水温冷却

水温冷却（精选6篇）

水温冷却篇1

0 引言

目前, 我军装备的各种车辆行走系统的发电机组合一般采用风动方式进行水冷却降温。而风动冷却系统是处于无控制状态, 它随发动机的开启和关闭而同步工作。这样发动机功率的10%左右损耗在风动装置的运行中, 即使在环境温度很低不需降温的情况下, 也无法使风动冷却系统停止运行。随着我军各种装甲车辆的不断增加, 发电机功耗的功率也在不断地增加, 这种无控方式的风动冷却系统的不适应性也越来越突出, 许多车辆厂和使用单位都以各种方式着手对各种装甲车辆的风动冷却系统从降低功耗和自动化控制等方面进行探讨和技术改进。

1 水温控制器

装甲车辆风动冷却系统水温控制器 (以下简称温控器) , 见图1, 它主要由主控装置、显示面板 (型号WKQ00无显示面板, 型号WKQ01带有显示面板) 、温度传感器组成, 可适时对车辆的水箱温度进行采样, 并根据各种车辆的不同需求置入与之相适应的温度控制点, 自动控制风动系统进行适时的启动或停止, 以达到由水箱回水口的适时温度控制风动冷却系统运行的目的。

该温控器的工作电源直接采用车载+24V直流电源, 不需另加供电装置;具有手动和自动两种工作状态, 可控制风动冷却系统以高速、中速、停止3种方式运转;其温度测量精度为±1 ℃, 型号为WKQ01的温控器显示延迟时间≤1 s。该温控器还具有故障自诊断功能, 车辆进入行走状态温控器即进入温度适时采样工作, 当故障发生时自动将风动冷却系统置为高速运转状态, 保障了发电机组合的安全运行, 不会造成热过载。

2 传感器

温度传感器 (见图2) 是实施温度测量和状态控制的首要环节, 温度传感器的种类有热敏电阻式、晶体管式以及数字集成电路式等。一般的热敏电阻式温度传感器的线性较差, 在+85 ℃以上尤为突出;晶体管温度传感器则需要增加许多外围器件, 在硬件和软件上要做大量的工作。经过多方市场调研, 最终选用了目前先进的数字智能式集成电路温度传感器DS1620, 它无需任何外围器件, 温度感应灵敏, 测量准确, 从模拟量到数字量的转换自动快捷, 温度适应范围-55 ℃～+125 ℃。将集成电路DS1620封闭在一个温度传导系数良好的紫铜管中, 两根电源线和3根数据线由插座引出, 紫铜管整体置入水箱中, 直接采样水箱中循环水的温度, 并适时地将温度传送到主控装置。

3 主控装置

型号不同的装甲车辆, 对于温度控制点的要求也不相同, 有的车辆只需一个温度控制点, 而有的车辆则带有2个或多个风动装置, 因此需要设置2个或多个温度控制点。当环境温度不太高、车辆运行时间不太长、发动机功耗不太大的情况下, 只启动其中的部分风动冷却装置;当发电机功耗增大、温度上升快时就需要启动多个风动装置, 以便于尽快使发电机组合降温。一旦车辆的型号确定, 温度控制点的数量和温度值即可确定, 这样就可针对不同型号的车辆需求, 在软件设计时对各个温度控制点赋值即可。图3为主控装置图。

风动水温控制器的主控装置是单片机89C2051, 通过采样温度传感器读取水箱的适时温度数据并将其与事先设定的温度控制数据进行比较。当采样数据大于等于控制数据时, 控制状态位输出为高, 控制继电器吸合, 在该路指示灯被点亮的同时, 与之相对应的风动装置即被启动;反之, 当采样数据小于控制数据时, 这一状态位输出为低, 继电器触点被释放, 在该路指示灯被熄灭的同时, 与之相对应的风动装置即被停止。当温度过高时程序会使第二路继电器吸合, 使风动冷却装置进入高速运转方式。

“自动—手动”转换开关切换到手动后, 即状态开关在手动工作状态时, 风动冷却装置的工作方式完全由控制开关控制, 这时由驾驶员根据数码显示面板的读数来确定方式开关的位置。在自动工作状态, 运转方式控制开关的位置不起作用。当车辆配有其他温度显示装置时, 可安装型号为WKQ00并且没有显示面板的温控器, 但安装位置应以便于驾驶员的观测和不影响其正常操作为准。

4 结构设计

该温控器的结构设计经过了不断的改进和完善, 由于该温控器安装于动力舱的变速箱上, 因此, 其工作环境极其恶劣, 工作环境温度为-40 ℃～+105 ℃。由于装甲车辆还安装有多种电子设备, 如空调、交直流电机等, 这些设备在运行过程中都会产生很强的电磁噪声干扰, 若温控器直接置身于这种恶劣的电磁环境中, 势必会影响其正常工作, 此外温控器本身所产生的电磁噪声也会干扰车上其他设备的正常工作。为此必须对该温控器采取相应的电磁兼容设计。

5 结论

本文介绍的装甲车辆行走系统风动水温控制器, 操作使用方便, 环境适应性强。经过台架试验、车载试验, 充分证明该温控器是将功能、性能和可靠性集于一体的新型产品, 它从功能上满足了设计要求, 从性能上达到了技术指标, 使产品的可靠性得到有力的保障。

摘要：为使装甲车发电机组合输出功率的有效使用率为最大, 需对车辆的风动冷却系统进行技术改造。研发一水温控制器使风动冷却系统由无控变为有控, 该水温控制器由温度传感器和主控装置及显示面板组成, 可根据温度变化对冷却系统进行实时控制, 从而有效地减轻发电机组合的功率消耗。

关键词：冷却系统,温控器,传感器

参考文献

[1]张毅刚, 修林成, 胡振江.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1990.

