一种液氮输送控制系统的改进设计_郑艳鹏.pdf
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1、电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第15期No.152023年8月Aug.2023收稿日期:2022-03-09稿件编号:202203086作者简介:郑艳鹏(1989),男,河北石家庄人,硕士,工程师。研究方向:电机与智能电器。无论在人们的生活、工业生产,还是在科研活动中,温度物理量都扮演着重要的角色。随着人们对温度的控制要求越来越多,温度的控制方法也呈现一种液氮输送控制系统的改进设计郑艳鹏,苏 东(中国科学院上海高等研究院,上海 201800)摘要:针对上海光源液氮循环机组原有的供液控制器,继电器控制方式容易产生电火花、寿命短、容易发生
2、失控、超调量大、操作不方便、不智能,并且无扩展功能等缺点。设计了一种改进的液氮输送控制系统,该控制系统在原有的低温电磁阀和Pt100温度传感器不变的情况下,可方便与控制器进行连接。由于系统升级为人机界面控制,所以操作更加方便;当发生故障时,能够在报警界面提示具体的报警信息,并能同时触发蜂鸣器,提醒报警发生,使系统更加智能化;改进的控制系统增加了 DA转换接口,可以将界面的温度、电压、电流等数据,传输到其他控制机柜进行采集,扩展性得到了提高。经过测试和运行得出结论:改进的控制系统不会发生失控现象,超调量较小,满足控制要求;该控制器与旧控制器相比较,不会发生失控现象;操作更加智能便利;增加了扩展功
3、能,便于数据交换,值得推广使用。关键词:可编程逻辑控制器;温度控制;模拟量采集;液氮输送中图分类号:TN912.34文献标识码:A文章编号:1674-6236(2023)15-0046-06DOI:10.14022/j.issn1674-6236.2023.15.010Design of an improved control system for liquid nitrogen transportationZHENG Yanpeng,SU Dong(Shanghai Advanced Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Shangha
4、i 201800,China)Abstract:For the original liquid supply controller of the liquid nitrogen cycle unit of Shanghai lightsource,the control mode of relay is easy to produce electric spark,short life,easy to lose control,largeovershoot,inconvenient operation,not intelligent,and no expansion function,an i
5、mproved liquidnitrogen transportation control system was designed.The control system can be conveniently connectedwith the controller under the condition that the original low temperature solenoid valve and Pt100temperature sensor remain unchanged.As the system is upgraded to man-machine interface c
6、ontrol,sothe operation is more convenient,when failure occurs,can prompt specific alarm information in thealarm interface,and can trigger the buzzer at the same time,remind the alarm,so that the system ismore intelligent;The improved control system adds DA conversion interface,which can transfer the
7、temperature,voltage and current data of the interface to other control cabinets for collection,thusimproving the expansibility.After testing and running,it is concluded that the improved control systemwill not lose control and the overshoot is small.Overshoot meets the control requirements;Compared
8、withthe old controller,the controller does not lose control.More intelligent and convenient operation;Theextension function is added to facilitate data exchange and is worth promoting.Keywords:PLC;temperature control;analog acquisition;liquid nitrogen transportation-46出了多样性。例如:杨春丽将PWM技术应用在了温控风冷系统1;刘
