石昌飛

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基于PLC的帶風(fēng)源淋雨設(shè)備研制

石昌飛

（廣東省智能制造研究所）

為提高裝備在風(fēng)吹雨淋環(huán)境的適應(yīng)能力和可靠性，研制一種基于PLC的帶風(fēng)源淋雨試驗(yàn)設(shè)備，敘述設(shè)備主要測(cè)控對(duì)象溫度、風(fēng)速、流量的具體測(cè)量和PID控制方法，并列舉了設(shè)備的控制系統(tǒng)在研制設(shè)計(jì)過程中遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題及其解決辦法。

帶風(fēng)源淋雨設(shè)備；PLC；PID算法；測(cè)控對(duì)象

0引言

風(fēng)吹雨淋屬自然環(huán)境因素，是很多產(chǎn)品必然要經(jīng)受考驗(yàn)的外界環(huán)境條件之一。因此在材料、裝備研制和生產(chǎn)中要進(jìn)行淋雨及滴雨試驗(yàn)，以提高裝備環(huán)境適應(yīng)能力和使用可靠性[1]。為解決目前帶風(fēng)源淋雨試驗(yàn)設(shè)備，在滴雨試驗(yàn)中雨滴直徑和淋雨試驗(yàn)中流量的控制精度不高，以及系統(tǒng)控制器功能單一的問題，本文研制一種雨滴直徑和流量控制精度高、功能較強(qiáng)的帶風(fēng)源淋雨試驗(yàn)設(shè)備。

考慮設(shè)備應(yīng)具有穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)節(jié)能性，對(duì)淋雨試驗(yàn)設(shè)備需要的溫度、風(fēng)速和流量3個(gè)測(cè)控對(duì)象建立統(tǒng)一的測(cè)控對(duì)象進(jìn)行PID控制，并使用變頻器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)風(fēng)機(jī)和水泵達(dá)到節(jié)能經(jīng)濟(jì)的效果[2]。

1設(shè)備設(shè)計(jì)需求

本設(shè)備模擬GJB 150.8A-2009淋雨和滴雨試驗(yàn)環(huán)境，需要達(dá)到以下要求：

1) 箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)有良好的密封性，防止水分泄漏；

2) 試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部材料應(yīng)具有耐腐蝕性；

3) 箱體骨架采用角鋼焊接，且箱內(nèi)有可轉(zhuǎn)動(dòng)的工作臺(tái)；

4) 為使設(shè)備在噴水試驗(yàn)時(shí)，噴水量覆蓋面較大，試驗(yàn)用噴嘴制成一個(gè)方格噴霧點(diǎn)陣或其他交錯(cuò)點(diǎn)陣；

5) 系統(tǒng)應(yīng)配有試驗(yàn)用水循環(huán)系統(tǒng)，以循環(huán)利用水源；

6) 人機(jī)界面采用中文界面菜單，7寸以上彩色觸摸屏，可顯示控制淋雨試驗(yàn)流量、時(shí)間、溫度、風(fēng)速、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、工作狀態(tài)和故障信息等；

7) 控制精度要求：時(shí)間1 s，風(fēng)速1 m/s，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速1 r/min，水流量0.1 L/min，溫度0.1 度；

8) 其他功能：定值和程序運(yùn)行、單項(xiàng)手動(dòng)控制運(yùn)行、定時(shí)關(guān)機(jī)；提供工作參數(shù)輸出方式為微型打印機(jī)打?。?/p>

9) 安全保護(hù)系統(tǒng)：具備試驗(yàn)裝置工作異常聲光報(bào)警裝置、水路安全保護(hù)裝置和室體超溫安全保護(hù)裝置。

2設(shè)備結(jié)構(gòu)

基于PLC的帶風(fēng)源淋雨試驗(yàn)設(shè)備由降雨吹雨裝置、滴水裝置、強(qiáng)化防水裝置及循環(huán)通道、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、加熱裝置、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、供水箱、電控柜、推拉門和供水管路組成，設(shè)備主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1) 試驗(yàn)箱體，其內(nèi)壁是SUS304不銹鋼板，厚度為1.0 mm，循環(huán)通道為立式布置，箱體頂部安裝降雨吹雨通道，工作室箱門使用推拉門；

