胡開明， 李躍忠， 傅志堅(jiān)

(東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 撫州 344000)

流量是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的過程控制參數(shù)之一，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，其控制手段和精度也越來越高(逄啟壽等，2008)。隨著計(jì)算機(jī)控制裝置的發(fā)展，自動(dòng)控制的手段也越來越豐富多樣。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，小型PLC的高可靠性和變頻技術(shù)的平穩(wěn)高效節(jié)能等特點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用背景，運(yùn)用工業(yè)組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的應(yīng)用越來越廣，是工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的標(biāo)志之一。本文針對(duì)管道流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以PLC為控制器和變頻器為執(zhí)行對(duì)象的控制系統(tǒng)，并且通過組態(tài)軟件對(duì)整定過程及曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，直至達(dá)到系統(tǒng)達(dá)到最佳控制效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以西門子S7－200作為控制器，采用西門子MM420變頻器實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的起停和調(diào)速。PLC控制器及變頻器與PC機(jī)之間采用RS485/232總線進(jìn)行通信，保證過程控制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換(肖磊等，2007)。上位機(jī)監(jiān)控采用北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技公司開發(fā)的MCGS工業(yè)組態(tài)監(jiān)控軟件用于創(chuàng)建用戶畫面等，下位機(jī)編程軟件采用西門子Step軟件，用于組態(tài)過程控制點(diǎn)、控制策略等。

水泵由變頻器控制向管道供水，由渦輪流量計(jì)檢測(cè)出口流量，作為反饋信號(hào)。在控制器中設(shè)定一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)所需的流量值與反饋信號(hào)相比較，比較的差值經(jīng)控制器(PLC)中所編制的程序進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果作為頻率指令輸出給變頻器，從而調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，使出口流量保持在恒定的范圍內(nèi)(胡開明等，2010)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中的自動(dòng)調(diào)節(jié)是一種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，最終將流量控制在設(shè)定值附近并穩(wěn)定。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 流量系統(tǒng)模型

流量控制回路的調(diào)節(jié)量和被調(diào)節(jié)量都是流量，其響應(yīng)不是瞬時(shí)的。管道內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)方程為

其中，M為管系內(nèi)流體總質(zhì)量;u為流體平均流速;A為管內(nèi)平均截面積;C為流量系數(shù)。

式(1)可改寫成:

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System construction diagram

3 PID控制器的設(shè)計(jì)

3.1 PID 參數(shù)整定

根據(jù)流量方程(2)建立系統(tǒng)的Simulink仿真模型的子系統(tǒng)并進(jìn)行分裝，其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示(王正林等，2006)。通過THJ-2型過程控制系統(tǒng)裝置測(cè)試參數(shù)并整理，得出方程系數(shù)分別為F=0.8，S=0.3，T=10。PID 算法采用 PI控制，根據(jù)流量系統(tǒng)的開環(huán)的S型曲線，運(yùn)用ZN法和湊試法整定系統(tǒng)的控制參數(shù)，得到Kp=2，Ti=25。

3.2 PID控制器的PLC實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)中采用西門子S7-200PLC的CPU224作為控制器，同時(shí)擴(kuò)展一片EM235以實(shí)現(xiàn)流量模擬量的控制。EM235的模擬量輸入模塊的AI0通道采集管道流量信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算處理后送至組態(tài)監(jiān)控界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)作為控制策略的輸入完成相應(yīng)調(diào)節(jié)運(yùn)算(胡開明等，2012)?？刂葡到y(tǒng)外部接線圖如圖3所示。

