【正文】 3 水泵出水口直徑 4 驅(qū)動(dòng)方式 無刷，磁力隔離。兩相直流或三相直流 5 水泵殼體材料 PA66+30%GF(可更換 ) 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 24 續(xù)表 32 序號(hào) 類別 規(guī)格 6 使用方式 可連續(xù)使用 7 適用介質(zhì) 水、油以及其他酸堿溶液 8 最大工作溫度 60℃ 或 100℃ 9 功耗 10 額定電壓 12Vdc 或 24Vdc 11 使用電壓 12Vdc 12 最大負(fù)載電流 13 最大流量 14 最大靜態(tài)揚(yáng)程 15 噪音 35dB 16 防水等級(jí) IP68 17 壽命 大于 30000H 18 供電方式 太陽能板，蓄電池，適配器，電源模塊 圖 36 水泵 DC40A1220 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 25 圖 37 水泵尺寸圖及安裝支架尺寸圖 流量計(jì)的選型 1） 選型要求：根據(jù)這次實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要求，對流量計(jì)的選擇上，首先就是需要小巧、便捷，安裝方便的流量計(jì)。本實(shí)驗(yàn)裝置的流量也是需要 控制的參數(shù)之一，所以對流量大小也有嚴(yán)格要求，經(jīng)估算本實(shí)驗(yàn)裝置在一般工況下，正常流速一般都在 ，而流量大小也是變化的，所以在流量計(jì)的選型上流量范圍在 3~20L/min。因?yàn)檫@次的實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方向是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化，故對于流量計(jì)的信號(hào)輸出也有一定要求，要選用 PLC 可以識(shí)別的信號(hào)如 4~20mA 電流信號(hào)或是 0~10V電壓信號(hào)。所要選的流量計(jì)所測量的介質(zhì)是 0~100℃的水，介質(zhì)所選用的是內(nèi)徑 8mm的 PU管，所以所選流量計(jì)的管道口徑為 8mm 左右 ，可以通過接頭來連接。 經(jīng)過上網(wǎng)與賣家聯(lián)系和溝通，我 找到以下這款型號(hào)，相對符合本次實(shí)驗(yàn)裝置的基本要求。 2） 所選型號(hào)及特點(diǎn) 型號(hào)： LWGBDN10 渦輪流量計(jì) 生產(chǎn)廠家：鄭州環(huán)瑞儀表有限公司 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 26 特點(diǎn)： （ 1）壓力損失小，葉輪具有防腐功能 （ 2）具有較高的抗電磁干擾和抗震動(dòng)能力、性能可靠工作壽命長 （ 3）采用先進(jìn)的超低功耗單片微機(jī)技術(shù)，整機(jī)功能強(qiáng)，功耗低，性能優(yōu)越，具有非線性精度補(bǔ)償功能的智能顯示器；修正公式精度優(yōu)于 177。 % 3） 主要技術(shù)參數(shù)： 流量計(jì)規(guī)格： LWGB （ 1）環(huán)境溫度： 20℃ 50℃ （ 2）相對濕度： 5%95% （ 3）被測介質(zhì)溫度： 20℃ 120℃ （ 4）工作壓力： （ 5）輸出功能： 420mA兩線制電流輸出 （ 6）供電電源： LWGB DC24V （ 7）流量范圍： ~20L/min （ 8）公稱通徑 DN： 10 （ 9）尺寸： 450*165mm 4） 儀表結(jié)構(gòu)及安裝方式： （ 1）儀表安裝采用螺紋連接 （ 2）安裝時(shí)液體流動(dòng)方向應(yīng)與傳感器外殼上指示流向的箭頭方向一致，且上游直管段應(yīng) ≥ 20DN，下游直管段應(yīng) ≥ 5DN。 （ 3）傳感器應(yīng)遠(yuǎn)離外界磁場，如不能避免，應(yīng)采取必要的措施。 （ 4）為了檢修時(shí)不至影響液體的正常輸送，應(yīng)在傳感器兩端的直 管段外安裝旁通管道。 4）圖片 圖 38 流量計(jì)實(shí)物圖 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 27 連接 根據(jù)所選水泵和加熱器及流量計(jì)的口徑尺寸，我選擇了一些連接件來連接它們。