内燃机台架宽水温控制冷却系统篇2

关键词：内燃机,冷却系统,水温控制,试验研究,应用

0 前言

冷却水温对内燃机性能影响的研究,可借助计算机及专业软件对冷却系统进行传热模拟[1,2],部件分析与设计[3,4,5],或应用热工基础学对水温特性进行理论分析[6]等,均可取得一定成果,解决了正常水温某些常规性能问题,但未能取得对诸如排放性能的影响结果。为了研究冷却水温对内燃机性能特别是排放性能的影响,需要在高低水温之间的6~8个设定温度点进行特性试验。这对由发动机数控系统测控各性能参数的内燃机台架而言,冷却系统控制水温稳定与否,已是测试效果优劣乃至成败之关键。

内燃机台架冷却系统通常采用电控自动补充冷水的恒温水箱装置,与发动机节温器共同作用,只能维持冷却水温在80℃或更高的某温度点。由于发动机节温器的作用,以带散热片水箱和风扇为主要部件的冷却系统,冷却效果良好,特别是利用单片机研制的智能冷却系统[7],以及采用微控技术控制风扇和水泵的转速[8]或已获得美国专利技术的控制内燃机冷却水泵转速[9]的冷却系统等,控制水温效果更佳,解决生产中发动机过热问题或改善经济性和可靠性,但对水温控制均仅限于高温范围。即便通过提高冷却水流速改进冷却系统,也主要是解决发动机局部过热问题[10],仍未能控制低水温。在总结经验的基础上,研究了可在一定范围内控制内燃机各种冷却水温的台架冷却系统,并利用汽油机台架进行多种水温试验,以满足需要。

1 工作原理

对于采用大循环冷却的汽油机,当运行工况稳定时,其冷却水流量不变,且只要保持循环水箱内的水温不变就能维持系统各处水温稳定[11]。因此,控制箱内水温可控制发动机冷却水温。内燃机台架宽水温控制冷却系统工作原理示意图,见图1。

1.1 冷却水排泄量测算

如图1所示,当发动机采用大循环冷却且工况稳定时,假设排泄的冷却水流量为Q 1,补充的冷水流量亦为Q 1,可使进入水箱的t 2冷却水温与t5冷水温度混合后等于箱内水温t 7;又假设水箱对外散热忽略不计。根据能量守恒定理,并由文献[12]可得:

式中,Q为发动机冷却水流量,可通过测录Q,t 2,t 5和t 7之值计算排泄流量Q 1值。t 2因水箱隔热使t 7不变而不变,且Q不变[11],通常t 5也不变;即Q 1值也不变。因此,发动机工况稳定时,只要水箱固定排泄经测算的冷却水量且补充等排泄量的恒温冷水,箱内水温就不变,冷却水温也就稳定。改变箱内水温,重新测算冷却水排泄量,系统就可控制另一冷却水温。

1.2 冷水量自动补充

以长时间水温稳定性良好的自来水作为循环水箱的补充冷水。水箱内装浮球阀,浮球阀与自来水管连接,冷却水排泄量由箱外旁通阀手动控制。发动机运行时,水箱的进、出水量相等,使循环水箱的水容量不变,即水位稳定。当旁通阀打开时,进入水箱的冷却水量小于水箱的出水量,使箱内水容量减少,水位下降。为了维持箱内水位不变,浮球阀开度随着箱内水位下降而逐渐增大,逐步加大流入冷水量直到等于冷却水排泄量为止。此时箱内水位略低于原水位,但仍维持不变,主要是进入水箱的冷水和其余循环冷却水之和等于其出水量。若发动机工况稳定,旁通阀开度固定,所排泄的部分冷却水量不变,则冷水补充量也不变且一直等于冷却水排泄量。浮球阀自动调节冷水量,实现了循环水箱自动补充等于冷却水排泄量的冷水量。

1.3 操作方法

如图1所示,调整与固定水箱浮球位置,使箱内水位满足要求。发动机工况稳定运行,系统中的冷却水温不断升高,当其出水温度等于设定温度值时,测录冷却水进箱口2、出箱口7和补充冷水口5的水温值、及流量计3的流量值。利用式(1)计算冷却水排泄量Q 1值之后,打开旁通阀,调节与固定阀门开度,使排泄流量计读数等于Q 1值。一段时间之后,冷水补充量等于排泄量,使箱内新水位和水温均维持不变,从而控制发动机出水温度稳定。当发动机欲于另一设定水温点稳定运行时,若出水温度高于设定水温,则加大旁通阀开度,减少进箱热水量与增加冷水量,使箱内水温下降;反之关闭旁通阀,且加热器通电加热,使箱内水温上升;直到出水温度等于该设定水温为止,并按上一水温点的控制方法,使发动机出水温度稳定于所设定水温点。

2 汽油机台架试验

2.1 仪器设备

汽油机台架冷却系统测试原理示意图见图1。其主要仪器设备及其功能如下。

a.丰田8A汽油机,额定功率为63 k W,额定转速为6 000 r/min,最大扭矩为110 N·m(5 200r/min)。取下发动机节温器,堵住小循环孔,使其始终处于大循环冷却。

b.CW150/6 500电涡流测功机,最大吸收功率为150 k W,最高转速为6 500 r/min。

c.FST2C发动机数控系统,由电脑操控,恒扭矩控制精度≤±0.2 N·m,恒转速控制精度≤±5r/min,控制发动机运行工况点,并测录各种水温、排气温度、扭矩、转速和耗油率等参数。

d.循环水箱,顶部设置箱盖,外表包装保温材料,使之与空气之间形成隔热层。箱内增装电加热器,用于快速提高水温。其容积为0.6 m×0.2 m×0.7 m,且与排泄水口相距1.7 m。

e.5支Pt 100热电偶与发动机数控系统联结。

f.LZB-50玻璃转子流量计,测量冷却水总流量,量程为400~4 000 L/h;LZB-25玻璃转子流量计(冷却水温30℃时更换备用件LZB-50),测量冷却水排泄流量,量程为100~1 000 L/h。

