c l ea tc h a r tl g p - h h 由图2 2 可知，来自蒸发器的制冷剂蒸汽进入制冷压缩机的状态点为l ，考 虑回热器热交换，则压缩机的吸汽温度t 】大于制冷剂出蒸发器时的温度t 。，即有 t l t 6 。 点2 为制冷剂在压缩机内被压缩后升温增压进入冷凝器内的状态，1 - - 2 过 程即为制冷剂气体在压缩机内的绝热过程，该过程沿等熵线进行。 点3 为制冷剂气体在冷凝器中被冷凝后成为制冷剂饱和液体状态。点4 为制 冷剂液体经回热管段过冷后的状态，由于制冷剂液体在过冷过程中压力等于冷凝 压力，因此，4 点位于2 3 冷凝过程线的延长线上。 点5 状态为液态制冷剂经热力膨胀阀节流降压后进人蒸发器的状态。在此过 广东工业大学工学硕士学位论文 程中，制冷剂的压力降低，但始值保持不变。5 6 过程线则表示液态制冷剂在 蒸发器内吸热汽化过程，液态制冷剂成为气态。6 1 过程此过程为一等压过程。 点6 状态为制冷剂在蒸发器内吸热汽化后流出蒸发器时的饱和蒸气状态。点 1 为饱和蒸气经回热管段过热后的状态，由于制冷剂蒸气在过这过程中压力等于 蒸发压力，因此，l 点位于5 6 蒸发过程线的延长线上。 由l g p h 图分析可知，影响制冷循环主要参数包括：蒸发压力p 1 、冷凝压 力p 2 、压缩机吸汽温度t l 、压缩机排汽温度t 2 及过冷温度t 3 。当制冷循环运行工 况发生变化时，制冷系统工作参数将发生变化。 2 2 制冷系统的运行 2 2 1制冷系统运行工况的判断 制冷系统运行工况的判断，关系到制冷机是否的安全工作。对制冷系统运行 工况正确观察和判断是操作好制冷机的关键所在，而制冷系统正常运行及非正常 运行以什么为标志? 下面就此问题作简单讨论。 1 、正常运行的标志 ( 1 ) 制冷机启动后，气缸中应无杂声，只能听见吸、排气阀片有节奏的起落 声： ( 2 ) 系统中各压力表指针应相对地稳定，温度计指示正确。 ( 3 ) 气缸壁不应有局部发热和结霜情况，吸气管结霜一般可到吸气口。压缩 机气缸盖上应半边凉，半边热； ( 4 ) 压缩机轴封和轴承温度不超过7 0 c ； ( 5 ) 制冷机本身应是密封的，不得渗漏制冷剂和润滑油。 滴油现象： ( 6 ) 压缩祝的排气温度不超过i1 0 ( r 2 ) ： ( 7 ) 冷机的吸气温度不宜超过1 5 = c ； ( 8 ) 冷凝器冷却水量应足够，水压应达到0 1 2 m p a 以上， 般要求进水温度低于3 2 ； 制冷机轴封不许有 水温不能太高，_ 警二童制冷装置通用实验台的设计 ( 9 ) 在一定的水流量下，冷却水进出应达到规定的温差，如没有温差或温差 极微，说明热交换设备传热面结垢严重，需停机清洗； 冷凝压力不超过1 1 8 m p a ( 水冷式冷凝器，r 1 2 ) ； d d 运行中用手触摸卧式冷凝器时，应上部热下部凉，冷热交界处为制冷剂 液面； 运行中蒸发压力与吸气压力应相近，高压端的排气压力与冷凝压力、贮 液器压力相近； 0 3 ) 液体管道的过滤器前后不应有明显的温差，更不能出现结霜情况，否则 说明流阻过大，是堵塞的先兆。系统各接头不应有渗油现象，渗油即说明漏氟： 0 4 ) 膨胀阀阀体结霜或结露均匀，但进口处不能出现厚霜。液体经过膨胀阀 时，只能听到微小的流动声。 2 、异常工况( 故障) 的标志 制冷机不正常的情况很多，主要有： ( 1 ) 无制冷效果 压缩机在运转但无制冷效果，产生这类故障的原因有两种，即系统内制冷剂 不能循环流动和系统内制冷剂全部泄漏。 膨胀阀故障 膨胀阀故障包括：膨胀阀感温包内工质泄漏、膨胀阀堵塞，又分“冰堵”( 系 统中的氟利昂含有过量水分) 和“脏堵”( 系统内污垢较多) 上述膨胀阀不通的三种故障所引起的反常现象都是吸气压力很低，阀不结露 或霜，也无过流声。 