麥艷紅,鐘文
(1.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 南寧 530008;2.南寧廣開(kāi)電氣有限公司,廣西 南寧 530008)
實(shí)訓(xùn)是高等院校實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要組成部分,工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)對(duì)培養(yǎng)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生工程實(shí)踐能力和職業(yè)技能起著舉足輕重的作用,然而生產(chǎn)過(guò)程是個(gè)連續(xù)的工業(yè)過(guò)程,實(shí)際生產(chǎn)中一般不允許改變工藝參數(shù),所以學(xué)生到工廠實(shí)習(xí),效果不是很理想,為培養(yǎng)學(xué)生的需要,應(yīng)研制相關(guān)的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)訓(xùn)裝置,創(chuàng)造一個(gè)逼真的生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境,加深學(xué)生對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的理解,提高工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力?,F(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程裝置離不開(kāi)先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù),將最新的GE Rx3i PLC自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用到過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)裝置中,使學(xué)生在掌握系統(tǒng)原理與工藝的基礎(chǔ)上,學(xué)習(xí)到GE Rx3i PLC相關(guān)知識(shí)和先進(jìn)技術(shù)。
系統(tǒng)主要由3個(gè)水箱(1個(gè)儲(chǔ)水箱,2個(gè)功能水箱)、1個(gè)泵(動(dòng)力源)以及各個(gè)支路上完成不同功能的執(zhí)行部件和檢測(cè)元件組成。當(dāng)設(shè)備不用時(shí),全部的水都在儲(chǔ)水箱或者全部放空,使用設(shè)備時(shí),先往儲(chǔ)水箱中注水,再由泵往兩功能水箱注水,超出水位時(shí),水箱通過(guò)溢流管回水至儲(chǔ)水箱。當(dāng)達(dá)到要求水位時(shí),通過(guò)各個(gè)支路之間的配合,完成實(shí)訓(xùn)要求。過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)裝置系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
當(dāng)做流量實(shí)驗(yàn)時(shí),設(shè)定固定流量值,系統(tǒng)按照設(shè)定流量供水,當(dāng)需改變系統(tǒng)流量時(shí),只需改變控制終端流量數(shù)值,通過(guò)控制變頻器來(lái)增大或者改變系統(tǒng)流量大小?,F(xiàn)場(chǎng)儀表、觸摸屏、監(jiān)控界面同時(shí)顯示當(dāng)前流量值,便于學(xué)生對(duì)比。當(dāng)做壓力實(shí)驗(yàn)時(shí),電磁閥1、手動(dòng)閥1可選擇閉合,單獨(dú)測(cè)壓力這個(gè)支路,通過(guò)調(diào)節(jié)支路上的電動(dòng)執(zhí)行器,來(lái)達(dá)到恒定壓力的效果。當(dāng)壓力超過(guò)或低于一定值時(shí),系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)的調(diào)整流量大小來(lái)補(bǔ)償。如做液位實(shí)驗(yàn),則通過(guò)電磁閥1、壓力支路的開(kāi)閉或電動(dòng)執(zhí)行器2的開(kāi)閉來(lái)補(bǔ)充或放走一部分液體,來(lái)達(dá)到恒定液位的效果。溫度實(shí)驗(yàn)則需通過(guò)加熱管將水箱內(nèi)的水溫加至設(shè)定溫度,等待溫度傳感器檢測(cè),到達(dá)設(shè)定溫度時(shí),停止加溫,溫度傳感器將進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),來(lái)保證水箱內(nèi)水溫恒定。
過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)裝置系統(tǒng)采用兩級(jí)控制,下位機(jī)為GE公司的PACSystems RX3i控制器,完成數(shù)據(jù)采集、PID閉環(huán)控制及邏輯控制功能,上位機(jī)采用個(gè)人計(jì)算機(jī),主要完成動(dòng)態(tài)流程圖顯示、工藝參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)與手動(dòng)切換、動(dòng)力設(shè)備啟停操作、歷史數(shù)據(jù)記錄及報(bào)表管理等功能。