2.2 项目与目的

a.定工况定水温稳定性试验。即对汽油机转速4 500 r/min、扭矩54 N·m(负荷50%)、设定水温50℃进行21 min的测试,各时间段测录相关参数值,以证实冷却水温控制精度是否满足测试时间要求。

b.定工况多种水温试验。即对汽油机转速4 500 r/min、扭矩54 N·m分别在30,45,60,75,85℃和95℃6种设定水温点进行参数测录,以取得各种试验冷却水温的控制精度。

2.3 数据整理

两个项目试验数据经整理后分别见表1和表2。在项目(a)中,测算值Q 1=443 L/h。在项目(b)中,各工况点的测试时间均≤6 min。

3 性能分析

3.1 可行性

由表1可知,汽油机连续运行21 min,因扭矩和转速的控制精度高,使冷却水量和排泄量的控制精度≤1.6%及其进出口水温t 8和t 1的控制精度均≤+0.7℃。这是发动机工况稳定,使冷却水流量稳定。一方面,排泄量无需因冷却水流量变化而改变,也就不必及时调整旁通阀,便于浮球阀自动控制冷水流量,保持箱内水温稳定;另一方面,保持发动机出、进水温差值不变,以致冷却水温因箱内水温稳定而不变。实现对冷却水温可靠控制21min,足以满足测试所需时间,而且水温控制精度≤+0.7℃,满足内燃机台架试验对水温控制精度≤2℃的要求[13,14]。同样,对于负荷75%,转速分别为3 500 r/min和4 000 r/min,设定水温分别为55℃和60℃进行21 min的测试,水温控制精度均≤+0.8℃,只是箱内水温和排泄量不同而已[11,15]。因此,忽略水箱对外界散热而得出排泄量计算公式,以及箱内浮球阀自动补充冷水量是可行的，即系统的工作原理是可行的。

3.2 可靠性

由表1尚可发现,1 min后冷却水温上升0.4℃,主要是刚打开旁通阀时,浮球阀开启相对滞后,使冷水补充量小于热水排泄量,导致进箱冷热混合水温高于原箱内水温,使水温总体略有升高。一段时间之后,浮球阀自动调节补充冷水量等于冷却水排泄量,使箱内水温略有下降且逐步稳定于原水温。若刚开始调节时适当增加排泄量,而后使之回到计算值,则上述现象有所避免。在实测过程中,通常各工况点测试时间只需5~7 min,也可使冷却水温与确定值之偏差受时间影响小。如项目(b)就是这样操控水温,且各工况点的测试时间均≤6 min;并取得了在30~95℃之间各测试水温点的控制精度均≤0.2℃的试验结果,见表2。同样,对于转速3 500 r/min、负荷50%,在40~96℃之间6种测试水温点的控制精度均≤0.3℃[11];对于转速4 000 r/min、负荷85%,在30~97℃之间6种测试水温点的控制精度均≤0.3℃[15]。

表1中水温出现正偏差,是玻璃流量计的误差所致的。见表2,排泄量随冷却水温的提高而减少,在30~95℃之间各水温点的排泄量变化幅度大,特别是水温30℃的排泄量是95℃的6倍,给流量计选型带来难度,试验期间只好更换备件。只要系统的玻璃流量计改用涡轮流量计,或再增设一道装有较大量程玻璃流量计的旁通管路,以备用于低冷却水温测试,则上述存在的问题可解决。因此,系统的工作原理是可靠的。

3.3 实用性

对于最高冷却水温,因水箱与大气相通,从理论上讲可达到100℃,但在实际测试过程中应≤98℃。由式(1),若令Q1=Q,则t5=t7,即全部排泄进箱冷却水,水箱全是自来水,此时发动机进水也是自来水,而发动机出口冷却水温度t1=t5+△t,△t为发动机出、进口水的温差值。因此,发动机最低冷却水温等于补充冷水温度与其冷却水出进口温差值之和。这样的水温控制范围能够满足试验需要。

4 应用评价

4.1 适用于各种发动机

对于内燃机多水温台架试验,通常每个工况点只需6~8个设定水温点,且排泄量与冷却水温是一一对应关系,见表2,简化测算程序。因此,系统以手动控制方式实现水温控制是能够接受的。对于不同型号发动机,系统只要根据其冷却水流量大小,选择相应规格的流量计、浮球阀和旁通阀,就能够应用。车用内燃机通常采用开式循环冷却系统,本系统可直接应用。船用柴油机采用闭式循环冷却系统,只要将本系统取代其淡水冷却系统,且与海水冷却系统之间无热交换,即可应用。

4.2 拓宽发动机台架功能

在研究冷却水温对内燃机性能特别是排放性能的影响规律或发动机水温特性时,需要进行多种冷却水温台架试验。系统实现发动机各种工况在30~95℃之间的任一水温,可提供对水温特殊要求的试验,也适用于发动机正常工作水温的试验。对于因水套结垢而减小传热系数的发动机,系统可简易通过降低箱内水温而降低进机水温的方法,控制冷却水温,即对发动机超负荷试验颇为适用。系统之箱内加热器通电可快速提高冷却水温,缩短发动机预热时间;旁通阀全开,水箱不进热水而进冷水,可快速降低冷却水温,缩短水温调节时间。

4.3 具有开发潜能

箱内浮球阀自动补充冷水量,实现了冷水补充量等于冷却水排泄量,且受管内压力波动影响小。若将系统的手动旁通阀改为电控阀,并以发动机出水温度为控制信号,可简化结构,实现自动控制。