过滤器堵塞 过滤器被污垢堵塞后的反常现象也是低压段呈真空状，排气压力低。 压缩机吸、排气阀片击碎 若吸气阀片被击碎，制冷剂蒸汽就在气缸与吸气腔间来回流动；若排气阀片 被击碎，高压蒸汽就在气缸与排气腔间来回流动。这种故障的反常现象是吸气压 力很高。 当吸气阀片被击碎后，吸气压力表指针摆动很激烈，吸气温度也高。当排气 阀片被击碎时，排气压力表指针摆动很激烈，气缸与气缸盖很烫手。 广东工业大学工学硕士学位论文 系统内制冷剂几乎全部泄漏 制冷剂几乎全部泄漏后的反常现象是吸气压力呈真空，排气压力极低，排气 管不热等。 ( 2 ) 冷量不足 制冷机能运转制冷，但被冷却物的温度降不到设定的温度，也就是说其制冷 量不足。冷量不足的原因： 压缩机效率差这时表现在冷凝压力下降而蒸发压力上升。 膨胀阀流量太大制冷剂循环量过大会导致蒸发压力过高，也就是蒸发 温度过高，这样被冷却物的温度也就降不下来。 过滤器不畅通制冷剂经过过滤器时阻力很大，流量减少，以致造成制 冷机的制冷量不足。过由于节流效应使其壳体温度比环境气温低。 膨胀阀孔开启度太小制冷剂循环量就少，蒸发压力下降太多，制冷机 制冷量就会不足。 制冷剂不足当系统中的制冷剂不足时，其循环量也小，制冷量也就不 足。其反常现象是吸、排气压力都低，但排气温度较高。 制冷剂过多当系统中的制冷剂过多时，将导致压缩机吸气温度过低， 使吸气过热度减少，间接导致制冷量下降，同时还容易产生湿行程和使润滑条件 恶化。 冷却水量不足，冷却水温度过高。 2 2 2 制冷系统运行的监测 通过对制冷系统的工作原理及运行工况判断的分析可知，制冷装置运行操作 管理人员若要准确判断制冷系统运行工况，应当密切监视制冷装置有关运行数 据，以对系统情况作出正确的判断。所以实现对制冷装置运行过程中参数的监测 意义重大。 制冷装置制冷过程比较复杂，在这过程中，制冷剂将发生一系列复杂的相变。 反应过程滞后、时间常数大、扰动因素多( 主要是在蒸发器、冷凝器中制冷剂的 不断相变和制冷剂与冷水、冷却水之间热交换能力的变化) 。因而造成制冷装置 难以监控。实践表明，一个良好的过程监控系统，应能克服和减少扰动的增大趋 警二童制冷装置通用实验台的设计 向，防止系统达到不可控制的程度，使系统运行平稳。为此，必须对影响过程的 压力、温度与流量等被控变量进行必要的监测。 如前所述，制冷装置运行参数主要包括：蒸发温度、蒸发压力、冷凝温度、 冷凝压力、压缩机的吸、排气温度以及热力膨胀阀阀前液体制冷剂的过冷温度 等，这些参数称为内在参数。在这些参数中，最基本、最主要的是蒸发温度与 压力、冷凝温度与压力以及吸、排气温度。 上述各参数的变化，主要取决于外界条件的变化。外界条件也被称为外在参 数，包括被冷却物体的温度、环境温度、冷却水温度等。要使制冷装置正常运行， 必须根据外界条件和装置的特点，调整各个运行参数，使它们在经济、合理和安 全的数值下运行。 2 3 制冷装置通用实验台的方案设计 由以上分析可见，制冷系统运行中部件之间性能匹配关系、参与运行的物质 和物质的状态错综复杂，而且随着工业技术的不断发展，制冷系统的规模将越来 越庞大。因此有必要建立制冷装置通用实验台，深入研究制冷系统运行状态参数 变化规律。 1 制冷装置运行状态监测中物理参数的选取应考虑的问题 制冷系统检测参数的选取是进行在线诊断的关键。在实践中，由于工况的变 化及制冷系统具有故障现象干差万别，系统物理参数繁多，许多参数难以测量等 特点。在线状态监测时选取制冷系统物理参数时应考虑到： ( 1 ) 测量集的完备性将选取的所有制冷系统物理参数视为测量集，则测量 集是制冷系统物理参数集的一个子集。该测量集不一定能用来唯一描述制冷系统 所发生的所有工况。