專利名稱：一種高溫高壓試驗裝置溫度串級pid控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及高溫高壓試驗裝置溫度串級PID控制系統(tǒng)。
背景技術：
試驗用高溫高壓釜用來模擬地層環(huán)境的溫度、壓力等參數(shù)，對工作于類似地層環(huán) 境的儀器行性能進行檢測試驗，廣泛應用于石油、化工、煤炭、兵器、航天等領域?，F(xiàn)有試驗 裝置大多采用感應加熱或以類似導熱油為傳熱介質的強制循環(huán)加熱方式，這兩種加熱方式 前者由于加熱原理限制，只能自然降溫，效率低下，應用范圍受限，后者加熱裝置設備復雜， 運行管理成本較高，安全環(huán)保性能較差，同時受傳加熱原理和傳熱介質的限制，還具有試驗 時間長，試驗溫度較低等缺點。對于電熱風加熱方式的高溫高壓釜溫度控制特殊工藝要求， 采用常規(guī)控制方法升溫降溫速度控制困難，穩(wěn)定性差，難以實現(xiàn)預期的控制目標。

實用新型內(nèi)容本實用新型所解決的技術問題是提供一種結構簡單，在保證釜壁密封溫度安全的 前提下，既能快速準確達到升溫保溫目標，又能保證升溫過程高壓釜釜壁密封安全溫度，同 時能夠有效解決爐膛升溫速度過快、超調(diào)大，溫度壓力耦合嚴重的高溫高壓試驗裝置溫度 串級PID控制系統(tǒng)。為解決上述的技術問題，本實用新型采取的技術方案本實用新型的特殊之處在于所述的控制系統(tǒng)由熱風混合加熱模塊、加熱電源模 塊、風機循環(huán)模塊、溫度測控模塊構成；熱風混合加熱模塊包括加熱斧、導流筒、加熱筒、加 熱體，加熱斧外徑依次套設導流筒、加熱筒構成加熱區(qū)，加熱體設置在導流筒與加熱筒之 間；溫度測控模塊包括設置在加熱區(qū)內(nèi)的若干個熱電偶或熱電阻測溫元件、溫度變送器、 外環(huán)主控PID控制回路、內(nèi)環(huán)輔控PID控制回路、三相功率調(diào)節(jié)裝置、PLC、觸摸屏；所述的 熱風混合加熱模塊的加熱體通過銅排與加熱電源模塊連接，加熱電源模塊與電氣控制模塊 的PLC連接，風機循環(huán)模塊一路通過變頻器與電氣控制模塊連接，另一路與熱風混合加熱 模塊的加熱體連接；所述的熱電偶或熱電阻元件獲取的溫度變化信號通過變送器轉變成 4-20mA的電流信號，傳輸?shù)綔囟葴y控模塊的外環(huán)主控PID控制回路、內(nèi)環(huán)輔控PID控制回 路，分別通過主控PID控制器、輔控PID控制器對輸出功率進行調(diào)節(jié)。上述的風機循環(huán)模塊包括風機、變頻器、熱風閥、冷風閥、換向閥，換向閥與風機連 接，且換向閥的兩端分別與熱風閥、冷風閥連接。上述的加熱電源模塊為加熱功率輸出控制的主回路，主要包括低壓斷路器、快速 熔斷器、交流接觸器、三相過零調(diào)功裝置，并在主回路上連接有電能參數(shù)檢測裝置；與現(xiàn)有技術相比，本實用新型將系統(tǒng)的溫度控制劃分為釜內(nèi)目標溫度、釜壁安全 溫度、釜外熱風溫度三個控溫區(qū)，通過串級控制方法，在保證釜壁密封溫度安全的前提下， 實現(xiàn)對釜內(nèi)試驗溫度能夠按照升溫保溫降溫的工藝曲線要求進行精確控制，在充分考慮了 整個加熱過程的快速性和穩(wěn)定性的基礎上，依據(jù)本實用新型控制方案，既能快速準確達到升溫保溫目標，又能保證升溫過程高壓釜釜壁密封安全溫度，同時能夠有效解決爐膛升溫 速度過快、超調(diào)大，溫度壓力耦合嚴重，釜內(nèi)試驗目標溫度穩(wěn)定性差，以及自動投切控制困 難的問題。

