CN101866190A - 高温高压试验装置温度串级pid控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温高压试验装置温度串级PID控制系统及其控制方法。试验用高温高压釜用来模拟地层环境的温度、压力等参数，对工作于类似地层环境的仪器行性能进行检测试验。本发明由热风混合加热模块、加热电源模块、风机循环模块、温度测控模块构成，将热风混合加热模块的加热区分为目标温度、安全温度、炉膛温度三个测温区，目标温度和通过外环主控PID控制回路运算处理后，其输出信号传输到内环辅控PID控制回路和安全温度进行比较运算处理，再经过温控系数修正后转化为模拟控制信号输出到功率调节装置，对加热电源的输出功率进行调整。本发明的三个控温区通过串级控制方法，实现对釜内试验温度能够按照升温保温降温的工艺曲线要求进行精确控制。

Description

高温高压试验装置温度串级PID控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及高温高压试验装置温度串级PID控制系统及其控制方法，主要针对电热风加热方式的高温高压釜温度控制特殊工艺要求，提出温度串级PID控制方法。

背景技术

试验用高温高压釜用来模拟地层环境的温度、压力等参数，对工作于类似地层环境的仪器行性能进行检测试验，广泛应用于石油、化工、煤炭、兵器、航天等领域。现有试验装置大多采用感应加热或以类似导热油为传热介质的强制循环加热方式，这两种加热方式前者由于加热原理限制，只能自然降温，效率低下，应用范围受限，后者加热装置设备复杂，运行管理成本较高，安全环保性能较差，同时受传加热原理和传热介质的限制，还具有试验时间长，试验温度较低等缺点。对于电热风加热方式的高温高压釜温度控制特殊工艺要求，采用常规控制方法升温降温速度控制困难，稳定性差，难以实现预期的控制目标。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种结构简单，在保证釜壁密封温度安全的前提下，既能快速准确达到升温保温目标，又能保证升温过程高压釜釜壁密封安全温度，同时能够有效解决炉膛升温速度过快、超调大，温度压力耦合严重的高温高压试验装置温度串级PID控制系统及其控制方法。

为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案：

本发明的特殊之处在于：所述的系统由以下模块构成：

热风混合加热模块包括加热斧、导流筒、加热筒、加热体，加热斧外径依次套设导流筒、加热筒构成加热区，加热体设置在导流筒与加热筒之间；加热电源模块为加热功率输出控制的主回路，主要包括低压断路器、快速熔断器、交流接触器、三相过零调功装置，并在主回路上连接有电能参数检测装置；风机循环模块包括风机、变频器、热风阀、冷风阀、换向阀，换向阀与风机连接，且换向阀的两端分别与热风阀、冷风阀连接；温度测控模块包括设置在加热区内的若干个热电偶或热电阻测温元件、温度变送器、外环主控PID控制回路、内环辅控PID控制回路、三相功率调节装置、PLC、触摸屏；所述的热风混合加热模块的加热体通过铜排与加热电源模块连接，加热电源模块与电气控制模块的PLC连接，风机循环模块一路通过变频器9与电气控制模块连接，另一路与热风混合加热模块的加热体连接；所述的热电偶或热电阻元件获取的温度变化信号通过变送器转变成4-20mA的电流信号，传输到温度测控模块的外环主控PID控制回路、内环辅控PID控制回路，分别通过主控PID控制器、辅控PID控制器对输出功率进行调节。

上述的系统的控制方法是将热风混合加热模块的加热区分为目标温度A、安全温度B、炉膛温度C三个测温区，目标温度和通过外环主控PID控制回路运算处理后，其输出信号传输到内环辅控PID控制回路和安全温度进行比较运算处理，再经过温控系数修正后转化为模拟控制信号输出到功率调节装置，对加热电源的输出功率进行调整。