但是，如果：我们只以一些常见的正常和故障工况构成描述 该对象空间，则适当选取的测量集是能够唯一描还该对象空间的各个元素的，这 时我们就认为该测量集相对于该描述对象空间具有完备性。完备性是测量集选取 时应考虑的首要因素。 ( 2 ) 测量集的可扩充性在实践中我们会发现当初选取测量集时有一些因 素未考虑周全，导致后来在实验阶段发现测量集不具备完备性。这时就需要对测 广东工业大学工学硕士学位论文 量集进行扩充。 ( 3 ) 测量集的冗余性在测量集中可能有两以上的物理参数间满足一定的 函数关系，这种参数集便构成了冗余，但为了降低实捡成本应尽量减少冗余。 ( 4 ) 测量集易实现性制冷系统中有许多物理数不便测量，而且一般也不予 测量。在保证测量集的完备性前提下，应尽量避免选取这些数。测量参数还要求 测试方法简单，传感器价格适中，易于实现。 2 典型故障模拟及其检测物理参数 制冷系统中可能发生的故障原因很多，由于实验采样设备的限制，本实验台 将模拟“压缩机吸、排气阀片损坏”、“制冷系统阻塞”、“制冷剂不足”、“制 冷剂过量”等1 0 个典型故障。 根据需要，将选取如表2 1 所示的监测物理参数： 表2 一l 被监测的物理参数 t a b 2 - 1m o n i t o r e d p h y s i c a lp a r a m e t e r s 序号参数名称序弓参数名称 l压缩机蒸发压力( 吸气压力) p l7蒸发器进口温度t 。 2压缩机冷凝压力( 排气压力) p 28 蒸发器出口温度t 。 3压缩机吸气温度t 。9冷水箱冷水温度t ， 4压缩机排气温度t ：1 0冷却水进水温度t 。 5冷凝器出口温度t 。u冷却水出口温度t 。 6膨胀阀进口温度t 。1 2冷却水流量g 实验证明，这1 2 个物理参数构成的测量集的准稳态值对需实现的1 0 种故障 模式构成的描述对象空间已具备完备性。 3 、制冷装置通用实验台系统设计 制冷装置通用实验台的组成如图2 3 所示。 ( 1 ) 故障诊断模拟系统 实验台采用冰水机( 4 5 匹开启式活塞压缩机、冷水式冷凝器、系统标准工 况下制冷量为4 6 5 k w ) 作平台。为了便于实施模拟故障诊断实验，实验台在制冷 系统部分采取了如下改造措施： 第三章计算机监删系统硬件设计 图2 3制冷装置通用实验台的组成 f i g 2 3s t r u c t u r eo fu n i v e r s a lt e s t b e do fr e f r i g e r a t i o ns e t t i n g s 1 ) 在冷水箱中布置三支2 0 0 0 w ( 2 2 0 v ) 的电加热器，以提供冷水箱( 蒸发室) 冷热平衡相应的热负荷。 2 ) 在冷凝器冷却水进口处串接一个最大功率为5 0 0 0 w ( 2 2 0 v ) 电热水器( 功 率四档可调) ，以方便地改变冷凝温度。 3 ) 在压缩机高低压之间接入旁通管路和旁通阀，以模拟压缩机排气 f 【f 漏的 情况。 4 ) 对冷凝器和膨胀阀之间的电磁阀进行独立的操作控制，以模拟系统管道 堵塞的情况。 5 ) 在压缩机低压吸入端接入一个加液放液阀，通过“加液、放液”操作 模拟系统制冷剂过多、过少的情况。 ( 2 ) 计算机监铡系统 实验台计算机监测系统由现场监测站和客户机组成。其中现场监测站，要完 成信号拾取、信号处理工作。 信号拾取是通过安装在制冷设备上的传感器来实现的。信号包括温度、压力、 流量等。传感器的选择以最能反映设备状态变化为原则。 信号处理则由m c g s 工控组态软件完成。 实验台制冷系统传感器布置如图2 - 4 所示。 