圖1為本實用新型的連接框圖；圖2為本實用新型的控制原理圖；圖3為本實用新型的工作流程圖；圖4為系統(tǒng)的組成與控制框圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型進行詳細說明。參見圖1，本實用新型由以下模塊構成熱風混合加熱模塊包括加熱斧1、導流筒2、加熱筒3、加熱體8，加熱斧1外徑依次 套設導流筒2、加熱筒3構成加熱區(qū)，加熱體8設置在導流筒2與加熱筒3之間；超高壓容 器外的環(huán)形密封區(qū)為熱風混合循環(huán)加熱區(qū)，電阻加熱體分三區(qū)并按一定規(guī)則均勻布置加熱 筒和導流筒之間，加熱其間循環(huán)空氣，最終通過傳導加熱方式，使超高壓容器內(nèi)介質達到試 驗要求溫度并保溫。加熱電源模塊為加熱功率輸出控制的主回路，主要包括低壓斷路器、快速熔斷器、 交流接觸器、三相過零調(diào)功裝置，并在主回路上連接有電能參數(shù)檢測裝置，電壓、電流、功率 等參數(shù)均可在控制柜上顯示。加熱電源通過銅排與三區(qū)加熱體相連接，通過溫控系統(tǒng)對加 熱電源輸出功率的自動實時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)。風機循環(huán)模塊包括風機4、變頻器9、熱風閥5、冷風閥6、換向閥7，換向閥7與風機 4連接，且換向閥4的兩端分別與熱風閥5、冷風閥6連接，加熱和降溫過程中適時提供循環(huán) 風，通過控制風機的轉速和閥的開度控制風浪風量和風速的大小，實現(xiàn)按程序曲線加熱和 降溫的試驗要求。溫度測控模塊包括設置在加熱區(qū)內(nèi)的若干個熱電偶或熱電阻測溫元件、溫度變送 器、外環(huán)主控PID控制回路、內(nèi)環(huán)輔控PID控制回路、三相功率調(diào)節(jié)裝置、PLC、觸摸屏；所述的熱風混合加熱模塊的加熱體8通過銅排與加熱電源模塊連接，加熱電源模 塊與電氣控制模塊的PLC連接，風機循環(huán)模塊一路通過變頻器9與電氣控制模塊連接，另一 路與熱風混合加熱模塊的加熱體連接；所述的熱電偶或熱電阻元件獲取的溫度變化信號通 過變送器轉變成4-20mA的電流信號，傳輸?shù)綔囟葴y控模塊的外環(huán)主控PID控制回路、內(nèi)環(huán) 輔控PID控制回路，分別通過主控PID控制器、輔控PID控制器對輸出功率進行調(diào)節(jié)。參見圖2，本實用新型的控制方法是將熱風混合加熱模塊的加熱區(qū)分為目標溫度 A、安全溫度B、爐膛溫度C三個測溫區(qū)，目標溫度和通過外環(huán)主控PID控制回路運算處理后， 其輸出信號傳輸?shù)絻?nèi)環(huán)輔控PID控制回路和安全溫度進行比較運算處理，再經(jīng)過溫控系數(shù) 修正后轉化為模擬控制信號輸出到功率調(diào)節(jié)裝置，對加熱電源的輸出功率進行調(diào)整。溫度測控系統(tǒng)分A、B、C三區(qū)進行測溫控溫，每區(qū)有三個測溫點分布于環(huán)形加熱空 間上中下三個區(qū)域，分別為六1、六2、六3，81、82、83，(1丄2丄3。其中，A區(qū)的三個測溫點為目溫度測溫區(qū)，該溫度是加熱工件所需要的試驗溫度；B區(qū)的三個測溫點為安全溫度測溫區(qū)， 該區(qū)的溫度不能超過罐內(nèi)密封橡膠圈的安全極限溫度；C區(qū)的三個測溫點為加熱體所處的 導流筒爐膛溫度測溫區(qū)，該溫度是循環(huán)空氣被加熱后的電熱風溫度，以上9點溫度的測量 均通過熱電偶或熱電阻元件獲取溫度變化信號后，通過變送器統(tǒng)一變成4-20mA的電流信 號上位監(jiān)控系統(tǒng)進行溫度的監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄，同時溫控儀據(jù)此溫度信號的和設定溫度曲線 的比較結果，控制電源的輸出功率和風機轉速，實時調(diào)節(jié)加熱致冷的試驗過程。