由于所選擇的水泵的進(jìn)出口是一個(gè) 14mm 的寶塔型的管口，流量計(jì)是一個(gè)通徑DN10 的外螺紋式的連接口，兩者之間的連接，在水泵出口上先安上一小段的皮管，然后選用寶塔嘴進(jìn)行兩者連接，水泵的進(jìn)口連接的是 PU 管，由于很難選擇快速接口與寶塔嘴的尺寸，所以選擇了兩個(gè)螺紋吻合的快速自動(dòng)接頭和寶塔嘴來接通兩者。這次的加熱器是定制的，所以廠家也直接定制我們的接頭，需要一個(gè)通徑為DN10 內(nèi)螺紋接頭與流量計(jì)連接，外徑為 12mm的快速自動(dòng)接頭連接 PU管。 圖 39 接頭連接圖 溫控儀的選型 1）選型要求： PID調(diào)節(jié)、輸入輸出為 4~20mA電流信號(hào)、體積小巧 2）所選型號(hào)及特點(diǎn) 型號(hào)： XMTA2021 生產(chǎn)廠家：上海奧儀電器有限公司 特點(diǎn)： （ 1）熱電偶、熱電阻輸入及量程范圍均可自由設(shè)置 （ 2）軟件調(diào)零滿度，冷端單獨(dú)測溫，放大器自穩(wěn)零，顯示精度可優(yōu)于 %FS （ 3）模糊理論結(jié)合傳統(tǒng) PID方法，控制快速平衡 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 28 （ 4）先進(jìn)的 PID參數(shù)自整定方法，整定時(shí)間較一般儀表縮短 1/3 以上 時(shí)間 （ 5）主控制輸出可選：繼電器觸點(diǎn)、 SSR 驅(qū)動(dòng)電平、 4~20mA 電流、移相觸發(fā)脈沖、過零觸發(fā)脈沖 （ 6）報(bào)警輸出：二路可定義的報(bào)警觸點(diǎn)輸出 3）技術(shù)參數(shù) （ 1）輸入規(guī)格：熱電偶： K、 J、 E、 S、 N、 T、 B、 R、 WRe；熱電阻：Pt100、 Cu50； （ 2）測量范圍： K（ 50— 1350℃）、 S（ 50— 1750℃）、 T（ 200—400℃）、 E（ 50— 1000℃）、 Pt100（ 200— 500℃）、 Cu50（ 50— 150℃）等 （ 3）調(diào)節(jié)方式：智能 PID 調(diào)節(jié)，依據(jù)不同的 P、 I、 D 參數(shù)可組成 P（ P=0 即為位式）、 PI、 PD、 PID 調(diào)節(jié)；主控可為繼電器觸點(diǎn)開關(guān)輸出、觸發(fā)固態(tài)繼電器的邏輯電平、移相觸發(fā)脈沖，過零觸發(fā)脈沖及 4~20mA 模擬量輸出或其他模擬量輸出，可根據(jù)要求定制 （ 4）報(bào)警功能：上限、下限、偏差值、絕對值（報(bào)警輸出及主輸出繼電器觸點(diǎn)最大容量為 AC250V/2A） （ 5）電源： 220AC177。 10% 50/60Hz；電源消耗：≤ 3W； （ 6）工作環(huán)境：溫度 1050℃、濕度≤ 85%RH無腐蝕場合 4）圖片 圖 311 面板說明 圖 312 溫控儀實(shí)物圖 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 29 控制方案的設(shè)計(jì) 冷卻水系 統(tǒng)一般有 4 種控制方式：早期的繼電器控制系統(tǒng)、直接數(shù)字式控制器DDC 和可編程程序控制器 (PLC)控制系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)。在大學(xué)四年里我們主要接觸了單片機(jī)系統(tǒng)、 PLC 控制系統(tǒng)， PLC 控制系統(tǒng)以其運(yùn)行可靠，使用與維護(hù)都很方便，抗干擾能力強(qiáng)，模塊集中而得到廣泛應(yīng)用，在 PLC 控制系統(tǒng)中我們主要應(yīng)用： AI、 AO、 DI、 DO 等模塊分別用來控制風(fēng)機(jī)的啟停，控制介質(zhì)的流速，以及420mA 信號(hào)的輸出。 PLC 運(yùn)行流程圖如圖。整個(gè)控制系統(tǒng)以 PLC 為核心，通過溫度傳感器分別傳送回來的 4 組溫度信號(hào)，分別為進(jìn)水溫度、出水溫度、干球溫度、濕球溫度；主要觀察進(jìn)水溫度與出水溫度的溫差，一般工況下冷卻水系統(tǒng)的進(jìn)水溫度為 37℃，出水溫度為 32℃。在保證介質(zhì)流量為 ，加熱器的功率保持不變，令出水溫度加熱到所需工況下的溫度如 37℃。通過打開風(fēng)扇數(shù)量和順序，來觀察冷卻效果，找出該工況下最佳的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也可以通過對介質(zhì)流速的微調(diào)來來提高冷卻效果。