在本系统中，计算机直接参与设备运行过程的检测、监督，或者说它具有以 下两方面的功能： ( i ) 采集与处理功能主要是对生产过程的参数进行检测、采样和必要的 广东工业大学工学硕士学位论文 预处理，并以一定的形式输出( 如屏幕显示) ，为设备管理人员提供详实的数据， 以便于他们分析、了解、监视设备运行过程。 ( 2 ) 监督功能将检测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归 纳、整理加工，并制成实时和历史数据库加以存储。根据设备运行情况，进行工 况分析、故障诊断、险情预测，并以图、文等多种形式及时作出报道，以进行操 作指导、事故报警。 t 2 图2 4 实验台制冷系统及传感器布置图 f i g2 - 4r e f r i g e r a t i o ns y s t e mo fe x p e r i m e n t a ls y s t e ma n dl a y o u to fs e n s o r s 2 第三章计算机监测系统硬件设计 本章在提出实验台的监测量的实际工作范围的基础上，说明实验台计算机监 测系统组成、特点及功能。并对制冷系统监测仪器、测量元件的选用，被测参数 测量点布置等问题进行深入的探讨。 3 1 实验台监测量的实际工作范围 制冷剂在系统内的循环流动，要对其过程始终进行跟踪监控是比较困难的， 特别是较难直接测出系统各点的制冷剂温度，仪表只能测量压缩机、冷凝器、蒸 发器等设备进出口处的工质温度。针对此问题，同时为了正确判断冰水机制冷系 表3 一l 实验台的监测量 t a b 3 1m o n i t o r e df l u xo f t e s t b e d 监测量实际工作范围 压缩机的吸气温度( t - ) 8 1 5 压缩机的排气温度( 2 ) 6 0 1 0 0 冷凝器出口、过滤器温度( t 。) 2 5 4 0 热力膨胀阀进口温度( t 4 ) 3 0 5 0 蒸发器进口温度( t s ) 一2 0 一5 蒸发器出口温度( t o ) 一1 5 一2 冷水箱水温( t7 ) 一1 3 冷却水进口水温( t s ) 2 5 3 2 冷却水出口水温( t 9 ) 3 0 4 0 压缩机的吸气压力( p ，) 一0 0 l m p a 0 0 5 m p a 压缩机的排气压力( p ：) 0 5 m p a 1 1 m p a 冷却水进水流量( g )0 1 0 5 m 3 h 统工作状况，及时给出相应的操作策略，保证系统工作的稳定，课题总结出一组 广东工业大学工学硕士学位论文 描述冰水机系统工况的监测量。监测量共1 2 个，其实际工作范围如表3 - i 所示。 3 2 监测系统组成和功能 如图2 4 所示，实验台需监测的1 2 个被测点分布在冰水机各处，它们相距 最大2 米。经分析比较，本研究决定采用台式p c 计算机及插入式多功能数据采 集卡组成的监测系统来完成数据采集。 图3 1 是本研究设计的监测系统组成框图。整个制冷系统中被监测的状态参 数有3 种类型：温度( t ) ，压力( p ) ，流量( q ) 。监测系统由现场监测站及客户一 工作站组成。 1 现场监测站 现场监测站布置在冰水机生产运行区中，由实验台主机( 冰水机) 检测单元 ( 传感器) 、现场计算机及插入式数据采集卡构成。 图3 - 1监测系统结构组成框图 f i g 3 1c o n f i g u r a t i o no f m o n i t o r i n gs y s t e m 现场监测站监督管理主要功能有 第三章计算机监删系统硬件设计 动态显示系统工作原理总貌： 动态显示监控系统的总貌、并显示主要过程量； 以实时、历史数据表格及曲线形式实时显示全部过程量； 显示任一过程量的变化趋势图，并可任选若干个过程量显示在同一屏幕 上，以进行比较分析； 图、文显示系统当前工况； 图、文对不正常工况进行报警； 记录存储一周的全部工艺数据： 打印班、同生产报表。 