上述的的控制方法将热风混合加热模块的加热区分为A、B、C三个区域，其中A区为目标温度测温区即加热工件所需要的试验温度，B区为安全温度测温区即该区的温度不能超过罐内密封橡胶圈的安全极限温度，C区为加热体所处的导流筒炉膛温度测温区即循环空气被加热后的电热风温度，A、B、C三个区域均有三个测温点分布在环形加热区的上中下三个位置，分别为A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3九个测温点，测温点均设置有热电偶或热电阻元件。

上述的控制方法以目标温度A区为主控变量与加热安全温度B区为辅控变量构成串级控制系统，温度控制以实现A区目标温度稳定为主要控温目标，通过串级控制方法，以B区的安全温度和A区目标温度作为加热电源功率输出的主要调节依据，C区温度作为电热风加热控制过程中的监测值使用，在升温、保温、降温各阶段适时调整设定温度，并切换被控温度，来实现加热试验功能。

上述的控制方法根据信号传递关系，将电热风加热对象分为两部分，一部分是高压釜外壁以及外部电热风导流筒等，其输出变量为B区或C区温度，即试验过程中的安全温度或导流筒内电热风温度；另一部分为加热釜内液体，其输出变量为A区温度，即控制的目标温度，风压、风速、电源波动、温度压力耦合干扰变化，通过高压釜外部电热风温度的波动影响釜内试验目标温度。

上述的控制方法的主控PID控制器、辅控PID控制器两个控制器分别针对高压釜不同部位的测量温度A区和B区来实施温度控制，主控PID控制器的输出是辅控PID控制器的设定值，而辅控PID控制器的输出去控制功率调节装置以改变加热电源输出功率，该串级控制系统的外环PID控制回路接收用户设定的试验目标温度和釜内介质的实际温度，并据此进行计算，计算结果传给内环PID控制回路，内环PID控制回路接收外环PID控制回路所传来的计算结果和釜壁或釜外实际温度，并据此进行计算，计算结果作为高压釜温度控制的主控指令，再经过温控系数修正之后，转化输出为温控仪表能够接受的模拟控制信号，调节加热电源输出功率。

上述的控制方法通过以下步骤实现：

(1)在升温阶段，关闭热风阀和冷风阀，使换向阀处于开启状态，风机开启，九个测温点分别通过热电偶或热电阻元件传输到个三回路可编程控温仪，三个控温回路的输出通过三位切换开关连接到对应区域的三相功率调节装置上，三位选择开关的切换由PLC控制进行自动切换，实现对三区加热电源输出功率的调节；在开始升温阶段，使B区的温度恒定在安全温度附近，在保证不超过安全温度的前提下，以最大功率使A区温度尽快达到目标温度；

(2)在保温阶段，当A区温度达到目标值附近进入保温阶段时，容器内外以及加热釜内的温度基本接近，容器外部温度比其内部温度稍高，但温差不大于50℃，通过程序自动切换控制电源输出功率的设定温度为A区目标保温温度，此时电源输出功率比升温阶段的输出功率稍低，以保证A区的目标温度恒定为主要目的。

(3)在降温阶段，关闭加热电源停止加热，开启热风阀和冷风阀，同时关闭换向阀，取三个测温点温度的平均值为主控温度，通过变频器9自动调节风机的输出冷风流量，使加热斧内温度按照制冷工艺曲线在限定时间内完成降温过程。

上述的步骤(1)中测温点的B1、B2、B3之间的温差不大于10℃。

上述的控制方法当超加热斧的压力超过100MPa时，容器内外壁温差，即A、B两区的温差不大于50℃。

与现有技术相比，本发明将系统的温度控制划分为釜内目标温度、釜壁安全温度、釜外热风温度三个控温区，通过串级控制方法，在保证釜壁密封温度安全的前提下，实现对釜内试验温度能够按照升温保温降温的工艺曲线要求进行精确控制，在充分考虑了整个加热过程的快速性和稳定性的基础上，依据本发明控制方案，既能快速准确达到升温保温目标，又能保证升温过程高压釜釜壁密封安全温度，同时能够有效解决炉膛升温速度过快、超调大，温度压力耦合严重，釜内试验目标温度稳定性差，以及自动投切控制困难的问题。