通過溫度和流量大小的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過 PLC程序的判斷來決定風(fēng)機(jī)的啟停數(shù)目，啟停順序和介質(zhì)流速的改變。 圖 313 簡單控制策略 控制箱箱體控制設(shè)備及電氣設(shè)備的布置圖 由上文的電氣設(shè)備選型和控制回路中一些控制設(shè)備的選型可以知道，這些設(shè)備的大小尺寸，而且在整個(gè)箱體的大小設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們也為這些設(shè)備預(yù)留了足夠的位置。如圖所示 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 30 圖 314 控制箱體平面布置圖 圖 315 控制箱體三維模型 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 31 圖 316 控制箱體及電氣設(shè)備三維圖 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 32 4 冷卻水系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)一 變工況性能測試實(shí)驗(yàn) 由公式 41 可知在控制的過程中主要是控制的水的流量和溫度著兩個(gè)變量，其他數(shù)值在加熱器功率一定的情況下，都可以認(rèn)為是一個(gè)定值 [19]。 tcmQ ?? ， vm ?? （ 41） C=4200J/(kg℃ ） Lkg/1?? 在中央空調(diào)系統(tǒng)中，水泵和風(fēng)機(jī)流量 Q、壓力 P、轉(zhuǎn)速 n和功率 N滿足如下關(guān)系： 流量 Q與轉(zhuǎn)速 n成正比的關(guān)系 。 Q=a*n （ 42） 壓力 P 與轉(zhuǎn)速 n2成正比的關(guān)系 。 P=b*n2 （ 43） 功率 N與轉(zhuǎn)速 n3成正比的關(guān)系： N=g*n3 （ 44） 表 41 冷卻塔參數(shù)與電機(jī)的參數(shù)關(guān)系表 冷量 溫差℃ 水流量 Q 泵轉(zhuǎn)速 n 水壓力 P 電機(jī)軸功率 N 節(jié)電率 0 由公式 55 知，流量 Q與轉(zhuǎn)速成正比，由表知轉(zhuǎn)速 n又與電機(jī)的功率與節(jié)電率成正比。因此在設(shè)計(jì)時(shí)為了節(jié)能我們只能設(shè)計(jì)成小流量與大溫差，但是擴(kuò)大溫差、降低流量不能任意進(jìn)行，是受約束的。 GB50019—2021 的推薦值是： 冷水供回水溫差一般為 5℃ ，熱水供回水溫差一般為了 10℃ 。 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 33 流量一定，改變溫度 表 42 定流量改變溫度關(guān)系表 流量（ t/h） tin tout tt 冷負(fù)荷 冷卻設(shè)備數(shù) 量 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)最大數(shù)量 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)順序 當(dāng)流量一定時(shí)，根據(jù)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)的數(shù)量及順序來測定出口的溫度， n、 s與出口溫度的關(guān)系，就 是 Q與出口溫度之間的關(guān)系，從而將數(shù)字量與模擬量之間的對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換成了模擬量之間的對應(yīng)關(guān)系、從而省略掉了 D/A轉(zhuǎn)換的繁瑣步驟，然后根據(jù)公式 41可得出 Q與 tout之間關(guān)系，然后選擇被控過程處于開環(huán)、穩(wěn)態(tài)時(shí)，將選定的輸入量電加熱器功率做一階躍變化，測試記錄輸出量的變化數(shù)據(jù)，所得到的記錄曲線就是被控過程的階躍響應(yīng)曲線： 圖 41 Q與 tout的關(guān)系圖 由于該過程是一個(gè)延遲比較大的過程因此，在模型的選擇時(shí)我選擇了一個(gè)延遲時(shí)間 Tao,由于回水溫度不可能無限度的低，它和濕球溫度間有一個(gè)關(guān)系，當(dāng)他們之差小于 ℃ 時(shí)，無論風(fēng)機(jī)的開啟數(shù)量怎么變化，回水溫度也將不在變化，因此在選型時(shí)我選擇了一個(gè)一階的慣性環(huán)節(jié)，綜上所述模型選用如下： 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 34 nsTTskesG ao )1()( ?? 