2 客户工作站( 客户机) 利用单位的校园网，由系统现场计算机作为数据服务器，在t c p i p 协议下 联网，实现数据共享。 客户机( 分布在教室、教研室、学院科研管理部门) 只涉及数据流览，无参数 设定功能，以保证设备运行安全可靠。 概括而言，木检测系统的主要特点是，通过采用m c g s 工控组态软件实现工 艺数据监测管理。具体来说是： 采集监督一体计算机组成了基本检测监督系统； 采用m c g s 工控组态软件技术，系统具有用图、文、声进行信息处理和人 机交互的功能。 采用专家系统理论初步建立故障检测专家系统，充分发挥了人和计算机的 能动性。 现场计算机和客户机都采用普通p c 机，上位计算机中还配置了数据、报表 打印等外围设备。 3 3 监测系统的硬件 制冷装置的状态监测试验离不开其试验研究。这是因为不仅许多参数需要直 接从制冷装置的试验中获得，而且准确、可靠的试验研究结果，还可作为验证和 评半- f j n 冷装优劣的唯一标准。制冷装置的试验研究结果是否准确、可靠，与其所 广东工业大学工学硕士学位论文 选用的监测仪器密不可分。 下面就制冷系统状态检测实验研究中应注意的几个特殊问题进行讨论。其主 要内容包括：监测仪器及测量元件选用；制冷系统被测参数测量点的布置等。 3 3 1 监测仪器及测量元件的选用 作为制冷装置运行状态监测使用的智能监测仪器应满足下列总体要求： 满足设备工况监测基本功能的要求； 在保证采样定理的前提下能满足不同对象信号要求。 所选择的芯片或整机应是工艺成熟，性能优良，价格低廉：从而使组成 的仪器可靠性好、性能价格比高： 应当预先考虑仪器功能升级问题，设计时便在软硬件方面留有余地，防 止将来改动太大； 外设( 显示器和键盘) 在满足当前使用和考虑将来升级的情况下宣尽量简 单； 在保证运算速度的前提下，尽量用软件实现硬件功能，使总成本最低； 1 、温度传感器 ( 1 ) 温度传感器选择的原则 能与计算机测试系统匹配的温度传感器，因为都要能输出电量信号，可供选 择的温度传感器就只有热电偶、热电阻及晶体管等几种。对于制冷装置状态检测 及故障机理研究实验，这些温度传感器的选择应当遵循下列原则： 1 ) 感温元件的体积和热容量应尽可能小，不致于破坏被测介质的温度场。 2 ) 感温元件的时间常数应当小，咀便降低测量的动态误差。 3 ) 感温元件的材料应与所使用的测温范围相适应，在所使用的测温范围内， 化学稳定性要好。 4 ) 感温元件的物理稳定性要高，其物理性质在使用的测温范围内不随时间 而变化。 5 ) 感温元件材料的复现性要好。使同种材料制成的感温元件具有互换性。 ( 2 ) 温度传感器的选用 根据以上原则，我们选用广州粤茂电子科技有限公司p 。1 0 0 型温度变送器( 共 第三章计算机瓶测系统硬件设计 表3 2 温度传感器技术指标 t a b 3 2t e c h n i c a li n d e xo f t e m p e r a t u r es e n s o r 指标数据 测量范同 一2 0 0 6 0 0 测量精度 0 3 漂移温度漂移o 0 2 5 ，时间漂移 5 ) 时，造成的测量误 差将很显著。 2 ) 取压孔的周围应尽量光滑而不应有毛刺等，误差否则差较大。 3 ) 取压孔的孔径应尽可能小，以减少对流体主流的干扰，但也不能过小， 否则易堵塞，且增加响应时间。对于一般的制冷剂管道，推荐取压孔7 l 径为0 ，5 1 0 r a m 。 4 ) 对于一般的制冷剂管道，取压管可直接焊接在管道上，但要求取压孔的 中心必须处于取压管的轴线上。 5 ) 取压管的连接头，必须与压力传感器的接头相匹配。 