控制策略中的PID控制算法由連續(xù)控制PID功能塊實(shí)現(xiàn)，采用指令向?qū)Хㄔ赑LC中來實(shí)現(xiàn)PID算法。只要在向?qū)У闹笇?dǎo)下填寫相應(yīng)的參數(shù)，就可以方便快捷地完成PID運(yùn)算的子程序(內(nèi)含中斷程序)。只需要在主程序中調(diào)用PID向?qū)a(chǎn)的子程序，就可以完成PID控制任務(wù)。先把AI0輸入信號(hào)用功能塊轉(zhuǎn)換為0～1間的值，以便送至PID功能塊進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算。其中經(jīng)輸入處理的流量信號(hào)(AI0)送至調(diào)節(jié)器PID的PV-IN端作為測(cè)量值，流量設(shè)定值(由組態(tài)界面送來)送至PID的SP-INT端，兩者偏差進(jìn)行PID運(yùn)算。PID的輸出進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換后，送至變頻器，改變變頻器的頻率，使流量穩(wěn)定在設(shè)定值(圖4)。

渦輪流量計(jì)反饋流量變量值為VW200內(nèi)的值;設(shè)定值為0.4(8 L/min/20 L/min);手動(dòng)/自動(dòng)控制方式選擇I0.0;手動(dòng)控制輸出值為0.3，輸出值放在AQ0中。

圖2 系統(tǒng)原理框圖Fig.2 System principle block diagram

圖3 PLC外部接線圖Fig.3 PLC external connection diagram

圖4 流量系統(tǒng)PID控制回路Fig.4 Flow system diagram of PID loop

為了保證運(yùn)行安全，用PLC的主模塊設(shè)置了流量上下限報(bào)警。系統(tǒng)中設(shè)置流量為8 L/min，高于20 L/min或低于5 L/min則報(bào)警。

4 系統(tǒng)組態(tài)調(diào)試

設(shè)計(jì)中采樣北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技公司開發(fā)的MCGS工業(yè)組態(tài)監(jiān)控軟件，通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換器使PC機(jī)與S7-200進(jìn)行通信。建立組態(tài)變量與Step7變量之間的數(shù)據(jù)交換鏈接，根據(jù)控制策略組態(tài)的需要在組態(tài)數(shù)據(jù)詞典中定義PLC相連的變量名和類型(汪志鋒，2007)。完成人機(jī)交換界面的設(shè)置，流量系統(tǒng)的主控界面、實(shí)時(shí)曲線及動(dòng)畫效果的監(jiān)控界面。

編寫應(yīng)用程序，下載PID控制程序至PLC，運(yùn)行監(jiān)控畫面。設(shè)置參考值，同時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，在實(shí)時(shí)趨勢(shì)窗口觀察流量曲線，直到得到滿意的控制效果。系統(tǒng)的組態(tài)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)如圖5所示。圖5左邊部分是流量系統(tǒng)組態(tài)運(yùn)行界面，右上部分是PID各參數(shù)及設(shè)定值、測(cè)量值和輸出值和實(shí)時(shí)狀況。右下圖為流量輸出響應(yīng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)曲線。

系統(tǒng)組態(tài)調(diào)試歷史曲線如圖6所示，其中固定值直線為管道流量的給定值8L/min，振蕩的曲線為流量輸出曲線。系統(tǒng)穩(wěn)定無靜差，響應(yīng)無超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)時(shí)變頻器的頻率穩(wěn)定在27 Hz，控制效果良好。圖右上角為組態(tài)輸出圖形在某一時(shí)刻的相關(guān)數(shù)據(jù)，具有較好的實(shí)時(shí)性。

5 結(jié)語

采用PLC與組態(tài)技術(shù)對(duì)管道流量系統(tǒng)進(jìn)行控制，較好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量這種非線性系統(tǒng)的控制，本文對(duì)于20 mm管徑的管道流量進(jìn)行了研究，在系統(tǒng)構(gòu)成上，充分體現(xiàn)了PLC小型可靠以及變頻器能使流量平緩節(jié)能等特點(diǎn)。另外工業(yè)組態(tài)技術(shù)使系統(tǒng)運(yùn)行和控制更美觀直接。目前在THJ－2型過程控制系統(tǒng)裝置的組態(tài)環(huán)境里調(diào)試成功，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。

圖6 系統(tǒng)組態(tài)調(diào)試歷史曲線Fig.6 System configuration debugging historical curve

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