附图说明

图1为本发明的连接框图；

图2为本发明的控制原理图；

图3为本发明的工作流程图；

图4为系统的组成与控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

参见图1，本发明由以下模块构成：

热风混合加热模块包括加热斧1、导流筒2、加热筒3、加热体8，加热斧1外径依次套设导流筒2、加热筒3构成加热区，加热体8设置在导流筒2与加热筒3之间；超高压容器外的环形密封区为热风混合循环加热区，电阻加热体分三区并按一定规则均匀布置加热筒和导流筒之间，加热其间循环空气，最终通过传导加热方式，使超高压容器内介质达到试验要求温度并保温。

加热电源模块为加热功率输出控制的主回路，主要包括低压断路器、快速熔断器、交流接触器、三相过零调功装置，并在主回路上连接有电能参数检测装置，电压、电流、功率等参数均可在控制柜上显示。加热电源通过铜排与三区加热体相连接，通过温控系统对加热电源输出功率的自动实时调节，实现温度的自动调节。

风机循环模块包括风机4、变频器9、热风阀5、冷风阀6、换向阀7，换向阀7与风机4连接，且换向阀4的两端分别与热风阀5、冷风阀6连接，加热和降温过程中适时提供循环风，通过控制风机的转速和阀的开度控制风浪风量和风速的大小，实现按程序曲线加热和降温的试验要求。

温度测控模块包括设置在加热区内的若干个热电偶或热电阻测温元件、温度变送器、外环主控PID控制回路、内环辅控PID控制回路、三相功率调节装置、PLC、触摸屏；

所述的热风混合加热模块的加热体8通过铜排与加热电源模块连接，加热电源模块与电气控制模块的PLC连接，风机循环模块一路通过变频器9与电气控制模块连接，另一路与热风混合加热模块的加热体连接；所述的热电偶或热电阻元件获取的温度变化信号通过变送器转变成4-20mA的电流信号，传输到温度测控模块的外环主控PID控制回路、内环辅控PID控制回路，分别通过主控PID控制器、辅控PID控制器对输出功率进行调节。

参见图2，本发明的控制方法是将热风混合加热模块的加热区分为目标温度A、安全温度B、炉膛温度C三个测温区，目标温度和通过外环主控PID控制回路运算处理后，其输出信号传输到内环辅控PID控制回路和安全温度进行比较运算处理，再经过温控系数修正后转化为模拟控制信号输出到功率调节装置，对加热电源的输出功率进行调整。

温度测控系统分A、B、C三区进行测温控温，每区有三个测温点分布于环形加热空间上中下三个区域，分别为A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3。其中，A区的三个测温点为目标温度测温区，该温度是加热工件所需要的试验温度；B区的三个测温点为安全温度测温区，该区的温度不能超过罐内密封橡胶圈的安全极限温度；C区的三个测温点为加热体所处的导流筒炉膛温度测温区，该温度是循环空气被加热后的电热风温度，以上9点温度的测量均通过热电偶或热电阻元件获取温度变化信号后，通过变送器统一变成4-20mA的电流信号上位监控系统进行温度的监控和数据记录，同时温控仪据此温度信号的和设定温度曲线的比较结果，控制电源的输出功率和风机转速，实时调节加热致冷的试验过程。

以上所提控温分区并不局限于三区，可根据密闭容器的容积空间和大小尺寸所需功率要求进行分区，本发明控制方案就以三区为例进行说明。

以目标温度A区为主控变量与加热安全温度B区为辅控变量构成串级控制系统，温度控制以实现A区目标温度稳定为主要控温目标，通过串级控制方法，以B区的安全温度和A区目标温度作为加热电源功率输出的主要调节依据，C区温度作为电热风加热控制过程中的监测值使用，在升温、保温、降温各阶段适时调整设定温度，并切换被控温度，来实现加热试验功能。