控制柜內(nèi)含GE-FANUC標(biāo)準(zhǔn)PAC-3i系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制面板等,相當(dāng)于實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的配電室;控制對(duì)象內(nèi)有模擬現(xiàn)場(chǎng)的水塔,還有工業(yè)級(jí)儀表、各種閥類等顯示和執(zhí)行部件,各個(gè)終端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都能在這里采集。另外,通過(guò)上位機(jī)組態(tài),我們可以監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況,這就相當(dāng)于實(shí)際的控制室。整套設(shè)備采用透明有機(jī)玻璃擋板,給學(xué)生一個(gè)開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的感覺(jué)。
圖1 過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)裝置系統(tǒng)原理圖
本系統(tǒng)輸入輸出控制點(diǎn)多,數(shù)字量輸入7點(diǎn)(浮球開(kāi)關(guān)2個(gè)、按鈕5個(gè)),數(shù)字量輸出6點(diǎn)(面板指示等5個(gè)、水泵1個(gè)),模擬輸入4點(diǎn)(其中溫度1點(diǎn)、壓力1點(diǎn)、流量1點(diǎn)、超聲波1點(diǎn)),模擬輸出包括變頻器和調(diào)節(jié)閥控制。這里選用PACSystems RX3i系列PLC,整個(gè)系統(tǒng)由IC695PSD040電源模塊、IC695CPU310模塊、IC695ETM001通訊模塊、IC694MDL645數(shù)字量輸入模塊、IC694MDL754數(shù)字量輸出模塊、IC695ALG600模擬輸入模塊、IC695ALG708模擬量輸出模塊等組裝完成。PLC中各模塊的型號(hào)及I/O地址分配如圖2、圖3、圖4所示。
圖2 PLC數(shù)字量模塊I/O接口圖
圖3 PLC模擬量模塊輸入接口圖
PAC Systems RX3i控制器是PAC Systems家族中最新增加的部件。它是中、高端過(guò)程和離散控制應(yīng)用的新一代控制器,能統(tǒng)一過(guò)程控制系統(tǒng)。PLC的程序設(shè)計(jì)分主程序和子程序設(shè)計(jì)。主程序帶PID(比例微分積分)功能模塊,系統(tǒng)啟動(dòng)后,通過(guò)調(diào)節(jié)P、I、D和液位SP的值,控制變頻電機(jī)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)滿足液位輸出要求。本系統(tǒng)除了有液位PID調(diào)節(jié)回路外,還有溫度、壓力、流量PID調(diào)節(jié)回路,每個(gè)PID調(diào)節(jié)回路對(duì)應(yīng)一個(gè)背景數(shù)據(jù)庫(kù),可通過(guò)上位機(jī)改變背景數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的參數(shù),修改PID的參數(shù)。
2.2.1 單回路控制系統(tǒng)
上水箱液位控制采用單回路控制系統(tǒng)(圖5),它是由被控對(duì)象、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器和測(cè)量變送器組成一個(gè)單閉環(huán)控制系統(tǒng)。被控量為上水箱的液位高度,將超聲波傳感器檢測(cè)到的上水箱液位信號(hào)作為反饋信號(hào),在與給定量比較后的差值通過(guò)調(diào)節(jié)器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,以達(dá)到控制上水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無(wú)靜差控制,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器采用PID控制。
圖4 PLC模擬量模塊輸出接口圖
圖5 單回路控制系統(tǒng)方框圖
2.2.2 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定
若將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來(lái)分類,則屬于同一類別的系統(tǒng),其對(duì)象往往比較接近,所以無(wú)論是控制器的形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表1為經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上,對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正。若需加微分作用,微分時(shí)間常數(shù)按計(jì)算。
表1 經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)
2.2.3 操作方法與步驟
實(shí)訓(xùn)前將儲(chǔ)水箱中貯足水量,然后將上水箱的進(jìn)水閥門全開(kāi),上水箱出水閥門開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度,40% ~70%,其余閥門均關(guān)閉。水位控制分為兩路基本控制,一路是工頻(就是把變頻器設(shè)定為工頻定值)磁力泵加電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制方式,另外一路是變頻磁力泵加電磁閥的控制方式。在觸摸屏的操作畫(huà)面上,切換到手動(dòng)控制和閥控制。這時(shí)候啟動(dòng)工頻磁力泵,在操作畫(huà)面上左側(cè)的控制區(qū)域的輸出項(xiàng)中手動(dòng)設(shè)定閥門的開(kāi)度,等實(shí)際的水位值達(dá)到設(shè)定值以后,投入自動(dòng),當(dāng)實(shí)際水位小于設(shè)定值時(shí),閥門會(huì)逐漸開(kāi)大,直到閥門全開(kāi),水位慢慢上升至設(shè)定值,閥門會(huì)逐漸關(guān)小,直到最后,閥門全部關(guān)閉。