5 结论

水温冷却篇3

目前国内外乘用车广泛使用的冷却系统是使用水泵将冷却液带走发动机水套的热量,使冷却液温度上升,将高温的冷却液输送到散热器,由风扇或车速产生的气流冷却散热器内的冷却液,再把温度较低的冷却液输送到发动机水套,形成一个循环系统,从而实现冷却发动机的功能。

一般情况下,发动机冷却系统带走的热量占燃料总释放热量的20%~30%。如果发动机冷却系统带走的热量过多,发动机会过冷,这会导致发动机的燃烧情况变差,功率下降,同时油耗也会增加。如果发动机冷却能力不足,会导致发动机过热,从而使发动机产生早燃、爆震等问题,会加大发动机零部件的热负荷,减少零件的使用寿命,严重的会导致零部件的损坏。因此,匹配良好的冷却系统是发动机正常使用的关键。

现在汽车发动机的工作温度一般在95~100℃左右。为了保证发动机在正确的温度下工作,必须对发动机的冷却强度进行调节,保证发动机的正常工作温度,冷却强度调节通常通过节温器和风扇来实现。

节温器一般来说蜡式的居多,节温器在冷却系统中改变冷却液循环路线工作原理如下:

a.当冷却水温低于82℃时,石蜡呈固态,主阀门完全关闭,副阀门完全开启,由发动机水套出来的水经副阀口直接进入水泵,进行小循环。这时,冷却液不经过散热器,冷却强度小。

b.当冷却水温在82~95℃时,大小循环同时进行。当水温达到82℃时,石蜡逐渐变成液态,开始膨胀,体积变大,由于中心杆的上端是固定的,故中心杆对感应体产生向下的反推力,使主阀门逐渐打开,而副阀门逐渐关闭,这时既有大循环,同时也有小循环。

c.当冷却水温高于95℃时,石蜡呈液态,主阀门完全打开,副阀门完全关闭,发动机水套的冷却液完成经过散热器,进行大循环。因为冷却液完全经过散热器,这时的冷却强度时最大的。

1 故障分析

1.1 故障描述

某车型在我国北方冬季时出现发动机机舱噪声大的问题,经过初步排查确认是风扇出现了常转的故障,同时发现发动机出水温度在100℃以上,但是发动机进水管却是凉的。经检查,水温传感器、电子风扇、线束、ECU均无问题。

1.2 故障原因分析

发动机进水温度与出水温度的差异可以说明节温器未开启,首先对节温器进行排查,经过检测,该节温器合格,可以排除是节温器的原因导致大循环不开启。

排除了节温器的原因,下一步对故障车进行水温检测,同时检测发动机的进水温度和出水温度,观察温度的变化,检测结果见图1。

根据测试结果,发动机在低温环境下起动,随着发动机的运转,进出水温度逐渐升高,直至节温器达到开启温度(82℃),节温器打开。这时散热器内的冷水开始参与循环,节温器附件的温度开始降低,当出水温度达到风扇的开启温度(92℃)时,风扇开始运转,进水温度继续降低,节温器关闭,进水温度继续降低,直至平衡。但是出水温度因节温器未开启,温度无法下降,平衡在95℃,高于风扇的开启温度,这时风扇持续运转。

从而可以得出结论,风扇常转问题的原因是进出水温度的差异导致的,但是导致温度差异的原因就需要对整个冷却系统的结构进行分析,尤其是节温器壳体内的结构,见图2。

从节温器壳体内的结构可以看出,节温器感应的水温来自于大循环、小循环、暖风回水的混合温度,小循环和暖风回水的温度都近似于发动机出水温度。而故障发动机的进水温度持续在下降,说明来自于小循环和暖风的水流大部分被水泵所吸走,这时节温器感应的水温大部分来自于大循环的冷水,所以造成了进出水的温度差异,导致了风扇常转问题。

1.3 整改措施

既然发生风扇常转问题的原因已经找到,是因为节温器壳体内的热水大部分被水泵所吸走,导致节温器感应的是大循环的冷水。针对此原因,制定整改方案,防止热水被吸走即可,在节温器壳体内增加挡板结构,见图3。

1.4 效果验证

更换新状态的节温器壳体,重新进行测试,对发动机进水温度和出水温度进行检测,同时监测风扇运转情况,检测结果见图4。

通过测试结果可以看出,更换新的节温器壳体后,发动机进出水的温度随着发动机的运转,水温逐渐上升,并且达到平衡后温差较小,风扇也未出现常转现象,证明整改措施有效。

2 结语

针对风扇常转问题,首先要查看的是零件的质量问题,其次是设计状态是否存在问题。本案例中零件符合图纸要求,造成此问题的原因是节温器与节温器壳体的匹配性存在问题,即节温器感应的水温失真,增加挡板后,可以使节温器壳体内的冷却液有效地混合。这样进出水的温差就不会存在很大的差异,整个冷却系统能够正常运转,从而避免出现风扇常转现象。

摘要：对某乘用车在行驶过程中出现的风扇常转,节温器不开的故障进行了详细的分析,并针对此失效问题制定整改方案、该车的节温器应在小循环时关闭,大循环开启,为达到此目的,需保证节温器壳体与节温器的匹配性。