根据信号传递关系，将电热风加热对象分为两部分，一部分是高压釜外壁以及外部电热风导流筒等，其输出变量为B区或C区温度，即试验过程中的安全温度或导流筒内电热风温度；另一部分为加热釜内液体，其输出变量为A区温度，即控制的目标温度，风压、风速、电源波动、温度压力耦合干扰变化，通过高压釜外部电热风温度的波动影响釜内试验目标温度。

主控PID控制器、辅控PID控制器两个控制器分别针对高压釜不同部位的测量温度A区和B区来实施温度控制，主控PID控制器的输出是辅控PID控制器的设定值，而辅控PID控制器的输出去控制功率调节装置以改变加热电源输出功率，该串级控制系统的外环PID控制回路接收用户设定的试验目标温度和釜内介质的实际温度，并据此进行计算，计算结果传给内环PID控制回路，内环PID控制回路接收外环PID控制回路所传来的计算结果和釜壁或釜外实际温度，并据此进行计算，计算结果作为高压釜温度控制的主控指令，再经过温控系数修正之后，转化输出为温控仪表能够接受的模拟控制信号，调节加热电源输出功率。

如附图3所示，在升温开始阶段，使B区的温度恒定在安全温度附近，在保证不超过安全温度的前提下，以最大功率使A区温度尽快达到目标温度；当A区温度达到目标值附近进入保温阶段时，容器内外以及加热釜内的温度基本接近(容器外部温度比其内部温度稍高，但温差不大于50℃)，通过程序自动切换控制电源输出功率的设定温度为A区目标保温温度，此时电源输出功率比升温阶段的输出功率稍低，以保证A区的目标温度恒定为主要目的。降温时，切断加热电源，打开热风冷风阀门，控温仪表按照降温工艺曲线调节变频风机的转速，直到实现降温目标要求。

整个升温保温过程的实现：通过3个三回路可编程控温仪表，9个测温点实现对三区加热电源输出功率的调节，完成整个预定的升温保温降温的试验，三个控温表的编号分别为1#，2#，3#，分别对应控制三区的输出功率。如1区温度控制方法为：A1测温传感器接入1号控制回路，设定温度为A区的目标温度；B1测温传感器接入2号控制回路，设定温度为B区的安全加热温度；C1测温传感器接入3号控制回路，设定温度为C区电热风的加热温度，可通过逻辑程序控制各回路为单独输出或组成串级控制回路。三个控温回路的输出通过三位切换开关连接到1区的三相功率调节装置上，三位选择开关的切换由PLC控制程序根据图2加热控制流程进行自动切换，实现工艺要求的升温保温过程。2区、3区的方法和以上类同。

降温过程按照降温工艺要求设定好降温速率和降温目标值，取三个测温点温度的平均值为主控温度，将该PID调节器设置成正作用致冷模式，通过对变频器9频率的改变来控制风机的风量，完成按给定曲线降温过程。

控制方法通过以下步骤实现：

(1)在升温阶段，关闭热风阀5和冷风阀6，使换向阀7处于开启状态，风机4开启，九个测温点分别通过热电偶或热电阻元件传输到3个三回路可编程控温仪，三个控温回路的输出通过三位切换开关连接到对应区域的三相功率调节装置上，三位选择开关的切换由PLC控制进行自动切换，实现对三区加热电源输出功率的调节；在开始升温阶段，使B区的温度恒定在安全温度附近，在保证不超过安全温度的前提下，以最大功率使A区温度尽快达到目标温度；

(2)在保温阶段，当A区温度达到目标值附近进入保温阶段时，容器内外以及加热釜内的温度基本接近，容器外部温度比其内部温度稍高，但温差不大于50℃，通过程序自动切换控制电源输出功率的设定温度为A区目标保温温度，此时电源输出功率比升温阶段的输出功率稍低，以保证A区的目标温度恒定为主要目的。

(3)在降温阶段，关闭加热电源停止加热，开启热风阀5和冷风阀6，同时关闭换向阀7，取三个测温点温度的平均值为主控温度，通过变频器9自动调节风机4的输出冷风流量，使加热斧1内温度按照制冷工艺曲线在限定时间内完成降温过程。