以上所提控溫分區(qū)并不局限于三區(qū)，可根據(jù)密閉容器的容積空間和大小尺寸所需 功率要求進行分區(qū)，本實用新型控制方案就以三區(qū)為例進行說明。以目標溫度A區(qū)為主控變量與加熱安全溫度B區(qū)為輔控變量構成串級控制系統(tǒng)， 溫度控制以實現(xiàn)A區(qū)目標溫度穩(wěn)定為主要控溫目標，通過串級控制方法，以B區(qū)的安全溫度 和A區(qū)目標溫度作為加熱電源功率輸出的主要調(diào)節(jié)依據(jù)，C區(qū)溫度作為電熱風加熱控制過 程中的監(jiān)測值使用，在升溫、保溫、降溫各階段適時調(diào)整設定溫度，并切換被控溫度，來實現(xiàn) 加熱試驗功能。根據(jù)信號傳遞關系，將電熱風加熱對象分為兩部分，一部分是高壓釜外壁以及外 部電熱風導流筒等，其輸出變量為B區(qū)或C區(qū)溫度，即試驗過程中的安全溫度或導流筒內(nèi)電 熱風溫度；另一部分為加熱釜內(nèi)液體，其輸出變量為A區(qū)溫度，即控制的目標溫度，風壓、風 速、電源波動、溫度壓力耦合干擾變化，通過高壓釜外部電熱風溫度的波動影響釜內(nèi)試驗目 標溫度。主控PID控制器、輔控PID控制器兩個控制器分別針對高壓釜不同部位的測量溫 度A區(qū)和B區(qū)來實施溫度控制，主控PID控制器的輸出是輔控PID控制器的設定值，而輔控 PID控制器的輸出去控制功率調(diào)節(jié)裝置以改變加熱電源輸出功率，該串級控制系統(tǒng)的外環(huán) PID控制回路接收用戶設定的試驗目標溫度和釜內(nèi)介質的實際溫度，并據(jù)此進行計算，計算 結果傳給內(nèi)環(huán)PID控制回路，內(nèi)環(huán)PID控制回路接收外環(huán)PID控制回路所傳來的計算結果 和釜壁或釜外實際溫度，并據(jù)此進行計算，計算結果作為高壓釜溫度控制的主控指令，再經(jīng) 過溫控系數(shù)修正之后，轉化輸出為溫控儀表能夠接受的模擬控制信號，調(diào)節(jié)加熱電源輸出 功率。如附圖3所示，在升溫開始階段，使B區(qū)的溫度恒定在安全溫度附近，在保證不超 過安全溫度的前提下，以最大功率使A區(qū)溫度盡快達到目標溫度；當A區(qū)溫度達到目標值附 近進入保溫階段時，容器內(nèi)外以及加熱釜內(nèi)的溫度基本接近(容器外部溫度比其內(nèi)部溫度 稍高，但溫差不大于50°C )，通過程序自動切換控制電源輸出功率的設定溫度為A區(qū)目標保 溫溫度，此時電源輸出功率比升溫階段的輸出功率稍低，以保證A區(qū)的目標溫度恒定為主 要目的。降溫時，切斷加熱電源，打開熱風冷風閥門，控溫儀表按照降溫工藝曲線調(diào)節(jié)變頻 風機的轉速，直到實現(xiàn)降溫目標要求。整個升溫保溫過程的實現(xiàn)通過3個三回路可編程控溫儀表，9個測溫點實現(xiàn)對三 區(qū)加熱電源輸出功率的調(diào)節(jié)，完成整個預定的升溫保溫降溫的試驗，三個控溫表的編號分 別為1#，2#，3#，分別對應控制三區(qū)的輸出功率。如1區(qū)溫度控制方法為A1測溫傳感器接 入1號控制回路，設定溫度為A區(qū)的目標溫度；Bl測溫傳感器接入2號控制回路，設定溫度 為B區(qū)的安全加熱溫度；Cl測溫傳感器接入3號控制回路，設定溫度為C區(qū)電熱風的加熱 溫度，可通過邏輯程序控制各回路為單獨輸出或組成串級控制回路。