关键词：节温器,匹配,水温

参考文献

水温冷却篇4

1 系统方案设计

柴油发动机冷却水温控制下位机采用STC89C52单片机作为主控, 主要完成温度数据的采集、传送以及水温冷却系统的控制。上位机是PC监控软件, 该软件通过TTL串口线与下位机进行数据通信, 能实时采集下位机采集的温度数据并永久记录下来供用户查看, 并且可以自主操控下位机进行冷却水温系统进行各项操作, 也可以设置自动工作模式。柴油发动机冷却水温控制系统硬件系统包括单片机最小系统、下位机数据实时显示子系统、温度数据采集子系统、下位机键盘数据调节系统、声光报警系统和TTL数据传输系统。硬件系统设计完成后编写STC89C52单片机下位机数据采集传输以及冷却系统控制程序, 最后在电脑上使用Qt Creator软件编写专门的数据监测软件实现PC监测软件与下位机直接的双向通信。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件框图

系统硬件原理图如图1所示, 主要部分在于温度传感器DS18B20和冷却模拟系统舵机部分, 其中TTL串口通信电路没有特定的接口, 只需要将USB转TTL串口线的GND、GCC与单片机对接, TTL线的TXD接到单片机的RXD, TTL线的RXD接到单片机的TXD便能实现通信。

2.2 水温采集

常见的测温和测湿度, 可选用单独的专门传感器[3,4,5], 整个柴油发动机冷却水温控制系统主要围绕水温这一指标进行作品设计, 因此首先需要完成的是采集准确的水温数据, 为了对水温数据进行更精准的监测, 水温值需要精确到小数点后一位。DS18B20数字温度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温度传感器。由于DS18B20数字传感器能精确到小数点后两位, 而其驱动电路比较简单, 因此使用该传感器能节省外围硬件, 并且降低系统复杂性和减小体积, 因此柴油发动机冷却水温控制系统采用DS18B20来采集水温数据, 并通过STC89C52单片机做处理。

2.3 舵机控制

柴油发动机冷却水温控制系统的水温冷却系统使用舵机来模拟冷却阀门的开合, 其中舵机顺时针转动表示打开阀门进行冷却, 舵机逆时针转动表示关闭阀门停止冷却, 因此需要使用舵机跟下位机的STC89C52单片机进行连接, 同样舵机的控制线只有一根, 连接上单片机IO引脚后接受来自信号线的控制信号, 控制电机转动, 电机带动一系列齿轮组, 减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的, 舵盘转动的同时, 带动位置反馈电位计, 电位计将输出一个电压信号到控制电路板, 进行反馈, 然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度, 从而达到目标停止。其工作流程为:控制信号→控制电路板→电机转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈。

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

柴油发动机冷却水温控制系统的下位机软件流程图如图2所示, 系统上电后首先进行初始化操作, 其中包括串口初始化、定时器初始化和液晶的初始化。系统初始化完成后进入主循环体, 驱动DS18B20温度传感器采集实时温度数据并通过液晶进行显示, 然后判断当前模式是否为水温冷却系统的自动模式, 如果是则根据当前水温进行模拟冷却系统的自动控制, 判断水温是否超过阀值, 超过的话进行打开阀门冷却 (舵机正转) , 不超过关闭阀门 (舵机反转) 。接着判断上位机PC监测软件是否连接上, 如果是则向上位机进行温度数据的发送, 并接受上位机的命令, 包括手动开关阀门和设置冷却系统自动模式或手动模式, 最后重新返回到采集显示温度数据的流程一直循环操作。

3.2 上位机软件设计

PC数据监测上位机软件流程图如图3所示, 上位机运行后首先进行初始化UI界面操作, 特别是设置控件监听槽函数, 即定义当用户按下按钮或其他控件的响应函数。然后通过上位机软件连接数据采集下位机, 连接成功后将下位机发送过来的温度数据和阀值数据进行显示, 每次采集的水温数据都会结合当前的系统日期是时间显示在数据记录框中, 并且永久保存在电脑里, 用户可以随时通过监测软件进行数据查看。并响应用户在界面上的各个操作, 包括手动开关水阀和设置水阀的启动模式。

4 系统调试与实现

在完成了整个硬件系统的制作后在电脑上通过Keil软件进行下位机软件的编写, 和通过Qt Creator软件进行PC监测软件的编写后单片机下位机运行如图4所示, 液晶上下行的左边分别显示实时水温和阀值水温, 右边显示水阀的状态。

PC数据监测软件允许如图5所示, 监测软件除了能显示下位机液晶上的水温、阀值水温和水阀状态外还能记录历史数据, 并且具有记录管理按钮和水阀操作按钮等, 能直接使用相关硬件按钮来控制下位机水阀或者设置阀值。

结合设计实物, 对水温测量并使用阀门自动模式进行冷却系统的测试, 测试结果如表1所示。从表1结果可以看出, 系统水阀的控制比较精准, 当设置了阀门自动模式后能根据水温的值进行水阀的精确控制, 能够满足柴油发动机冷却水温控制系统的基本要求。

5 结语

本文从柴油发动机的冷却方案出发, 通过使用现场数据采集与PC上位机数据分析监测的方法对系统硬件与软件进行综合设计, 并且成功的实现了上位机水温的监测以及冷却系统的控制。实验结果正面, 本系统使用简单、成本低廉, 具有一定的现场应用与推广价值。

参考文献

[1]戴善溪, 张效民.基于Zig Bee技术的数字式温湿度监测网络设计[J].国外电子测量技术, 2010, 33 (2) :47-49.

[2]刘宝元, 张玉虹, 姜旭等.基于单片机的温湿度监控系统设计[J].国外电子测量技术, 2009, 32 (12) :77-80.

[3]姚传安.无线温湿度传感器网络设计[J].计算机测量与控制, 2007 (15) :168-187.

[4]宋凯, 王祁, 张振平.基于单传感器温度调制的无线电子鼻[J].仪器仪表学报, 2011, 32 (1) :150-156.

