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动力,因我们而不同*

冷水机组温度控制

工业冷水机组通常用于在闭环系统中循环恒温流体,为液冷式作业装备提供冷却,从而提高工艺的重复性和再现性。

循环式冷水机如何保持恒定温度

冷水机组的基本组成部分包括:用于循环流体的泵、用于在冷水机组内储存一定量的冷流体的储液罐、用于冷却流体的制冷系统以及温度控制模块。(参见图 1)
Eaton chillers basic components
可以将标准的现成温度控制器用作温度控制模块。许多制造商都提供各种型号的控制器,并配有多种选项。这些控制器均配备温度显示屏,采用面板安装方式,并可接受来自电阻温度检测器 (RTD) 或热电偶的温度输入。此外,还提供各种通信选项。许多控制器都具有一个比较实用的功能,即比例-积分-微分 (PID) 自动调谐功能。该功能使得用户可以让控制器自动计算出应对系统扰动的最佳响应。扰动通常表现为工艺负荷波动、设定值变化以及噪声。自动调谐完成后,用户可能需要对调谐参数进行一些额外调整,以确保工艺流体的温度处于工艺控制限值范围内。但这并不一定意味着使用该工具对冷水机组的调谐工作已经完成。用户必须注意,自动调谐功能将尝试在所评估的某个运行点上对温度控制器进行调谐。
工艺动态往往会受到仅在特定时间或特定情况下才存在的条件的影响。如果能够以某种方式感知或预测这些特殊条件,则需要采用自适应(前馈)控制方法,以补充典型控制方案中使用的反应性(反馈)控制。对于具有此类高级需求的应用,冷水机组通常更适合采用可编程逻辑控制器 (PLC) 和操作员界面终端 (OIT)。(参见图 2)
Eaton cooling system controller

PLC 的使用带来了灵活性,能够满足更苛刻的控制环境需求。它有助于将与工艺温度无关的工艺测量值(如压力、流量、环境温度等)或关键事件(如泵过载、安全停机等)无缝集成到自适应控制方案中。PLC 还提供了数据采集和通信的手段,可通过多种通信选项轻松连接到主机系统。

另外还有多种现场总线连接(如 Profibus、DeviceNet、Lonworks 等),以及非专有串行和以太网链接。这使用户能够更好地将冷水机组与作业装备集成。虽然温度控制是许多工业过程的关键功能,但对于某些过程而言,温度稳定性同样至关重要。通常,稳定性的提高会伴随成本的增加。

Eaton temperature sensor reservoir
许多应用要求在指定的热负荷下,温度稳定在给定设定点温度的 ±0.5°C 范围内。通过测量储液罐中的温度并控制制冷系统中的开关阀进行循环,可以实现这一稳定度。(参见图 3) 温度控制模块中的基本 PID 算法会根据需要控制开关阀的启闭。储液罐提供一定体积的恒温流体,有助于减轻因作业装备热负荷变化而引起的微小温度波动的影响。

虽然储液罐有助于让供应给作业装备的流体保持温度恒定,但同时也掩盖了从设备回流的流体中出现的剧烈温度波动。这些变动是由热负荷的变化所引起的。例如,运行中的激光器可能会在 5 分钟内向流体持续施加 300 W 的热负荷。随后,激光功率可能会升至 500 W 并持续 5 分钟,然后再次降至 300 W 并维持 5 分钟。这一循环可能会反复进行。若将热负荷增加 67%,流回冷水机组的流体温度将发生骤变。由于储液罐中的流体温度变化较慢,温度控制模块对这些变化的响应也会更慢。

对于动态过程,可通过测量制冷系统出口处以及进入储液罐前的流体温度来提高温度稳定性。(参见图 4) 温度控制模块能检测到流体温度的突变,并据此作出相应响应。仅需更改测量点,即可将供应至作业装备的流体温度稳定性提高一倍。(参见图 5)

Eaton temperature sensor
Eaton chillers stability

需要注意的是,如果冷水机组设计为使用开关阀(如制冷电磁阀)实现 ±0.5°C 的稳定性,进一步提高稳定性将导致阀门循环频率增加,从而缩短阀门的使用寿命。当使用现成温度控制器的自动调谐功能时,也可能会出现此问题。因此,冷水机组的温度稳定性应仅满足维持工艺受控所需的最低要求。

与冷水机组温度控制相关的另一个常见问题是冷水机组与作业装备之间因环境或周围温度导致热量损失。这种情况通常发生在工艺流体温度远高于或远低于室温,且冷水机组与作业装备之间存在较长距离和管道连接时。有时,冷水机组甚至与作业装备位于不同的楼层。例如,从冷水机组流出时温度为 15°C 的流体,在到达作业装备时可能会因室温空气导致流体温度升高至 20°C。而工艺要求输送到作业装备的流体温度必须保持 15°C 恒定,而不是 20°C。针对这一问题,可在温度控制模块中设置 5°C 的偏移量。将冷水机组的设定点温度设为 15°C,但冷水机组实际控制的温度为 10°C。这样,工艺流程就能获得所需的 15°C 流体,而冷水机组将在显示屏上或通过通信接口显示 15°C 的数值。