三個控溫回路的輸出通過三位切換開關連接到1區(qū)的三相功率調(diào)節(jié)裝置上，三位選擇開關的切換由PLC控制程 序根據(jù)圖2加熱控制流程進行自動切換，實現(xiàn)工藝要求的升溫保溫過程。2區(qū)、3區(qū)的方法 和以上類同。降溫過程按照降溫工藝要求設定好降溫速率和降溫目標值，取三個測溫點溫度的 平均值為主控溫度，將該PID調(diào)節(jié)器設置成正作用致冷模式，通過對變頻器9頻率的改變來 控制風機的風量，完成按給定曲線降溫過程?？刂品椒ㄍㄟ^以下步驟實現(xiàn)(1)在升溫階段，關閉熱風閥5和冷風閥6，使換向閥7處于開啟狀態(tài)，風機4開啟， 九個測溫點分別通過熱電偶或熱電阻元件傳輸?shù)?個三回路可編程控溫儀，三個控溫回路 的輸出通過三位切換開關連接到對應區(qū)域的三相功率調(diào)節(jié)裝置上，三位選擇開關的切換由 PLC控制進行自動切換，實現(xiàn)對三區(qū)加熱電源輸出功率的調(diào)節(jié)；在開始升溫階段，使B區(qū)的 溫度恒定在安全溫度附近，在保證不超過安全溫度的前提下，以最大功率使A區(qū)溫度盡快 達到目標溫度；(2)在保溫階段，當A區(qū)溫度達到目標值附近進入保溫階段時，容器內(nèi)外以及加熱 釜內(nèi)的溫度基本接近，容器外部溫度比其內(nèi)部溫度稍高，但溫差不大于50°C，通過程序自動 切換控制電源輸出功率的設定溫度為A區(qū)目標保溫溫度，此時電源輸出功率比升溫階段的 輸出功率稍低，以保證A區(qū)的目標溫度恒定為主要目的。(3)在降溫階段，關閉加熱電源停止加熱，開啟熱風閥5和冷風閥6，同時關閉換向 閥7，取三個測溫點溫度的平均值為主控溫度，通過變頻器9自動調(diào)節(jié)風機4的輸出冷風流 量，使加熱斧1內(nèi)溫度按照制冷工藝曲線在限定時間內(nèi)完成降溫過程。步驟(1)中測溫點的Bi、B2、B3之間的溫差不大于10°C。當超加熱斧1的壓力超過IOOMPa時，容器內(nèi)外壁溫差，即A、B兩區(qū)的溫差不大于 50 "C。附圖4為系統(tǒng)的組成與控制框圖，系統(tǒng)的上位監(jiān)控主設備由觸摸屏來實現(xiàn)，下位 從設備主要由PLC和智能溫控儀表、變頻器9等組成。上位和下位設備根據(jù)各自對應的通 訊協(xié)議進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。上位機由專用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)設定、報表曲 線和報警處理，通過監(jiān)控畫面顯示各種數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)，同時對下位設備發(fā)出 相應的控制指令，指揮加熱系統(tǒng)按照預定步驟和指標完成試驗任務。系統(tǒng)的下位機設備完 成對溫度、壓力、設備運行狀態(tài)等現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集，并根據(jù)所采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和上位機的 指令來決定對試驗設備的各種控制操作，同時完成數(shù)據(jù)的預處理、過程控制、邏輯互鎖、數(shù) 值初步計算等任務。觸摸屏可選用自帶全中文嵌入版組態(tài)軟件的真彩觸摸屏，并帶有多種通訊接口， 方便實現(xiàn)與下位設備的通訊。PLC選用德國西門子S7-200系列可編程邏輯控制器，實現(xiàn)試 驗過程中的數(shù)據(jù)采集、邏輯控制等功能?？販貎x可選用多回路可編程控溫儀表根據(jù)試驗的 工藝曲線，通過三個儀表九個測溫點實現(xiàn)對三區(qū)加熱電源輸出功率的調(diào)節(jié)，完成整個預定 的升溫保溫的試驗。選用一塊FP93控溫儀，并根據(jù)上述方法，來實現(xiàn)降溫作用?？蛇x配安 東LU-192A電力監(jiān)測儀，將加熱過程中諸如電壓、電流、功率等電能參數(shù)以數(shù)字切換的方式 進行顯示。