步骤(1)中测温点的B1、B2、B3之间的温差不大于10℃。

当超加热斧1的压力超过100MPa时，容器内外壁温差，即A、B两区的温差不大于50℃。

附图4为系统的组成与控制框图，系统的上位监控主设备由触摸屏来实现，下位从设备主要由PLC和智能温控仪表、变频器9等组成。上位和下位设备根据各自对应的通讯协议进行通讯，实现数据传输。上位机由专用组态软件完成系统组态、参数设定、报表曲线和报警处理，通过监控画面显示各种数据和系统的实际工作状态，同时对下位设备发出相应的控制指令，指挥加热系统按照预定步骤和指标完成试验任务。系统的下位机设备完成对温度、压力、设备运行状态等现场数据进行采集，并根据所采集的现场数据和上位机的指令来决定对试验设备的各种控制操作，同时完成数据的预处理、过程控制、逻辑互锁、数值初步计算等任务。

触摸屏可选用自带全中文嵌入版组态软件的真彩触摸屏，并带有多种通讯接口，方便实现与下位设备的通讯。PLC选用德国西门子S7-200系列可编程逻辑控制器，实现试验过程中的数据采集、逻辑控制等功能。控温仪可选用多回路可编程控温仪表根据试验的工艺曲线，通过三个仪表九个测温点实现对三区加热电源输出功率的调节，完成整个预定的升温保温的试验。选用一块FP93控温仪，并根据上述方法，来实现降温作用。可选配安东LU-192A电力监测仪，将加热过程中诸如电压、电流、功率等电能参数以数字切换的方式进行显示。

Claims (9)

1.高温高压试验装置温度串级PID控制系统，其特征在于：所述的系统由以下模块构成：热风混合加热模块包括加热斧(1)、导流筒(2)、加热筒(3)、加热体(8)，加热斧(1)外径依次套设导流筒(2)、加热筒(3)构成加热区，加热体(8)设置在导流筒(2)与加热筒(3)之间；加热电源模块为加热功率输出控制的主回路，主要包括低压断路器、快速熔断器、交流接触器、三相过零调功装置，并在主回路上连接有电能参数检测装置；风机循环模块包括风机(4)、变频器(9)、热风阀(5)、冷风阀(6)、换向阀(7)，换向阀(7)与风机(4)连接，且换向阀(4)的两端分别与热风阀(5)、冷风阀(6)连接；温度测控模块包括设置在加热区内的若干个热电偶或热电阻测温元件、温度变送器、外环主控PID控制回路、内环辅控PID控制回路、三相功率调节装置、PLC、触摸屏；所述的热风混合加热模块的加热体(8)通过铜排与加热电源模块连接，加热电源模块与电气控制模块的PLC连接，风机循环模块一路通过变频器(9)与电气控制模块连接，另一路与热风混合加热模块的加热体连接；所述的热电偶或热电阻元件获取的温度变化信号通过变送器转变成4-20mA的电流信号，传输到温度测控模块的外环主控PID控制回路、内环辅控PID控制回路，分别通过主控PID控制器、辅控PID控制器对输出功率进行调节。

2.高温高压试验装置温度串级PID控制系统的控制方法，其特征在于：所述的控制方法是将热风混合加热模块的加热区分为目标温度A、安全温度B、炉膛温度C三个测温区，目标温度和通过外环主控PID控制回路运算处理后，其输出信号传输到内环辅控PID控制回路和安全温度进行比较运算处理，再经过温控系数修正后转化为模拟控制信号输出到功率调节装置，对加热电源的输出功率进行调整。

3.根据权利要求2所述的高温高压试验装置温度串级PID控制系统的控制方法，其特征在于：将热风混合加热模块的加热区分为A、B、C三个区域，其中A区为目标温度测温区即加热工件所需要的试验温度，B区为安全温度测温区即该区的温度不能超过罐内密封橡胶圈的安全极限温度，C区为加热体所处的导流筒炉膛温度测温区即循环空气被加热后的电热风温度，A、B、C三个区域均有三个测温点分布在环形加热区的上中下三个位置，分别为A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3九个测温点，测温点均设置有热电偶或热电阻元件。