被控量為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路(也可采用變頻器支路)的流量,實(shí)訓(xùn)要求電動(dòng)閥支路流量穩(wěn)定至給定值。將流量計(jì)FT1檢測(cè)到的流量信號(hào)作為反饋信號(hào),并與給定量比較,其差值通過(guò)調(diào)節(jié)器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,以達(dá)到控制管道流量的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無(wú)靜差控制,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI控制,并且在實(shí)驗(yàn)中PI參數(shù)設(shè)置要比較大。
流量控制也分為兩路基本控制,一路是工頻磁力泵加電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制方式,另外一路是變頻磁力泵加電磁閥的控制方式。在觸摸屏的主畫(huà)面上,選擇使用閥控制,并切換到手動(dòng)控制模式;把電動(dòng)閥打開(kāi),同時(shí)關(guān)閉相關(guān)電磁閥和手動(dòng)閥門,以防止水回流。將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥位設(shè)置到30%的開(kāi)度;在控制畫(huà)面的流量設(shè)定欄中輸入流量設(shè)定值,在參數(shù)設(shè)定框內(nèi)設(shè)定初始的調(diào)節(jié)參數(shù)KP和TI。此時(shí)啟動(dòng)磁力泵(變頻器設(shè)定為定值),在操作畫(huà)面上左側(cè)的控制區(qū)域的輸出項(xiàng)中手動(dòng)設(shè)定閥門的開(kāi)度,當(dāng)實(shí)際的流量壓力值達(dá)到設(shè)定值以后,投入自動(dòng),當(dāng)實(shí)際流量小于設(shè)定值時(shí),閥門會(huì)逐漸開(kāi)大,直到閥門全開(kāi),流量慢慢上升至設(shè)定值,閥門會(huì)逐漸關(guān)小,直到最后,閥門穩(wěn)定在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。
溫度控制與常規(guī)的控制不大一樣,溫度有著很大的滯后性,應(yīng)選用PID來(lái)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。在觸摸屏的主畫(huà)面上,選擇溫度控制,并切換到手動(dòng)控制模式;將變頻磁力泵前面的進(jìn)水手動(dòng)球閥和電加熱器進(jìn)水口前面的手動(dòng)閥打開(kāi);給加熱器進(jìn)水,加熱水箱的出水口暫時(shí)關(guān)閉,出水手動(dòng)閥門在設(shè)定溫度到達(dá)后打開(kāi)較小的開(kāi)度;將變頻器的轉(zhuǎn)速設(shè)置到45%;在控制畫(huà)面的流量設(shè)定欄中輸入溫度設(shè)定值,在參數(shù)設(shè)定框內(nèi)設(shè)定初始的調(diào)節(jié)參數(shù)KP、TI以及TD;準(zhǔn)備工作完成后,啟動(dòng)電加熱器。當(dāng)溫度低于40℃的時(shí)候才可以手動(dòng)啟動(dòng),當(dāng)溫度高于55℃的時(shí)候自動(dòng)停,當(dāng)電加熱器啟動(dòng)后,需時(shí)刻觀察電加熱器的運(yùn)行狀況,當(dāng)發(fā)現(xiàn)電加熱器有異常情況時(shí),立即停止運(yùn)行。
本文分析了生產(chǎn)過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)裝置的工藝過(guò)程和設(shè)備的控制要求及方法,介紹了實(shí)訓(xùn)裝置控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案,對(duì)GEPLC的模塊選型及設(shè)計(jì)思路給出了說(shuō)明,GE Rx3i PLC生產(chǎn)過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)裝置目前已在學(xué)校投入使用,通過(guò)該實(shí)訓(xùn)裝置平臺(tái),學(xué)生可完成溫度、流量、液位、壓力4個(gè)基本模擬量的實(shí)訓(xùn)和設(shè)置觸摸屏可選擇性監(jiān)控等功能,使學(xué)生能夠理論聯(lián)系實(shí)際,注重技術(shù)的先進(jìn)性和工程實(shí)用性相結(jié)合,達(dá)到解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的目的。同學(xué)們專業(yè)技能有了很大提高,實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果好。
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