參數(shù)的求解： 通過調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)器，給其一個(gè)階躍信號(hào) 30%40%變化時(shí)的，通過圖獲得曲線得出 tout 的穩(wěn)態(tài)值， %10)(?? outtk ， )()Q( 1 ??? outout tt ，)()Q( 2 ??? outout tt 根據(jù)曲線和數(shù)據(jù)，可以近似得出： Q Q Q1/Q2 ，當(dāng)比值小于 ，為一階慣性環(huán)節(jié)，當(dāng) Q1/Q2，為二階慣性環(huán)節(jié)， n=2，當(dāng) Q1/Q2，查表即可得出 n的值，然后根據(jù)下面公式算得 T的值。 nT 21?? 溫度一定，改變流量 表 43 定溫差時(shí)的流量變化 tin tout tt 流量（ t/h） 冷負(fù)荷 冷卻設(shè)備數(shù)量 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)最大數(shù)量 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)順序 由公式 41 知，當(dāng)溫度一定時(shí)，流量與 Q成線性關(guān)系。 流量溫度同時(shí)改變 表 44 流量溫度同時(shí)改變表 tin tout tt 流量（ t/h） 冷負(fù)荷 冷卻設(shè)備數(shù)量 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)最大數(shù)量 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)順序 循環(huán)冷 卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 35 由于溫度流量同時(shí)改變，由于此時(shí)改變兩個(gè)量，要求系統(tǒng)反應(yīng)更加的準(zhǔn)確靈敏，因此在設(shè)計(jì)時(shí)加了一個(gè)前饋控制器，前饋信號(hào)為進(jìn)口溫度，當(dāng)進(jìn)口溫度改變時(shí)根據(jù)公式 41 可以得出此時(shí)的 Q,然后根據(jù) 單塔及塔組 實(shí)驗(yàn)得出的 Q與風(fēng)機(jī)的開啟順序與數(shù)量的函數(shù)關(guān)系式及其圖像，便可快速的得出此時(shí)應(yīng)該開幾臺(tái)風(fēng)機(jī)與風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)順序，單閉環(huán)控制加前饋控制系統(tǒng)系統(tǒng)框圖如下所示 ： 圖 42 前饋控制圖 實(shí)驗(yàn)二 溫度 PID 控制實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握可編程控制器（ PLC）的基本工作原理、指 令系統(tǒng)、硬件連接，使學(xué)生掌握使用可編程控制器的基本方法，鍛煉學(xué)生對 PLC的編程能力，用可編程控制器解決一些自動(dòng)控制問題的能力。 二、實(shí)驗(yàn)要求 基本要求 要求學(xué)生理解并且掌握可編程控制器（ PLC）的基本工作原理及基本結(jié)構(gòu)、PLC的運(yùn)行方式、外部接線及編程方法，訊聯(lián)學(xué)生的獨(dú)立編程能力及用 PLC解決現(xiàn)場控制問題的能力。要求學(xué)生能根據(jù)現(xiàn)場控制的要求，自助編程和調(diào)試程序，全面建立起用 PLC解決一個(gè)實(shí)際問題的全過程的概念。 設(shè)計(jì)要求 在實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)上，通過借助 PLC運(yùn)用 PI