2) 淋雨裝置安裝在降雨吹雨通道的頂部，保證雨滴的最終速度約為9 m/s；

3) 滴雨裝置安裝在降雨吹雨通道的底部，滴水箱升降采用直流電動(dòng)馬達(dá)，通過絲桿帶動(dòng)滴水盤升降，滴水盤高度可以調(diào)節(jié)；

4) 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)源采用軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)包括變頻電機(jī)、聯(lián)軸器、主軸、軸承座、風(fēng)葉、風(fēng)筒和導(dǎo)風(fēng)葉片；

5) 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)防水設(shè)計(jì)，不銹鋼材質(zhì)，防潮、防銹和防漏電；

6) 加熱裝置采用不銹鋼電熱管；

7) 供水管路配有水泵、水質(zhì)過濾器、流量計(jì)、壓力表、排水閥和溫度傳感器。采用立式多級(jí)防銹加壓不銹鋼水泵提供水壓；水質(zhì)過濾器可以觀察水質(zhì)狀況，并方便更換；壓力變送儀表直接檢測(cè)顯示水的壓力；電子流量計(jì)追蹤變頻調(diào)節(jié)流量，保證風(fēng)源淋雨試驗(yàn)、滴雨試驗(yàn)所需水流量要求；儲(chǔ)水箱最低水位控制開關(guān)及回收水泵，保證蓄水池的自動(dòng)回收使用。

3系統(tǒng)控制硬件組成

基于PLC的帶風(fēng)源淋雨試驗(yàn)設(shè)備電氣測(cè)控系統(tǒng)由溫度、風(fēng)速和流量等傳感器測(cè)量采集系統(tǒng)、PLC電氣控制系統(tǒng)、固態(tài)繼電器、接觸器、變頻器和電機(jī)等電氣執(zhí)行部件組成，電氣系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2　電氣系統(tǒng)組成框圖

3.1 PLC的選型

本設(shè)備的PLC選用S7-1200，其支持標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象化編程、編程簡(jiǎn)單可靠、PID控制方便迅速、并且響應(yīng)快[3]。PLC端口及模塊選型設(shè)計(jì)：

1) 采用14DI/10DO類型的CPU模塊，支持4路脈沖輸出，用于轉(zhuǎn)臺(tái)升降裝置的步進(jìn)電機(jī)控制，以及溫度PID計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM數(shù)字信號(hào)，從DO端口輸出控制固態(tài)繼電器；

2) 采用16DI/16RLY類型的數(shù)字輸入輸出擴(kuò)展模塊，用于報(bào)警信號(hào)、步進(jìn)電機(jī)和試驗(yàn)門限位信號(hào)等數(shù)字量的輸入，以及制冷機(jī)組接觸器、電磁閥和氣缸電磁閥等220 V電氣器件的輸出控制；

3) 采用4AD/2DA模塊，分別采集溫度、風(fēng)速和流量等傳感器的4 mA~20 mA模擬信號(hào)輸入，獲得對(duì)應(yīng)的測(cè)量值。通過DA模塊，可把風(fēng)速PID的控制輸出轉(zhuǎn)換為1 V~5 V電壓信號(hào)，供給變頻器的模擬端口以控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.2 傳感器的選型

在設(shè)備供水管路控制系統(tǒng)中，安裝在管網(wǎng)上的流量和壓力變送器都是關(guān)鍵部件，其精度直接關(guān)系到控制的快速響應(yīng)特性。流量和壓力變送器分別選用渦輪式流量計(jì)FR60和PMB-SG1120。設(shè)備箱內(nèi)要求試驗(yàn)樣品的溫度大于雨水溫度10℃，溫度傳感器選擇的是鉑電阻PT100。在固定采集風(fēng)場(chǎng)，位置的不同及風(fēng)速計(jì)的精度都會(huì)影響風(fēng)速的采集，本文選用TF-M1脈沖輸出型風(fēng)速計(jì)。

3.3變頻器的選型

本文采用變頻器驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)和水泵，達(dá)到節(jié)能效果。驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)和水泵分別使用變頻器FR-F740-18.5 kW和FR-E740-3.7 kW。