6 ) 对于采用的电阻式压力传感器，要求输入的电压必须能稳定在某固定 值，因为传感器输出的精确度，直接与加在其电桥两端的工作电压有关。实际的 压阻传感器的接线方法，按照产品说明的步骤接线即可。 7 ) 对输出信号为电流值( 一般为4 2 0 m a )的压力传感器，虽然输出电流 值与过程压力成正比，但采集器不能直接测试电流，需在原传感器输出回路中串 接一电阻( 本测试系统串接高精密电阻e e l n 型) ，并通过采集器测定电阻两端 的电压，由测得的电压值确定电流的大小，并结合电流压力关系式，确定被测 工作压力的大小。 ( 3 ) 流量测量点布置的方法 测量点通常都是采用串联的方法布置在制冷系统的单相流道中。布置时应当 注意以下几点： 第三章计算k j l 1 黜! t l 系统硬件设计 1 ) 流量计的量程范围应当与制冷系统中被测流量的动态变化范围相适应。 2 1 流道与流量计接口之间的连接管路要尺寸相宜，能够密封，且管路不宜 过长，但要符合流量计对其前后管路尺寸、形状及安装位置( 水平或是垂直) 、安 装尺寸的要求。 3 1 管路连接时要注意流量计的进、出口方向不能颠倒。 4 ) 传感器与变送器之间的连接方法，则视数据采集方法的不同而不同，对于 采用能测定频率或电流的数据采集器采集，则变送器的输出可由信号线直接与数 据采集器连接，输出的电流信号( 4 2 0 m a ) n 反映流量及被测点密度与温度的变 化，输出的频率信号可反映流量的变化。 传感器布置位置详见图2 4 。 3 3 3 监测系统调试 1 抗干扰问题 冰水机制冷装置有较大的干扰，必须在计算机内部以及外部接线上都采取一 系列措施才能使检测系统正常工作。现场调试中采用的主要措施有： 机内采用大容量开关电源： 机箱内强弱电走线分开； 多级去耦、滤波电路； 信号线屏蔽、接地、单独穿管； 专用电源线； 软件多种抗干扰滤波。 2 校准 将变送器接到标准信号源上，或将其配接的温度传感器置于标准水槽中，在 信号源或水温给出的零点和满度信号时反复调整零点电位器，即可精确调整量 程。变送器壳体上z 标识的为零点调整电位器，s 标识的为满度调整电 位器。所有电位器在产品入库前己调试好，无需用户调整。 在使用中因线阻及环境温度等因数影响而产生误差时，只需微调零点电位器 即可。 本校准方法也可用于修正系统误差。 广东工业大学工学硕士学位论文 3 维护保养 ( 1 ) 变送器供电电源应使用仪表电源( 不得有脉冲尖峰) ，慎用开关内电源， 特别是智能仪表自带的开关电源，否则容易自激招致损坏变送器。 ( 2 ) 电源线采用屏蔽电缆，其屏蔽层接地以防雷击。压线螺母应旋紧以保 证气密性及防潮。 ( 3 ) 变送器通电5 分钟后方可进行校准。调节电位器时用力应当稳慢轻， 不要太快太猛。每6 个月校准一次以保证其精度。 ( 4 ) 推荐实际温度测量上限以不超过变送器满量程的7 0 为最宜，禁止超 过量程。 ( 5 ) 如果要测高温( l o o ) 或低温( 2 0 m a 时，一般为传感器断线或接触不良：测量温度低 于零点可能是传感器短路；测量值与实际值不对应时可能是传感器受潮。变送器 输出不稳定可能是外壳绝缘不良。 由实验台硬件系统搭建的结果看，完全满足了实验台监测系统总体方案所 提出的要求。并通过经验总结、深入的分析，对制冷装置状态监测实验中测量元 件的选择，被测量的测量点的布置进行较详细的应用研究。 第四章计算机监测系统软件设计 第四章计算机监测系统软件设计 本章介绍m c g s 全中文工控组态软件的基本功能和主要特点，并将对软件系 统的构成和各个组成部分的功能进行说明。力求通过创建以实验台制冷系统为对 象的工程实例，对m c g s 组态软件的组态过程、实现功能等环节，进行深入的研 究。 