水温冷却篇5

PID控制器是一种应用广泛的闭环控制器[1],具有较强的灵活性和适应性,对于无法建立准确数学模型的工业控制对象,使用PID控制器可以得到满意的控制效果。其控制参数也可以在经验数据的基础上,通过被控对象的响应曲线不断调整,以达到最优。然而,传统的PID控制器是基于一种假定的一阶滞后对象设计的,这种对象很难满足现场需求,同时实际系统中热负荷变化大且时延大,传统的PID控制方法难以取得良好的控制效果[2],超调量常高达20%~30%。因此,笔者针对磁体入口温度控制问题,提出一种前馈-反馈控制策略。在对磁体冷却循环回路工艺机理分析的基础上,选取磁体出口水温作为前馈计算模型,以抑制磁体线圈电流上升速率对系统控制产生的影响,最终通过设计PID控制器实现磁体入口水温的稳定跟踪控制。

1 工艺机理与温度控制策略(1)

1.1 工艺机理

去离子水冷却系统的单蓄水罐(带布水器)供冷模式的工艺流程如图1所示。

蓄水罐的罐体中加装了可使冷热水自然分层的布水器,采用夜间蓄冷模式,利用冷水机组制取6℃的冷冻水并存入蓄冷罐中。当磁体实验时,蓄水罐中的冷冻水由冷冻水泵从罐底抽出,经过板式换热器换热后,热水回到罐顶,经过布水器后,自然分布在冷水上方,冷热水之间形成约1m高的自然过渡斜温层,这并不影响斜温层下冷水的使用。同时,磁体冷却水由磁体冷却循环泵输送到磁体容器处,带走磁体运行时释放的热量,热水经过板式换热器和冷冻水换热后又重新进入磁体进行热交换。

磁体实验时,保持磁体入口水温恒定十分关键。若入口水温过高,对于磁体线圈和高纯水的热对流过程来说,温差过小必然影响传热效果,使磁体线圈温度升高、局部过热而烧毁;若入口水温过低,势必要消耗较多的冷冻水才能达到较好的效果,但由于蓄水罐容量有限,需尽量节省冷冻水的使用,以延长实验时间。因此,控制磁体入口水温直接关系到磁体的运行安全与效率。通过机理分析和经验总结,将磁体入口水温控制在10℃。

磁体入口水温的控制是通过调节冷冻水泵的频率改变冷冻水流量来实现的。对于板式换热器来说,当换热面积和温差一定时,冷冻水流量越大,带走的热量越多,磁体侧出口水温就越低。而磁体侧出口水温直接影响到磁体入口水温。

1.2 原温度控制策略

为了避免大纯滞后过程对系统稳定性的影响[3],原温度控制策略选用板式换热器磁体侧出口水温TIC401作为控制目标,采用常规PID控制,通过调节冷冻水泵的频率,改变冷冻水流量使控制目标值稳定。根据磁体入口水温TE430和TIC401的温差,手动改变TIC401的设定值,来实现TE430的稳定。此种控制策略可以使调节时间不大于4min,稳态精度在±0.3℃,但超调量高达30%。若减少控制器增益,延长微分时间,超调量略微下降,但牺牲了调节时间。

对于换热器左侧的冷冻水来说,在磁体实验开始前,蓄水罐中保存的是6℃冷冻水,从罐底流出的冷冻水水温基本是恒定的。随着实验的进行,冷热水斜温层逐渐下移,冷冻水的出水温度略有抬升,此时冷冻水流量也会随之加大。但由于冷冻水出水温度变化是一个缓慢渐变的过程,所以对整个系统来说不会造成大的扰动。

当磁体线圈通电时,磁体产生的热负荷是兆瓦级的。不同水冷磁体的最大功率设计值(10~2 5 MW)不同。对于每个磁体来说,在运行时,磁体冷却循环水的流量值是根据该磁体最大功率和板式换热器冷热水最大设计温差值计算得到的。为了安全起见,该流量值在磁体运行过程中需保持恒定,避免对温度控制造成干扰。

磁体线圈通电时释放的热量对于系统来说是主要扰动,其值体现在磁体出口水温的变化中。闭环反馈控制系统的特点是当被控过程受到扰动后,必须等到被控变量出现偏差时,控制器才开始动作以补偿扰动对被控变量的影响。对照图1可见,磁体出口水温的变化需经过时间T才能传输到换热器的入口侧,且T值取决于磁体冷却循环水的流速。在扰动量变换率相等的条件下,T越大,引起的超调就越大。

1.3 前馈-反馈温度控制策略

前馈控制的基本思想是根据过程的扰动量(外界扰动和设定值变化)产生合适的控制作用,使被控量不发生偏差。相对于反馈控制,前馈控制是及时的,因此,对于时延大、扰动大且频繁的过程有显著的控制效果[4,5]。

磁体冷却水水温控制系统中,由于磁体出口水温可以实时反映扰动量的变化,且可实现准确测量,所以选取磁体出口水温TE432作为前馈量,控制回路结构示意图如图2所示。经过实验的不断测试,当前馈控制模型选取TE432测量值的60%时可以较好地补偿扰动的影响。

2 基于PLC的PID控制器

基于PLC的PID控制器设计是以连续系统的PID控制规律为基础,将它数字化写成离散形式的PID控制方程后[6],再根据离散方程进行控制程序设计的。典型的基于PLC的PID模拟量闭环控制系统如图3所示,虚线部分即使用PLC实现的。

PID控制的输入输出关系为:

式中ev(t)———误差信号,ev(t)=sp(t)-pv(t);

KP、TI、TD———比例系数、积分时间常数、微分时间常数;

M———积分部分的初始值;

mv(t)———控制器的输出信号。

式(1)中等号右边的前3项分别是比例、积分、微分部分,它们分别与误差、误差积分、误差微分成正比。

假设采样周期为Ts,系统开始时刻t=0,用矩形积分近似精确积分,用差分近似精确微分,将式(1)离散化,则第n次采样时控制器的输出mv(n)为:

