陳小亮，羅益民，梁宇峰

(南京工業(yè)大學 自動化與電氣工程學院，南京 210009)

0 引言

隨著我國工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，淡水消耗量急速增加，水資源的浪費與污染越來越嚴重。因此，提高工業(yè)冷卻水的循環(huán)利用率，節(jié)約資源，減少污水的排放已成為我國面臨的一個嚴重問題。動態(tài)模擬試驗裝置的出現(xiàn)，為藥劑的研發(fā)、配方提供了方便，對水質(zhì)的處理有著重要的作用。冷卻水動態(tài)模擬試驗裝置是用于評價工業(yè)循環(huán)水水質(zhì)的專業(yè)裝置，模擬生產(chǎn)現(xiàn)場的流速、流態(tài)水質(zhì)、金屬材質(zhì)和循環(huán)水經(jīng)過換熱器的進口溫度，出口溫度等主要參數(shù)，對于水質(zhì)的質(zhì)量進行綜合的評價（水質(zhì)的配方、阻垢的效果），來尋求相應的操作工藝條件。實現(xiàn)在冷卻水動態(tài)模擬試驗過程中對水中一些參數(shù)的精確監(jiān)控，對于現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動判斷與分析，操作的界面方便，便于觀察。在目前工業(yè)水處理行業(yè)中有著廣泛的應用[1,2]。

1 動態(tài)模擬試驗裝置的控制系統(tǒng)

1.1 裝置工藝介紹

圖1 冷卻水動態(tài)模擬實驗裝置流程圖

動態(tài)模擬試驗裝置的主要流程如圖1所示，左下方的水箱里的水經(jīng)水泵，進入到試驗管，在加熱爐中實現(xiàn)熱量傳遞，使加熱水部分熱量傳遞給試驗管中水，使試管中水的溫度保持恒定，試管中升溫后的水流進冷卻塔頂部，經(jīng)過冷卻塔中的填充材料實現(xiàn)水的冷卻，從冷卻塔中流到水箱，再由水泵實現(xiàn)循環(huán)。流量計可調(diào)節(jié)并觀察水的流速，此裝置為雙水路循環(huán)系統(tǒng)，各自獨立。兩邊的水路可以同時進行試驗，也可以單獨進行試驗。本系統(tǒng)中PH，電導率通過探頭檢測，經(jīng)過信號線傳輸4mA～20mA的模擬信號給PLC，在PLC中實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，使PH，電導率實際值顯示在觸摸屏和上位機WinCC上，便于監(jiān)測和調(diào)節(jié)。

1.2 工作原理

圖2從整體上介紹了控制系統(tǒng)的工作原理。當電導率值大于所設的回差上限值時，排污閥自動打開，開始排污。此時，補水閥也會自動開啟，進行補水，直到電導率的值小于回差下限值，排污閥停止工作，補水加到一定的量，補水閥也會關閉。這樣的不斷循環(huán)，使其電導率值保持在一定的范圍之內(nèi)。在系統(tǒng)工作的過程中，當進口溫度值大于所設的回差上限值時，冷卻風機會自動運行，運行過程中變頻器可以調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速；直到進口溫度值小于回差下限值時，冷卻風機才會停止運行。然而，蒸汽溫度值小于所設回差下限值時，加熱棒開始加熱；當蒸汽溫度值大于所設回差上限值時，加熱棒停止加熱。保持水的溫度恒定。系統(tǒng)中測量冷凝溫度起保護作用，防止設備中沒有冷凝水的流入，導致設備出現(xiàn)故障。PH值控制加酸泵的開啟與關閉，控制要求也是根據(jù)回差控制，來實現(xiàn)此功能。

圖2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

1.3 自動補水加藥控制

由于以前都是采用人工進行補水加藥，來不停的觀察水質(zhì)的改善情況，這樣不僅耗時又耗力，本文設計進行全自動補水加藥，在系統(tǒng)工藝流程中的水箱上安裝一個液位計，在裝置旁邊裝一個容積大的水箱，把藥劑和水混合加入到這個水箱里，并在兩個水箱之間裝一臺泵，然后連接好。檢測到裝置中水箱液位的信號，通過PLC來控制水泵的開啟與關閉。當液位低于所設下限值時，自動開啟水泵進行補水，直到液位高于所設的上限值時，自動關閉水泵，停止補水。實現(xiàn)補水與加藥的自動化控制。