4.根据权利要求2或3所述的高温高压试验装置温度串级PID控制系统的控制方法，其特征在于：以目标温度A区为主控变量与加热安全温度B区为辅控变量构成串级控制系统，温度控制以实现A区目标温度稳定为主要控温目标，通过串级控制方法，以B区的安全温度和A区目标温度作为加热电源功率输出的主要调节依据，C区温度作为电热风加热控制过程中的监测值使用，在升温、保温、降温各阶段适时调整设定温度，并切换被控温度，来实现加热试验功能。

5.根据权利要求4所述的高温高压试验装置温度串级PID控制系统的控制方法，其特征在于：根据信号传递关系，将电热风加热对象分为两部分，一部分是高压釜外壁以及外部电热风导流筒等，其输出变量为B区或C区温度，即试验过程中的安全温度或导流筒内电热风温度；另一部分为加热釜内液体，其输出变量为A区温度，即控制的目标温度，风压、风速、电源波动、温度压力耦合干扰变化，通过高压釜外部电热风温度的波动影响釜内试验目标温度。

6.根据权利要求5所述的高温高压试验装置温度串级PID控制系统的控制方法，其特征在于：主控PID控制器、辅控PID控制器两个控制器分别针对高压釜不同部位的测量温度A区和B区来实施温度控制，主控PID控制器的输出是辅控PID控制器的设定值，而辅控PID控制器的输出去控制功率调节装置以改变加热电源输出功率，该串级控制系统的外环PID控制回路接收用户设定的试验目标温度和釜内介质的实际温度，并据此进行计算，计算结果传给内环PID控制回路，内环PID控制回路接收外环PID控制回路所传来的计算结果和釜壁或釜外实际温度，并据此进行计算，计算结果作为高压釜温度控制的主控指令，再经过温控系数修正之后，转化输出为温控仪表能够接受的模拟控制信号，调节加热电源输出功率。

7.根据权利要求2所述的高温高压试验装置温度串级PID控制系统的控制方法，其特征在于：所述的控制方法通过以下步骤实现：

(1)、在升温阶段，关闭热风阀(5)和冷风阀(6)，使换向阀(7)处于开启状态，风机(4)开启，九个测温点分别通过热电偶或热电阻元件传输到3个三回路可编程控温仪，三个控温回路的输出通过三位切换开关连接到对应区域的三相功率调节装置上，三位选择开关的切换由PLC控制进行自动切换，实现对三区加热电源输出功率的调节；在开始升温阶段，使B区的温度恒定在安全温度附近，在保证不超过安全温度的前提下，以最大功率使A区温度尽快达到目标温度；

(2)、在保温阶段，当A区温度达到目标值附近进入保温阶段时，容器内外以及加热釜内的温度基本接近，容器外部温度比其内部温度稍高，但温差不大于50℃，通过程序自动切换控制电源输出功率的设定温度为A区目标保温温度，此时电源输出功率比升温阶段的输出功率稍低，以保证A区的目标温度恒定为主要目的。

(3)、在降温阶段，关闭加热电源停止加热，开启热风阀(5)和冷风阀(6)，同时关闭换向阀(7)，取三个测温点温度的平均值为主控温度，通过变频器(9)自动调节风机(4)的输出冷风流量，使加热斧(1)内温度按照制冷工艺曲线在限定时间内完成降温过程。

8.根据权利要求7所述的高温高压试验装置温度串级PID控制系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤(1)中测温点的B1、B2、B3之间的温差不大于10℃。

9.根据权利要求7所述的高温高压试验装置温度串级PID控制系统的控制方法，其特征在于：当超加热斧(1)的压力超过100MPa时，容器内外壁温差，即A、B两区的温差不大于50℃。

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