權利要求一種高溫高壓試驗裝置溫度串級PID控制系統(tǒng)，其特征在于所述的控制系統(tǒng)由熱風混合加熱模塊、加熱電源模塊、風機循環(huán)模塊、溫度測控模塊構成；熱風混合加熱模塊包括加熱斧(1)、導流筒(2)、加熱筒(3)、加熱體(8)，加熱斧(1)外徑依次套設導流筒(2)、加熱筒(3)構成加熱區(qū)，加熱體(8)設置在導流筒(2)與加熱筒(3)之間；溫度測控模塊包括設置在加熱區(qū)內(nèi)的若干個熱電偶或熱電阻測溫元件、溫度變送器、外環(huán)主控PID控制回路、內(nèi)環(huán)輔控PID控制回路、三相功率調(diào)節(jié)裝置、PLC、觸摸屏；所述的熱風混合加熱模塊的加熱體(8)通過銅排與加熱電源模塊連接，加熱電源模塊與電氣控制模塊的PLC連接，風機循環(huán)模塊一路通過變頻器(9)與電氣控制模塊連接，另一路與熱風混合加熱模塊的加熱體連接；所述的熱電偶或熱電阻元件獲取的溫度變化信號通過變送器轉變成4 20mA的電流信號，傳輸?shù)綔囟葴y控模塊的外環(huán)主控PID控制回路、內(nèi)環(huán)輔控PID控制回路，分別通過主控PID控制器、輔控PID控制器對輸出功率進行調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高溫高壓試驗裝置溫度串級PID控制系統(tǒng)，其特征在于 所述的風機循環(huán)模塊包括風機(4)、變頻器(9)、熱風閥(5)、冷風閥(6)、換向閥(7)，換向閥 (7)與風機⑷連接，且換向閥⑷的兩端分別與熱風閥(5)、冷風閥(6)連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高溫高壓試驗裝置溫度串級PID控制系統(tǒng)，其特征在于 所述的加熱電源模塊為加熱功率輸出控制的主回路，主要包括低壓斷路器、快速熔斷器、交 流接觸器、三相過零調(diào)功裝置，并在主回路上連接有電能參數(shù)檢測裝置。
專利摘要本實用新型涉及高溫高壓試驗裝置溫度串級PID控制系統(tǒng)及其控制方法。試驗用高溫高壓釜用來模擬地層環(huán)境的溫度、壓力等參數(shù)，對工作于類似地層環(huán)境的儀器行性能進行檢測試驗。本實用新型由熱風混合加熱模塊、加熱電源模塊、風機循環(huán)模塊、溫度測控模塊構成，將熱風混合加熱模塊的加熱區(qū)分為目標溫度、安全溫度、爐膛溫度三個測溫區(qū)，目標溫度和通過外環(huán)主控PID控制回路運算處理后，其輸出信號傳輸?shù)絻?nèi)環(huán)輔控PID控制回路和安全溫度進行比較運算處理，再經(jīng)過溫控系數(shù)修正后轉化為模擬控制信號輸出到功率調(diào)節(jié)裝置，對加熱電源的輸出功率進行調(diào)整。本實用新型結構簡單，將三個控溫區(qū)通過串級控制方法，實現(xiàn)對釜內(nèi)試驗溫度能夠按照升溫保溫降溫的工藝曲線要求進行精確控制。
文檔編號G05D23/24GK201765525SQ20102024564
公開日2011年3月16日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權日2010年7月2日
發(fā)明者張建華, 李勇, 樊新戰(zhàn), 郝佳 申請人:西安電爐研究所有限公司