2 控制系統(tǒng)的硬件配置和軟件設計

2.1 硬件配置

本系統(tǒng)采用德國西門子S7-200 PLC，包括中央處理器CPU 224 XP，模擬量輸入模塊采用EM231，EM231RTD模塊，模擬量輸出使用CPU 224 XP自帶的一路模擬量輸出，該主機具有14個輸入點，10個輸出點?，F(xiàn)場的儀器采用美國米特羅公司生產(chǎn)的流量計，PH計，電導率檢測儀表，輸出端器件有補水控制電磁閥，排污控制電磁閥，水泵，加熱控制器件等。

2.2 軟件設計

下位機編程采用西門子公司的STEP7-MicroWIN，它的編程簡潔，功能塊相互獨立，結(jié)構(gòu)清晰，方便實用，學習起來也比較容易。本系統(tǒng)中通過使用梯形圖和結(jié)構(gòu)化編程方法設計各個功能，實現(xiàn)泵自動控制，電導率，PH值的回差控制，對加熱溫度的PID調(diào)節(jié)，冷卻風機的自動與手動的開啟與關閉。對電導率，PH值，進口溫度，出口溫度，冷凝溫度設置上下限值，實現(xiàn)報警功能。在編程過程中，把一些功能生成塊，以便調(diào)用，遇到問題與故障時，也便于檢查與排除。

上位機監(jiān)控采用SMATIC WinCC組態(tài)軟件，該軟件功能強大，具有非常好的實用性，可以實現(xiàn)對現(xiàn)場整個系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。觸摸屏軟件使用Flexible 2008，此軟件使用方便，非常適合現(xiàn)代工業(yè)越來越龐大的工作量及功能的需要，可以完成指示，開關，數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)顯示，動態(tài)圖表，靜態(tài)顯示，報警等功能，是一個非常好的人機界面設計軟件。上位機界面流程圖如圖3所示。

圖3 上位機界面流程圖

3 模糊PID控制器的設計

在本系統(tǒng)中對進口溫度的控制是一個非常重要的環(huán)節(jié)。進口溫度的偏高或者偏低，都會影響模擬試驗的結(jié)果，導致試驗數(shù)據(jù)測量的誤差較高，而溫度受外界的干擾影響比較大，并且控制對象往往具有非線性，大滯后，大慣性和時變性的特點[8]。用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達到較好控制效果，因此本文采用模糊PID控制器對其進口溫度實現(xiàn)調(diào)控。

采用二維模糊控制,進口溫度給定值與實際測量值偏差為e，偏差變化率為ec,E和EC分別為e和ec模糊化后的模糊量?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 控制器結(jié)構(gòu)圖

當系統(tǒng)正常運行情況下，輸入輸出量都有一個基本的變化范圍，e=實際輸出（r0）-輸入(ri)，設定偏差e的變化范圍是[-0.3，+0.3]；偏差變化率ec的變化范圍是[-0.02，+0.02]；控制輸出量u的變化范圍是[0，50]，模糊變量E、EC、U的模糊論域都取為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，則根據(jù)工藝的要求，偏差e的量化因子Ke=3/0.3=10，偏差變化率ec的量化因子Kec=3/0.02=150，輸出u的比例因子Ku=0.5。在論域E、EC、和U上定義7個模糊子集分別對應7個語言變量，語言變量分別為負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，根據(jù)控制經(jīng)驗得到語言變量的賦值表。

經(jīng)過試驗，e、ec和u均取三角形隸屬函數(shù)，選用“若a且b則c”的形式(其中a、b、c均為輸出、輸入語言變量中的元素)，并根據(jù)現(xiàn)場所要設定溫度的控制經(jīng)驗和控制要求得出控制規(guī)則表[6]。運用得到的語言變量賦值表和控制規(guī)則表，由模糊推理法求出對應的模糊關系矩陣R，并做相應的調(diào)整，進行模糊判決，最后得出模糊控制查詢表，如表1所示。