其中,ev(n-1)是第n-1次采样时的误差值。

S7-300 PLC为用户提供了多种PID控制功能块来实现PID控制,其中系统功能块SFB41“CONT_C”(连续控制器)中,KP、TI、TD和M分别对应于输入参数GAIN、TI、TD和积分初值I_ITLVAL。

3 系统硬件与软件功能

3.1 系统硬件

磁体冷却水水温控制系统是一个典型的闭环温度控制系统,执行机构是冷冻水的变频泵,控制对象是磁体冷却循环水,控制目标是磁体板式换热器出口温度TIC401,测温元件是Pt100一体化温度变送器,PID调节器、A/D和D/A转换器用S7-300 PLC实现。水温值由Pt100一体化温度变送器测量并转换成4~20m A电流信号,然后通过模拟量输入模块采集到PLC中。PLC与变频器之间通过Profibus-DP总线通信,上位机中安装了STEP7 V5.5编程软件和Win CC V7.0组态软件,通过工业以太网与PLC通信。

3.2 PID程序

S7-300 PLC为用户提供了PID控制功能块SFB41。该功能块以式(2)为理论依据,通过系统过程值PV_INT与设定值SP_INT得到有效偏差,再对偏差进行PID运算,格式处理后最终得到输出量LMN。启动时,在执行的组织块OB1中和在定时循环OB35中调用FB41,调用时应指定相应的背景数据块。其中用STL形式编写的部分程序如下:

该PID程序中,设定值、采样时间与3个PID参数值需要自行设定。另外,程序中还设定了以磁体出口水温TE432作为扰动量DISV,起前馈作用。

3.3 其他功能模块

变频器的DP通信与控制功能模块可实现两用一备运行模式下,3台变频泵的启停、控制逻辑、频率设定与反馈、故障报警与响应以及联锁保护等。此程序块在OB1中调用。

输入输出变量量程转换模块中,在调用PID功能块时,给定值(SP_INT)通过所指定的地址由内部给出。过程值(PV_INT)是被控量的实际值,要得到过程实际值,首先应从外围设备(AI模块)读取A/D转换后的数字量(范围为0~27 648),然后将它进行处理并转换为过程值(实数)。对于PID功能块的输出操作值(实数),经过实数转整数的处理后,通过DP通信直接发送给变频器。此功能块也在OB1中调用。

4 工控组态软件Win CC的设计

创建项目与通信设置。打开Win CC Explorer窗口,创建一个Win CC单用户项目[7]。在变量管理器添加新的驱动程序SIMATIC S7 Protocol,在TCP/IP下,建立名为“CPU315-2DP”的驱动程序连接。设置IP地址为192.168.100.1,机架号0,插槽号2,这样就建立了Win CC项目与PLC的连接。

在建立的新驱动连接中创建系统所涉及到的所有过程变量,需要注意的是,地址属性对话框中的地址设置必须与PLC中的DB块地址相对应。

磁体冷却水水温控制系统的Win CC监控画面如图4所示,其中左上是磁体冷却水循环界面,左下是实时趋势图界面,右侧是冷冻水循环界面。可以根据趋势图上水温的变化曲线,设定并调整PID参数;在冷冻水循环和磁体冷却循环界面上,可以监测水泵的运行状态和仪表参数。

5 系统控制效果

PID参数整定采用经验法,即在经验值的基础上,根据系统特征做精确调整。磁体线圈的升流速度和磁体冷却循环水的流速都会影响PID的控制性能。实验证明,在相同的磁体热负荷变化率下,冷却水流量较低的磁体回路比例环节大、惯性环节时间常数大,所以PID控制器宜采用较小的KP和较大的TI,以符合PID串联校正的工程设计方法。

图5为系统实际运行时的磁体冷却水水温监控曲线,随着磁体电流的上升,出口水温越来越高,入口水温通过PID加前馈控制得以保持稳定。系统可以在不同磁体上实现稳态精度约±0.2℃、调节时间约3min的控制性能。另外,磁体出口水温TE432作为扰动量起到前馈作用,使超调量降低到10%以内。

6 结束语

磁体冷却水水温控制系统采用基于S7-300PLC的PID功能块,对磁体入口水温进行实时控制,以满足磁体运行的控制要求。该系统具有良好的人机界面,能方便地在线修改参数,可以实现对整个磁体冷却循环系统工艺流程的控制。通过设置不同的PID参数,可应对不同工况的磁体冷却回路,获得较为满意的动静态控制效果。前馈控制的加入很好地抑制了大扰动给系统造成的影响,当磁体出口水温出现波动时,控制系统能够通过前馈环节快速响应,减小出口水温对系统造成的影响。该系统的不足之处是没有实现磁体入口水温的直接控制,且PID算法是固定的。为了适应磁体运行工况的变化,在今后的实践中可以考虑设计一种可在线修改的自适应控制或模糊控制算法,以获得更理想的控制效果。

参考文献

[1]任俊杰,李永霞,李媛,等.基于PLC的闭环控制系统PID控制器的实现[J].制造业自动化,2009,31(4):20~23.

[2]Gungor A,Eskin N.Two-dimensional Coal Combustion Modeling of CFB[J].International Journal of Thermal Sciences,2008,47(2):157~174.

[3]吕群,于标.大纯滞后系统的一种PID预估控制方法[J].武汉职业技术学院学报,2007,6(5):87~90.

[4]马良玉,阎秦,王兵树,等.过热汽温内模自适应控制方案设计及仿真[J].微计算机信息,2007,23(10):32~33.

[5]陈以,杨启伟.模糊Smith智能温度控制器的设计与仿真[J].控制工程,2007,14(4):422~425.