4電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于PLC的帶風(fēng)源淋雨設(shè)備研制的關(guān)鍵是控制器的開發(fā)，各傳感器的測(cè)量信號(hào)傳送給控制器處理，控制器需要實(shí)時(shí)計(jì)算最新的控制輸出量，驅(qū)動(dòng)電氣執(zhí)行部件，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)需求。PLC軟件編程平臺(tái)采用TIA Portal V11，它包含S7-1200的編程軟件和WinCC flexible的功能。TIA Portal V11軟件使用圖形化工程組態(tài)的最新技術(shù)，具有智能的拖拽功能和共享的數(shù)據(jù)處理等特點(diǎn)，操作非常方便。編程語(yǔ)言采用梯形圖語(yǔ)言，將每一回路的編程模塊化，通過程序編輯模塊封裝各控制段控制功能。

本文研制的設(shè)備針對(duì)溫度、風(fēng)速和流量建立了統(tǒng)一的測(cè)控對(duì)象模型，包括如下通用的對(duì)象屬性：1) 設(shè)定值，測(cè)量值，控制輸出值；2) 范圍上下限；3) 報(bào)警上下限；4) 輸出保護(hù)上下限；5) 運(yùn)行時(shí)狀態(tài)（上升、下降、到達(dá)保持、穩(wěn)定等）；6) 分組/分區(qū)PID參數(shù)集合；7) 手動(dòng)分區(qū)輸出參數(shù)集合；8) PID分區(qū)Cache值集合。

利用定義的測(cè)控對(duì)象模型，可以直接靜態(tài)實(shí)例化上述測(cè)控對(duì)象的數(shù)據(jù)塊，而無(wú)需重復(fù)定義各測(cè)控對(duì)象的各個(gè)屬性變量。由于PLC須保證固定的掃描周期，因此無(wú)法支持動(dòng)態(tài)實(shí)例化對(duì)象。

PLC負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)測(cè)控處理，而觸摸屏則負(fù)責(zé)人機(jī)交互處理。PLC采用循環(huán)周期掃描方式，即在掃描周期內(nèi)先讀取模擬及數(shù)字端口的輸入信號(hào)，進(jìn)行控制計(jì)算處理，再將結(jié)果轉(zhuǎn)換到模擬或數(shù)字輸出端口[4]。觸摸屏采用事件觸發(fā)處理方式，當(dāng)用戶進(jìn)行觸摸操作，發(fā)出操作請(qǐng)求時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作處理，并將處理結(jié)果數(shù)據(jù)或通知信息反饋給操作用戶，其流程如圖3所示。

圖3　PLC控制系統(tǒng)處理流程圖

PLC測(cè)控系統(tǒng)的核心是PID模塊的設(shè)計(jì)。S7-1200的PID算法公式為

其中，為比例增益；為拉普拉斯運(yùn)算符；為比例作用權(quán)重；為設(shè)定值；為過程值；T為積分作用時(shí)間；為微分延遲系數(shù)；T為微分作用時(shí)間；為微分作用權(quán)重。

當(dāng)控制流量設(shè)定=10 L/min時(shí)，以上系數(shù)分別取值=2.5，=1，T=60.0，=0，T=0，=0。

簡(jiǎn)單采用PLC的PID算法難以滿足實(shí)際控制要求，為此需做如下改進(jìn)措施：

1) 采用分區(qū)或者分組PID控制，根據(jù)測(cè)控對(duì)象設(shè)定值區(qū)間范圍的不同，選用不同的PID參數(shù)集；

2) 采用手動(dòng)控制和PID控制相結(jié)合方式，設(shè)置手動(dòng)分區(qū)輸出功能，分區(qū)可采用設(shè)定值，測(cè)量值，誤差值－等多種方式；當(dāng)測(cè)量值與設(shè)定值誤差較大時(shí)，采用手動(dòng)分區(qū)輸出；當(dāng)測(cè)量值與設(shè)定值接近時(shí)啟用PID控制；

3) PID穩(wěn)定輸出快存技術(shù)，當(dāng)PID控制進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，控制器自動(dòng)記錄該目標(biāo)范圍所需的穩(wěn)定輸出值，當(dāng)下次試驗(yàn)重新進(jìn)入相同設(shè)定值范圍時(shí)，可以直接取出快存，在快存的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，節(jié)省進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。

HMI端的程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)操作的各項(xiàng)界面功能，如定值運(yùn)行和停止、參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、歷史曲線和表格顯示等，還有如下的特色功能：

1) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)程序、配置參數(shù)、工況記錄等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)記錄于SD卡中，可導(dǎo)出到U盤，還可通過Web進(jìn)行下載；

2) HMI端的操作界面可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，支持智能手機(jī)等移動(dòng)終端通過WiFi操控設(shè)備，還可借助VPN進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；

3) 支持試驗(yàn)程序功能，控制器設(shè)計(jì)支持1000個(gè)試驗(yàn)程序，每個(gè)試驗(yàn)程序可包含100個(gè)程序步，每個(gè)程序包含4個(gè)步循環(huán)，每個(gè)步循環(huán)可對(duì)100步中的連續(xù)若干步進(jìn)行循環(huán)執(zhí)行，循環(huán)次數(shù)最大9999次，每個(gè)程序也可循環(huán)9999次。程序循環(huán)執(zhí)行后可自動(dòng)鏈接執(zhí)行下一試驗(yàn)程序。程序支持跳步、保持步、中途臨時(shí)停止試驗(yàn)后從中斷步恢復(fù)執(zhí)行等功能。

5結(jié)語(yǔ)

基于PLC的帶風(fēng)源淋雨設(shè)備研制過程中，設(shè)計(jì)與調(diào)試解決的關(guān)鍵問題：

1) 變頻器干擾，本設(shè)備使用的變頻器最大為 75 kW，電磁輻射干擾較強(qiáng)[5]。最初使用的風(fēng)速傳感器，未啟動(dòng)變頻器時(shí)，測(cè)量輸出正常，變頻器啟動(dòng)后，HMI上顯示的風(fēng)速不停地跳動(dòng)。避免變頻器干擾可采取的措施：易受干擾的信號(hào)線增加屏蔽和變頻器加裝屏蔽罩；變頻器與控制部分配電完全分離，設(shè)置獨(dú)立的配電；變頻器安裝位置遠(yuǎn)離控制電氣部分。

2) 風(fēng)速傳感器的安裝位置及測(cè)量。固定風(fēng)速儀所在風(fēng)場(chǎng)的位置對(duì)檢測(cè)的風(fēng)速大小至關(guān)重要，根據(jù)軍用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備淋雨試驗(yàn)方法和要求，對(duì)設(shè)備進(jìn)行綜合性規(guī)范的淋雨試驗(yàn)，包括程序Ⅰ（降雨和吹雨），吹雨要求伴隨的風(fēng)速可從無(wú)風(fēng)變到極高風(fēng)速18 m/s[6]，調(diào)試實(shí)踐得出風(fēng)速傳感器的位置固定在風(fēng)筒出風(fēng)口前、軸中心下方比較合理。

3) 淋雨和滴雨的流量控制覆蓋范圍要求比較大，淋雨試驗(yàn)要求降雨強(qiáng)度≥10 cm/h，滴雨試驗(yàn)要求降雨量≥280 L/（m2·h），而在同一箱體內(nèi)滿足2種試驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)上存在一定難度，故實(shí)際過程中使用獨(dú)立的管路和噴嘴克服流量控制覆蓋范圍大的要求。

帶風(fēng)源淋雨設(shè)備研制實(shí)施比較復(fù)雜，在工程實(shí)踐中需要解決一系列相關(guān)技術(shù)問題。本設(shè)備產(chǎn)品仍在持續(xù)改進(jìn)和完善中，下一步重點(diǎn)是解決淋雨和滴雨的管路合并，研制特殊的噴嘴可以覆蓋大范圍的流量控制。設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已趨于成熟，控制軟件完全自主開發(fā)，功能擴(kuò)展性強(qiáng)，可以適應(yīng)設(shè)備發(fā)展中新的電氣控制需求。

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Development of Air-Raining Equipment Based on PLC

Shi Changfei

(Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing)

To test and improve equipment reliability and adaptability during the wind and rain environmental, author developed a specific environmental equipment based on PLC，the device is designed for measurement and PID control of three major objects of temperature, wind speed and flow. The paper discusses the key technical problems and solutions associated with control system.

Air-Raining Equipment; Programmable Logic Controller; Proportion Integration Differential Algorithm; Measured Controlled Object

石昌飛，男，1988年生，碩士研究生，主要研究方向：工業(yè)自動(dòng)化，環(huán)境設(shè)備電氣控制。E-mail: shichangfei527@163.com