9、谈平等人将 PID+PWM 应用在了温控电源的设计2;王猛等人将模糊控制应用在了燃气热处理炉控制系统中3。而上海光源原有的液氮循环机组的液氮输送控制器采用现成的温控仪通过内置的 PID温度控制算法进行温度控制。这种控制器对于常见的小功率加热器来说控温精度较好,具有一定的应用价值。但对于低温液氮来说,使用该控制器,控制低温电磁阀的通断,存在以下缺点:算法单一,只能选择合适的负载匹配该控制器;对于大惯性负载并不适用;而且温控器一般采用按键控制、数码管显示,操作感和视觉感差、当出现报警时需要查代码,不利于故障排除;内部继电器开通容易产生电火花、寿命短。针对以上缺点,设计出了一种改进的液氮输送系统。来
10、给上海光源的液氮循环机组提供不断的液氮供其使用。由于液氮输送系统对管路的温度控制要求不高,超调量为10。所以根据其控制要求设计出了一种温度区间控制算法,这种方法可以改进现成的温控仪超调严重、不稳定等问题。另外当发生故障时,界面能显示故障信息,摒弃了温控仪排查故障繁琐的问题。新控制系统通过固态继电器来控制电磁阀的通断,具有寿命长响应速度快、不产生电火花的优点。采用触摸屏监测数据更清晰、操作感好,更加智能化。系统还增加了电压、电流数据监测、电磁阀开通次数统计等功能均能在界面实现监控。而且,系统还能将本地数据传送于其他控制器。由此可以看出,改进的控制系统更具优势,值得进一步的推广与应用。1控制系统的
11、总体设计1.1液氮循环机组简介液氮循环机组靠液氮泵,通过液氮管路可以给像单色器这样的高热部件降温。系统利用 PID控制算法控制换热器的开通与关断,使系统工作在 2 bar甚至更高的压力下,以此来提高液氮的沸点,保证液氮不沸腾。在压力稳定的条件下,系统可以保持流量的稳定,使液氮循环机组工作在极其稳定的状态,持续冷却单色器,并使两端的温度维持在77 K左右。液氮输送控制器是为了使液氮循环机组在液氮不足时,进行补液,为液氮循环机组提供不断的液氮供其使用。1.2液氮输送控制系统设计由于上海光源的液氮存储在距离液氮循环机组较远的位置约600 m,液氮属于低温液体易于挥发,所以液氮通过真空管路进行传输。管
12、路较长时,到达液氮循环机组需要的时间也相对较长,液氮输送控制系统设计目的就是为了缩短供液时间,使液氮循环机组不断液。新旧液氮输送控制系统原理框图如图 2所示。对应的旧系统实物图和新系统操作界面如图3所示。其工作原理是通过现成的温控器采集温度,然后通过内部PID控制算法,去控制中间继电器的通断,从而控制电磁阀的通断,进而控制管内温度的高低。从图3(a)中可以看出设定温度为-30,当前温度为-80,两者温度相差50,控温效果不佳,超调量较大。图1液氮循环机组和液氮输送控制器图2新旧液氮输送控制系统原理框图郑艳鹏,等一种液氮输送控制系统的改进设计-47电子设计工程 2023年第15期对旧控制系统进行
13、改进,具体要求如下:系统温度检测范围(-199 室温),温度超调范围(10);系统兼有开关量与模拟量(电压、电流、温度)采集和人机交互功能。根据以上要求,设计出改进的系统原理框图,如图 2(b)所示。与之对应的人机界面如图 3(b)所示。从图 2(b)中可以看出,整个控制系统主要由PLC触摸屏一体机、固态继电器、电压、电流、温度变送器、指示灯、声光报警器和24 V直流电源等构成。其中,PLC触摸屏一体机为系统的核心,它集成有3路模数(ADC)接口、3路数模(DAC)接口,还有 16路高速脉冲输出接口和 10 路继电器输出接口、24路数字量输入接口。该控制系统只需要 3 路 DO 输出、3 路
14、ADC,1 路 DAC,所以完全满足系统的需求。改进的控制系统的工作原理:电压、电流和温度变送器,将电压、电流和温度信号转换成010 V的电压信号,送入ADC接口。通过CPU计算,处理010 V模拟量转换程序,变换成人们容易识别的温度、电压、电流数据,通过组态软件中的显示控件进行组态,就能得到图 3(b)新系统操作界面。利用读取到的实际温度寄存器,通过编写温度控制程序,控制电磁阀的开通与关闭就可以控制液氮管路内的温度。当需要发出警报时,软件编程使 DO3输出点置 1,并促使相应的组态报警控件和滚动报警控件工作,从而实现了蜂鸣器报警和界面的报警功能。图3旧系统实物图和新系统操作界面图图4新旧系统
15、电气原理图与旧控制系统相比较,新改进的控制系统具有明显的优势,具体体现在:新控制系统中低温电磁阀-48的中转器件采用固态继电器,解决了电磁继电器容易出现电火花、寿命短的问题;采用可编程智能多功能温度变送器采集温度信号,它支持S和R型热电偶(01 600)、B 型热电偶(2001 800)、K 和 N 型热电偶(01 300)、E型热电偶(-200850)、J型热电偶(0650)、T型热电偶(-200400),也支持 Pt100(-199600)和 Cu50 热电阻(-50150)等多种温度传感器,编程器可更改传感器种类,有更好的灵活适用性。1.3电气原理图设计液氮输送系统的旧控制系统和新控制系
16、统电气原理图分别如图4(a)和(b)所示。相比较而言,新控制系统更加复杂,主要区别体现在旧控制系统采用现成的温控器,对系统进行控制。而改进的控制系统采用可编程的 PLC 一体机作为控制器,适用于更加复杂的系统,在线可编程是现成功能,是温控器不可比拟的。图(b)中还设计出了 ADC与远程控制器的接口电路,通过编程,可以与远程控制器交换本地温度、电压、电流等数据。2控制系统的软件设计2.1模数与数模转换软件设计主要完成电压、电流、温度的模数转换,再通过本地控制器 DAC 接口连接另一个控制器的 ADC 接口实现远程数据传输。还包括电磁阀自动控制和报警程序的编写还有系统的人机界面的设计。电压、电流和
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