表1 模糊查詢表

把模糊PID算法在S7-200 PLC中實現(xiàn)，首先，將量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的初始值依次存入數(shù)據(jù)塊DB1中；根據(jù)采樣時間計算e和ec并存入DB1中；將模糊化后得到的E和EC也存入DB1中。其次，把模糊查詢表中的各個元素按從上到下依次放入數(shù)據(jù)存儲區(qū)中，同時通過將模糊論域[-3、-2、-1、0、1、2、3]轉(zhuǎn)化為[0、1、2、3、4、5、6、7]，可以為查詢過程提供極大的便利。最后根據(jù)算式并采用間接尋址方式查表，即得到模糊控制量U，在與比例因子Ku相乘去模糊化，得到實際輸出量u。最終通過將u送給PID控制器來對變頻器進行調(diào)控，從而實現(xiàn)模糊PID對冷卻風機的變頻調(diào)控。模糊PID在PLC中的流程如圖4所示。

4 遠距離通信設計

無線遠程通信由GPRS技術(shù)實現(xiàn)，GPRS技術(shù)是在GSM通信技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的，它基于移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務，無需布線，具有永遠在線、自由切換、傳輸速率教高、計費靈活等優(yōu)點。系統(tǒng)采用MD-309GDTU與PLC200通過485串口連接，在PLC-200中寫人支持Modbus slave程序，實現(xiàn)GPRS無線通信在MD-309G中設置數(shù)據(jù)中心的IP和端口后，MD-309G利用GPRS無線網(wǎng)絡撥號連上Internet，隨后發(fā)起對所配置的IP和端口的連接。另外，當數(shù)據(jù)送到MD-309G之后，便通過GPRS Internet傳到中心計算機上，在中心的計算機上先由mserver接收到，之后通過mserver虛擬出來的串口發(fā)出送到opcserver上，之后傳到作為opcclient端的Wincc上。

圖5 模糊PID在PLC中的流程圖

MD-309G和opcserver中參數(shù)設計：波特率9600bps；數(shù)據(jù)位8bit；奇偶效驗N；停止位1；流控N。

圖6 數(shù)據(jù)遠程傳輸結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過利用西門子S7-200 PLC、Wincc和觸摸屏對冷卻水動態(tài)模擬試驗裝置進行控制系統(tǒng)的設計，模擬現(xiàn)場的實際條件，對水質(zhì)進行監(jiān)測與調(diào)節(jié)，并實現(xiàn)系統(tǒng)補水和加藥的自動化控制，設計無線通信與遠程監(jiān)控，滿足系統(tǒng)的全自動和無守候控制。另外，通過設計模糊PID控制器對冷卻風機變頻調(diào)節(jié)控制裝置中的進口溫度，提高了控制精度，解決溫度控制受大慣性和外界干擾的影響，使其系統(tǒng)更加的穩(wěn)定，試驗結(jié)果更加準確。目前，此裝置已經(jīng)運用到企業(yè)當中，使用效果良好，達到了預期目標，節(jié)約能源。

[1]于忠得,李仁慶.循環(huán)水動態(tài)模擬裝置的分布式計算機測控系統(tǒng)[J].大連輕工業(yè)學院學報.2007.

[2]蔡世軍,趙新義,王瑩瑩.循環(huán)冷卻水節(jié)水技術(shù)研究進展[J].工業(yè)水處理.2009.

[3]Chao Deng,Hui-na Li,Jie Han.Water Supply System of Constant Pressure Based on PLC Control [J].Recent Advances in Computer Science and Information Engineering,2012,192:339-344.

[4]李若谷,楊后川.西門子S7-200系列PLC[M].電子工業(yè)出版社.2011.

[5]蔡小亮,羅益民,孫峰,朱斌.基于PLC和WINCC的智能雙腔監(jiān)測換熱器[J].化工自動化及儀表,2012.

[6]侯立剛,許忠仁,王坤明,等.循環(huán)冷卻水自動加藥控制系統(tǒng)[J].測試技術(shù)與自動化.2002.

[7]黃衛(wèi)華,方康玲.模糊控制系統(tǒng)及應用[M].電子工業(yè)出版社.2012.

[8]初振宇,許忠仁,佟慧艷.基于S7-300PLC的工業(yè)循環(huán)水加藥控制系統(tǒng)[J].計算機測量與控制.2005.

[9]宗素蘭,章家?guī)r,尹成賀.模糊PID控制在溫度控制系統(tǒng)的應用[J].工業(yè)控制計算機.2010.

[10]黎安軍.水輪大電機冷卻風機變頻控制系統(tǒng)的設計[J].工業(yè)自動化.2013.