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(tǒng)單元，加熱控制系統(tǒng)應具備加熱器防干燒、防爆、加熱器異常檢測功能。系統(tǒng)能夠適應管路系統(tǒng)流量變化時，經(jīng)過熱交換裝置后，輸出的溫度精準穩(wěn)定(假定設計溫度恒定為70℃)。
加熱系統(tǒng)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(tǒng)的工況；
②“加熱控制系統(tǒng)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(tǒng)應具備完善的安全保護措施；
③“系統(tǒng)能夠適應管路系統(tǒng)流量變化時，經(jīng)過熱交換裝置后，輸出的溫度穩(wěn)定”，由這一點要求可以初步判斷，此加熱系統(tǒng)應具備自動溫度調(diào)節(jié)功能。
2、STEP2 加熱控制系統(tǒng)框架設計
從上一步的梳理知道，此加熱系統(tǒng)的控制核心為第三點“加熱系統(tǒng)應具備自動溫度調(diào)節(jié)功能”，故這里以這一條技術要求入手。很容易知道要實現(xiàn)一個連續(xù)穩(wěn)定運行的過程系統(tǒng)，最行之有效的方式就是將其構建為一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，并運用PID控制方法。這可以快速、高效的構建一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。此加熱系統(tǒng)使用溫控器構建一個PID控制閉環(huán)。另外，因PID算法為一個單輸入單輸出控制系統(tǒng)算法。
3、PID控制輸入
因系統(tǒng)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(jīng)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(tǒng)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(tǒng)構成及應用》這篇文章。由此，可以構建出如下所示的閉環(huán)控制模型：
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(xiàn)此功能，應該對管路中的水的有無進行檢測。在實際的工業(yè)現(xiàn)場，一般常見有以下幾種方式實現(xiàn)：
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(xiàn)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(xiàn)。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(tǒng)出現(xiàn)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(xiàn)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：
流量監(jiān)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。
