教学论文：综合通风空调实验实训教学装置的研制

　　教学论文：综合通风空调实验实训教学装置的研制

　　摘要：针对国防工程通风空调专业长期教学和训练中存在的问题，研制了一种小型通风空调系统，从电气控制软件的开发及动态焓湿图软件的研制等方面详细的叙述了设备的研制过程，总结了该型设备解决的问题。

　　关键词：通风空调；电气控制；焓湿图

　　0引言

　　在国防工程通风空调专业长期教学和训练过程中，在训练条件建设方面存在以下问题需要解决：一是需要演示出工程内温度、湿度参数变化导致的系统运行方式的转变，而现有的实际系统因空间大、温湿度参数难以快速转变，系统运行方式转变的现象演示耗时长，教学效率过低；二是工程典型空气处理过程状态曲线与空气状态参数变化的关系抽象而难以理解，缺乏形象的动态演示手段；三是工程除湿机实际控制系统集成度高、维护维修空间狭窄、难以开展拆装、维护和故障排除技能训练，影响训练效果的达成。

　　1 研制目标

　　该装置采用通风空调系统最优化最小化结构，具有系统完整、结构紧凑的特点，可仿真演示通风空调系统运行原理，控制房间环境参数变化，房间焓湿度动态显示，系统工作模式切换，也可远程监控通风空调系统，并可进行上述系统的操作使用、维护保养、安装调试、故障排除等训练，适合院校进行原理教学、训练操作及技能鉴定要求。

　　2 研制内容

　　2.1 小型通风空调系统研制

　　小型通风空调系统包括通风房间及管路、小型调温除湿机及自动加热加湿系统。

　　首先依据功能需求对进风房间、送风房间、阵地模拟用风房间及螺旋风管的加工材料、加工工艺、定位尺寸、配合尺寸进行了设计，并形成加工图纸；对密闭阀门、调节阀门、加热器、送风机、加湿装置、除湿设备等进行选型，并进行了单机功能测试。

　　其次对调温除湿机制冷除湿系统的涡旋压缩机、水冷器、蒸发器、风冷器、储液罐、电磁阀、单向阀、热力膨胀阀、冷却水泵等设备进行选型，设计了制冷管路的尺寸、位置、连接方法，最终对系统进行了单机实验。实验证明，调温除湿装置完全模拟阵地调温除湿机缩微实现，能有效进行升温除湿、降温除湿和调温除湿。

　　自动加湿系统以单片机为核心，设计了外围驱动电路和输入检测电路，通过测量加热电极之间的电流换算出加湿量，并设计了进水电磁阀、排水电磁阀，能实现根据加湿量要求自动进水加湿、若到达水位上限能自动排水，进水量过大自动溢水等功能。

　　2.2 本地电气控制软件开发

　　该小型通风空调系统能够根据环境条件自动运行加热、加湿、降温、除湿等功能。可以选择本地控制和远程控制模式，其控制逻辑框图如图1所示。

　　图1 软件控制原理框图

　　图2 自动控制原理框图

　　系统本地控制的核心是西门子公司的S7-200系列PLC，通过对PLC的编程实现整个系统的自动控制。其控制逻辑框图如图1～图2所示。

　　2.3 远程控制软件开发

　　远程监控程序采用亚控组态软件编写，该软件基于Microsoft Windows XP/NT/2000 操作系统，可以在网络的各个位置上及时获得系统的实时信息。作为开放型的通用工业监控软件，支持与常见的PLC、变频器等通过常规通讯接口进行数据通讯。程序开发只须使用组态王提供的设备定义向导，即可定义工程中使用的I/O设备，并通过变量的定义实现与I/O设备关联。

　　本程序主要编写实训装备的手动控制界面程序及自动控制界面程序。与OPC服务器进行通信时采用服务器-客户端模式，在Windows系统中对分布式COM服务进行设置，即可将组态软件设置为OPC客户端，通过PPI协议与OPC服务器进行通信。监控程序通过OPC服务器实现对模拟房间空气温度、湿度、风压、风速等参数的采集及加热设备、加湿设备、除湿设备的手动控制、自动控制、故障报警等功能，程序框图如图3所示。

　　图3 远程控制程序框图

　　2.4 焓湿图算法设计

　　生成动态焓湿图关键是确立焓值、相对湿度、温度、含湿量及水蒸气分压力等各参数之间的关系，在此基础上设计相应算法，然后采用程序进行绘制。

　　2.4.1 焓湿图数学函数模型

　　根据焓湿图参数关系建立以下数学函数：

　　a） T=273.15+t；

　　b） d=0.622×Ps/(B-Ps)；

　　c） h=(1.01+1.84d)×t+2501d；

　　d） φ=(Ps/Pb)×100%；

　　e） Ps=f(t)的函数关系：

　　当t=-100℃～0℃时ln(Ps)=C1/T+C2+C3T+C4*T2+C5T3+C6T4+C7ln(T），

　　其中：C1=-5674.5359，C2=6.3925247，C3=-0.9677843×10e-2，

　　C4=0.62215701×10e-6，C5=0.20747825×10e-8，C6=-0.9484024×10e-12，C7=4.1635019；

　　当t=0℃～200℃时ln(Ps)=C8/T+C9+C10T+C11*T2+C12T3+C13ln(T），

　　其中：C8=-5800.2206，C9=1.3914993，C10=0.04860239，

　　C11=0.41764768×10e-4，C12=-0.14452093×10e-7，C13=6.5459673；

　　f） ρ=0.003484*B/T-0.00134*Pq/T；

　　g） υ=1/ρ；

　　h） 当tl=-60℃～0℃时

　　tl=-60.45+7.0322[ln(Pq)]+0.37[ln(Pq)]2；

　　当tl=0℃～70℃时

　　tl=-35.957-1.8726ln(Pq)+1.1689[ln(Pq)]2。

　　由于焓湿图参数间存在非线性函数关系，处理高阶函数关系的反向求解时综合采用逼近算法和插值方法，即保证了处理精度，又具有较快的处理速度。

　　2.4.2 焓湿图程序设计

　　图4 OPC客户端流程图

　　首先根据焓湿图关系模型，利用C++语言开发了18个计算函数以逼近和差值算法进行后台参数计算。其次采用服务器-客户端技术以OPC工业标准接口和协议实现了焓湿图和可编程控制器的数据通信。服务器端采用西门子PC ACCESS服务器，它是专用于S7-200 PLC的OPC Server（服务器）软件，可以向OPC客户端提供数据信息，可以与任何标准的 OPC Client（客户端）通讯。项目组采用微软COM技术在VC++平台下自行开发了OPC客户端，客户端开发框图如图4所示。

　　3 解决的问题

　　（1）采用系统化、模块化、可视化设计思路，研制了一体化的典型通风空调系统模拟训练平台，实现了系统运行原理演示、环境参数仿真、模拟维修等功能，解决了通风空调系统分散、不易实训的问题；

　　（2）设计了实时的焓湿图分析处理模块，实现了空气状态曲线在焓湿图上的动态显示，解决了焓湿图内容抽象、难理解的问题；

　　（3）设计了自动加湿和变频除湿装置，实现了温湿度的自动调整，逼真模拟了空调系统的加湿除湿功能。