[6]廖常初.S7-300/400 PLC应用教程[M].北京:机械工业出版社,2009.

水温冷却篇6

转炉炼钢法在现代钢铁冶炼中具有重要的地位和作用。在转炉炼钢法中, 对转炉炉体冷却水温度的控制有着较高的要求, 如果冷却水温度达不到要求会使得降温效果不佳甚至会导致安全生产事故, 所以对转炉冷却水温度的控制有着重要的意义。

在转炉的冷却塔塔体内分布有相关的填料, 布水器固定在塔内填料上端, 通过水泵把高温水输送到布水器, 使水均匀的喷洒于塔内填料上, 通过冷却塔内的扇风机, 对冷却水形成一定量的冷却风对水进行冷却, 从而使水的温度得到一定程度的降低。

本文针对转炉冷却塔的温度控制系统设计了一套基于复合控制和微分先行PID算法的温度控制策略。使系统可以快速相应扰动而不对系统的稳定性造成影响。使系统高效、稳定的运行。

1 复合控制策略

在工程应用中反馈校正是常用的校正策略。但是如果当系统存在较大波动系统难以满足所需的稳态精度和响应速度。因此, 为了减少系统的稳态误差, 在系统的输入回路中加入前馈通道组成一个前馈———反馈复合控制系统, 可以极大的减小系统波动造成的稳态误差。

在冷却塔水温控制系统中, 当流经转炉的冷却水通过水泵送到冷却塔顶时, 若出现冷却水温度波动较大的情况则在冷却过程中若扇风机依然保持原本的转速很难实现水温的有效下降, 进而可能给后续生产造成影响。因此, 为避免这种情况的出现本文采用了前馈控制策略, 由于系统的被控对象为冷却水的温度而主要降温措施为通过增加扇风机的扇风量达到降低水温的目的, 故而在本系统中应采用按输入补偿的负荷控制策略进行设计。首先在冷却塔的入水口加装相应的水温传感器, 当水温变化幅度较大时, 则前馈控制器产生相应的作用, 通过变频器控制扇风机加大转速或开起第二台、第三台扇风机以加大送风量, 使水温在冷却塔中得到有效的降低。其控制结构如图1:

R (s) 为系统输入量Gr (s) 为前馈控制器传递函数, G1 (s) 为前向通路控制器的传递函数, G2 (s) 则为被控对象扇风机的传递函数

此时, 系统是输出量为:

于是可得系统的误差传递函数为:

等效系统的误差传递函数为:

由此前馈控制器的全补偿传递函数应为:

由于在实际工程应用中完全实现前馈的全补偿条件在物理上是很难实现的, 故而在控制参数整定时, 通常采用部分补偿, 使系统误差减小的允许的范围内。这样既可以保证有效保证系统的正常运行也可以有效降低水温大范围波动对出水温度的影响。使得冷却系统可以输出水温符合要求的冷却水。

2 微分先行PID控制算法

在本文中由于由于在冷却塔内冷却水要通过填料, 使扇风机有时间降低水温, 故而该系统为典型的时滞型系统。

由于本系统中冷却水通过填料下渗的过程是一个纯滞后的过程, 使得传统的反馈控制不能有效、及时的控制出水温度的变化。又由于在实际工程应用中前馈控制的实现仅是以能满足跟踪精度要求的部分补偿条件, 因此当水温波动较大时, 会使得输出水温不符合要求且整个系统需要很长的时间进行震荡调节。

因此对于此类带有滞后过程的控制系统若尽尽采用前述的前馈控制方案并不完善, 需要采用基于微分先行的PID控制算法加以完善优化。

在PID控制系统中, 微分的作用就是可以按照被控参数的变化速度来校正被控量的偏差, 由于在传统的PID算法微分环节并不是真正对被控参数的变化起到校正的目的, 而仅仅是对输入量和输出量的差值进行了微分运算, 因此对客服大滞后系统中超调的作用效果并不是很好。而如果采用如图2所示的微分先行的控制方法将会有效的提高克服超调的作用。

由图2可知系统的闭环传递函数为:

较普通PID闭环传递函数:

由式 (5) 、 (6) 可以推出由于微分先行PID算法和PID控制算法的特征方程是相同的。但由于微分先行比PID少一个零点, 即:, 所以由控制理论的原理可以得出微分先行PID算法要比PID控制算法所产生的超调量小, 使系统输出更加稳定。

微分先行PID控制算法和普通PID控制算法对方波信号的响应波形如图3、4所示:

由图3和图4可以清楚的得出在采用微分先行的PID算法后, 系统的相应速度和精度有了很大的提高。

因为在本系统中控制器的主要作用是控制扇风机的转速和投入工作的扇风机的数量, 故而当出水温度不符合设定温度的情况出现时, 系统会马上调整变频器的输出参数, 使得扇风机根据控制策略做出快速反应加大或减小扇风量, 以保证在填料中仍未渗出的冷却水进行快速降温, 并按照设定值进行输出。

3 总结

由于系统采用复合控制策略, 且在反馈控制回路中使用了微分先行的PID控制算法。但由于在冷却塔中为了保证冷却水的有效循环, 本文并没有对冷却水的流速和压力进行控制, 而是通过将两种算中控制策略叠加于系统的降温扇风机, 通过控制器调节变频器的工作, 实现对水温控制的目的。

参考文献

[1]胡佩昌, 姜明世, 施玉金.水动能型冷却塔在转炉设备冷却水中的应用[J].设备维修与管理, 2012 (2) :61-62.

[2]杨晓生, 彭志坚, 肖益波, 谭晓松.基于微分先行PID算法的铸锭炉温控系统[J].电子工业专用设备, 2009 (174) :42-45.

[3]闫杰, 孙青.冷却塔控制策略[J].智能建筑, 2010 (117) :64-68.