4 1 m c g s 工控组态软件简介 实验台计算机监测系统应用软件包括： w i n d o w s 2 0 0 0 中文操作系统运行平台； m i c r o s o f le x c e l 运行历史数据处理； a d v a n t e c hp c i 一1 7 11 多功能型数据采集卡驱动程序； m c g s 工控组态软件。 其中，m c g s 工控组态软件是构建实验台计算机监测系统的核心软件。本实 验台采用的是昆仑通态自动化软件科技有限公司网络版m c g s 工控组态软件。 1 m c g s 系统简介 m c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ，通用监控系统) 是一套用于 快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于m i c r o s o f t 的各种 3 2 位w i n d o w s 平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处 理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案。 m c g s 的主要特性和功能如下： ( 1 ) 简单灵活的可视化操作界面。m c g s 采用全中文、可视化、面向窗口的 开发界面。 ( 2 ) 实时性强、良好的并行处理性能。m c g s 充分利用了3 2 位w i n d o w s 操 作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时 性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使p c 机广泛应 用于工程测控领域成为可能。 ( 3 ) 丰富、生动的多媒体画面。m c g s 以图像、图符、报表、曲线等多种形 广东工业大学工学硕士学位论文 式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息。 ( 4 ) 开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能。m c g s 采用开放 式结构，系统可以与广泛的数据源交换数据，m c g s 提供多种高性能的f o 驱动； 支持m i c r o s o f t 开放数据库互连( o d b c ) 接口，有强大的数据库连接能力；m c g g 全面支持o p c 标准，既可作为o p c 客户端，也可以作为o p c 服务器，可以和更多 的自动化设备相连接m c g s 全面支持a c t n e x 控件，提供极其灵活的面向对象的动 态图形功能以及丰富的图形库。 ( 5 ) 完善的安全机制。m c g s 提供了良好的安全机制，为多个不同级别用户 设定不同的操作权限。 ( 6 ) 强大的网络功能。m c g s 支持t c p i p 、m o d e m 、4 8 5 4 2 2 2 3 2 等多种 网络体系结构，使用m c g s 网络版组态软件，可以在整个企业范围内，用i e 浏览 器方便地浏览到实时和历史的生产信息，实现设备管理与企业管理的集成。 ( 7 ) 多样化的报警功能。m c g s 提供多种不同的报警方式，具有丰富的报警 类型和灵活多样的报警处理函数，方便用户进行报警设置，并且系统能够实时显 示、打印报警信息，对报警数据进行存储与应答，为工业现场安全可靠地生产。运 行提供有力的保障。 ( 8 ) 用数据库来管理数据存储，系统可靠性高。m c g s 中数据的存储不再使 用普通的文件，而是用数据库来管理利用数据库来保存数据和处理数据，提高了 系统的可靠性和运行效率，