有些工艺对温度更为敏感,例如医疗设备、某些激光器及半导体设备中所采用的工艺。对于循环冷水机组,在指定热负荷下将温度稳定在设定值 ±0.1°C 的范围内并非罕见。然而,如前所述,建议您确认特定工艺是否确实需要达到这一稳定度,因为这可能会增加冷水机组组件或开发成本。温度控制模块中的 PID 算法将控制制冷系统中的开关阀或调节阀。调节阀通常为步进阀,可在工作点实现更精细的控制。此外,它不像开关阀那样受限于阀门使用寿命内的特定循环次数。与开关阀相比,调节阀完全打开和关闭确实需要更长的时间。因此,当设定值发生阶跃变化时,冷水机组达到新的温度所需的时间也会更长。

当需要控制多个流体回路,或在温度范围较大且热负荷波动剧烈的条件下运行时,冷水机组的温度控制可能会变得相当复杂。在这种情况下,通常会用到 PLC 和 OIT,因为它们可以通过编程来控制多个控制设备,并具有多个 PID 控制回路。这些设备带来了极高的灵活性,其功能仅受限于为其编写的程序。

总而言之,仔细确认系统的运行点和所需稳定性至关重要。如果对这些参数指定不当,可能会导致作业装备温度失控和/或产生不必要的成本。经验丰富的冷水机组制造商能够根据正确的输入参数,提供合适的定制或标准冷水机组选型。

充分利用 RS232 通信的优势

未来,客户满意度将提升到一个新的、更高的要求水平。客户需要服务能够无缝融入其组织运营之中。冷却系统和循环冷水机组通过内部传感器和控制系统,能够实时监测整个系统状态的关键信息。正因如此,冷却系统和冷水机组可通过 RS232 接口有效反馈系统故障信息。这些丰富的信息有助于对整个系统中的设备进行维护和保养。

在最简单的应用中,RS232 可用于控制冷水机组的基本功能并检查系统是否存在故障。大多数人只是将 RS232 用于设备的开关机以及控制设定值等基本功能。然而,由于冷水机组的几乎所有功能均可通过 RS232 接口实现,其功能远不止于此。

当需要控制多个流体回路,或在温度范围较大且热负荷波动剧烈的条件下运行时,冷水机组的温度控制可能会变得相当复杂。在这种情况下,通常会用到 PLC 和 OIT,因为它们可以通过编程来控制多个控制设备,并具有多个 PID 控制回路。这些设备带来了极高的灵活性,其功能仅受限于为其编写的程序。

总而言之,仔细确认系统的运行点和所需稳定性至关重要。如果对这些参数指定不当,可能会导致作业装备温度失控和/或产生不必要的成本。经验丰富的冷水机组制造商能够根据正确的输入参数,提供合适的定制或标准冷水机组选型。

例如,伊顿的循环冷水机组能够监测并通知压力变化。当系统安装并投入运行后,可采集液侧的现有压力读数,并将其作为基准值,用于持续监测液侧的压力。如果设备在任何时间段或数天内出现压力突然上升或下降的趋势——例如,由管道问题、腐蚀或过滤器堵塞所致——系统将在问题发生前向您发出警报。

缓慢但稳定的温度变化也是潜在问题的征兆。如果系统在正常运行期间逐渐丧失维持温度的能力,这可能意味着被冷却的电子元件因内部故障而过热或无法运行,也可能是冷水机组性能下降。伊顿的冷水机组能够测量小至 1/100 度的温度变化,并通过 RS232 接口将数据传输出去。

利用冷水机组的测量与控制功能,开发启动系统测试或可定期运行的测试,是在问题发生并导致停机前识别问题的极其有效的方法。利用冷水机组内置的传感器和 RS232 接口测量温度、压力及其他参数,既避免了集成额外温度和压力传感器所带来的成本和复杂性,又能通过早期诊断和修复故障或系统问题,从而节省成本并减少停机时间。

下载 RS232 通信软件并将其复制到您的硬盘。解压到一个文件夹(例如,您的桌面)中;请勿解压 KodiakPCHost.cab 文件。由于防火墙限制,请将 setup.exr 重命名为 setup.exe。运行 setup.exe 文件。如果弹出窗口显示一条消息,提示系统中的某个文件比正在安装的版本更新,请选择保留最新文件。之后,请确保您的 COM 1 端口设置为 9600 波特率、8 数据位、1 停止位、无奇偶校验。同时,应关闭软件流控制。请注意,使用 WinZip 解压 ZIP 文件时,版本号应至少为 9.0。该程序是一个比较简单的界面,用于显示主屏幕和控制按钮。您必须关闭弹出窗口拦截器,才能进行下载。

进一步了解可实现诸如 RS323 通信等智能系统控制功能的循环冷水机组。