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如何用溫控器設計加熱器溫度控制系統

2020/3/14 1:08:11 人評論 次瀏覽 分類:溫度測量  文章地址:http://www.gsipv.com/tech/2945.html

加熱器是一種常見熱交換裝置,一般用于對介質加熱升溫,并使介質溫度穩定在一個合適的范圍。這里假定一些設計輸入條件,然后以這些技術要求進行溫度控制系統的設計及溫控器等設備配置。

設計要求

設計一個密封的熱交換裝置,用于管道中水的即熱加熱。熱交換裝置為一個獨立的控制系統單元,加熱控制系統應具備加熱器防干燒、防爆、加熱器異常檢測功能。系統能夠適應管路系統流量變化時,經過熱交換裝置后,輸出的溫度精準穩定(假定設計溫度恒定為70℃)。

加熱系統構建

1、STEP1 梳理控制要求
在進行方案設計前,我們先對以上的設計要求進行一個簡單的梳理。
①“設計一個密封的熱交換裝置,用于管道中水的即熱加熱”,這一條說明加熱系統的工況;
②“加熱控制系統應具備加熱器防干燒、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應具備完善的安全保護措施;
③“系統能夠適應管路系統流量變化時,經過熱交換裝置后,輸出的溫度穩定”,由這一點要求可以初步判斷,此加熱系統應具備自動溫度調節功能。

2、STEP2 加熱控制系統框架設計

從上一步的梳理知道,此加熱系統的控制核心為第三點“加熱系統應具備自動溫度調節功能”,故這里以這一條技術要求入手。很容易知道要實現一個連續穩定運行的過程系統,最行之有效的方式就是將其構建為一個閉環的控制系統,并運用PID控制方法。這可以快速、高效的構建一個穩定的控制系統。此加熱系統使用溫控器構建一個PID控制閉環。另外,因PID算法為一個單輸入單輸出控制系統算法。
溫控器
3、PID控制輸入

因系統的控制目標為對管路中的溫度進行控制,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

從以上的分析已經知道,管路中的水流量是一個隨時變化的量(即可能會一會快,一會慢),且水流量是被管路其他系統控制,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獨立的器件,所以選擇加熱單元作為PID控制輸出是一個合理的方式。溫控器控制輸出類型由加熱部件的電氣控制技術要求來確定,建議看看《溫度控制系統構成及應用》這篇文章。由此,可以構建出如下所示的閉環控制模型:
加熱系統的PID控制閉環


安全保護功能設計

1、防干燒
此功能是為防止熱交互裝置在管路中無水時,對加熱單元啟動。要實現此功能,應該對管路中的水的有無進行檢測。在實際的工業現場,一般常見有以下幾種方式實現:
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,那么也就說明熱交互裝置非空;
②檢測管路中水的壓力,當水流過管道時,會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管管路中的水溫被異常加高,使加熱裝置變成有一個類似于一個鍋爐的裝置。檢測方法同上,檢測管路中的流量和壓力均可實現。但在進行加熱裝置硬件設計的過程中,應該要考慮安全解壓閥,在控制系統出現異常時,也能保證加熱裝置的安全。

3、加熱器異常檢測功能

這個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行檢測,通過電流判斷加熱器是否出現異常(斷線、短路、部分加熱組件損壞等)。

加熱裝置各單元設置

加熱裝置各單元設置如下圖所示:
加熱裝置各單元設置示意圖

流量監測放置于加熱裝置輸出側,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,可以確保輸出水溫被精準的控制在要求的溫度范圍。

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