利用PLC设计一个密封的热交换装置

　　加热器是一种常见热交换装置，一般用于对介质加热升温，并使介质文件稳定在一个合适的范围。

　　这里假定一些设计输入条件，然后以这些技术要求进行电气控制系统的设计。

　　设计要求

　　设计一个密封的热交换装置，用于管道中水的即热加热。热交换装置为一个独立的控制系统单元，加热控制系统应具备加热器防干烧、防爆、加热器异常检测功能。系统能够适应管路系统流量变化时，经过热交换装置后，输出的温度精准稳定（假定设计输出温度为70℃）。

　　加热系统构建

　　STEP1梳理控制要求

　　在进行方案设计前，我们先对以上的设计要求进行一个简单的梳理。

　　1、“设计一个密封的热交换装置，用于管道中水的即热加热”，这一条说明加热系统的工况；

　　2、“加热控制系统应具备加热器防干烧、防爆、加热器异常检测功能”，这一条主要是要求控制系统应具备完善的安全保护措施；

　　3、“系统能够适应管路系统流量变化时，经过热交换装置后，输出的温度稳定”，由这一点要求可以初步判断，此加热系统应具备自动温度调节功能。

　　STEP2加热控制系统框架设计

　　从上一步的梳理知道，此加热系统的控制核心为第三点“加热系统应具备自动温度调节功能”，故这里以这一条技术要求入手。

　　很容易知道要实现一个连续运行的过程系统稳定，最行之有效的方式就是将其构建为一个闭环的控制系统，并运用PID控制方法。这可以快速、高效的构建一个稳定的控制系统。此加热系统既可以使用PLC构建一个PID控制闭环。另外，因PID算法为一个单输入单输出控制系统算法，故应该就选择那些参数作为输入输出进行选择。

　　PID控制输入

　　因系统的控制目标为对管路中的温度进行控制，故选择加热器的管路输出口温度作为PID的控制输入；

　　PID控制输出

　　从以上的分析已经知道，管路中的水流量是一个随时变化的量（即可能会一会快，一会慢），且水流量是被管路其他系统控制。故无法选择对水的流量控制作为PID控制输出；加热器的加热单元是一个独立的器件，所以选择加热单元作为PID控制输出是一个合理的方式。

　　由此，可以构建出如下所示的闭环控制模型。

　　

　　STEP3安全保护功能设计

　　1、防干烧

　　此功能是为防止热交互装置在管路中无水时，对加热单元启动。要实现此功能，应该对管路中的水的有无进行检测。在实际的工业现场，一般常见有以下几种方式实现：

　　检测管路中的水的流量，有流量值，则说明管路中有水流动，那么也就说明热交互装置非空；

　　检测管路中水的压力，当水流过管道时，会在管道中形成一定的压力，通过检测管道水压力，从而判断水的有无；

　　2、防爆

　　此功能是为了防止出现管管路中的水温被异常加高，使加热装置变成有一个类似于一个锅炉的装置。检测方法通上，检测管路中的流量和压力均可实现。但在进行加热装置硬件设计的过程中，应该要考虑安全解压阀，在控制系统出现异常时，也能保证加热装置的安全。

　　3、加热器异常检测功能

　　这个一般需要依照加热装置加热器选择来考虑。如果加热器为加热棒，那么可以对加热棒电源线路中的电流进行检测，通过电流判断加热器是否出现异常（断线、短路、部分加热组件损坏等）。

　　加热装置各单元设置

　　加热装置各单元设置如下图所示：

　　

　　流量测放置于加热装置输出侧，可以确保有水流过加热器后，再开启加热控制，防止“干烧”；

　　温度检测放置于加热装置输出侧，可以确保输出水温被精准的控制在要求的温度范围。