秦海瑞， 毛亦存, 鄭治

(上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海 200011)

基于PLC的雙液體分層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦海瑞， 毛亦存, 鄭治

(上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海 200011)

介紹了一種基于PLC的雙液體分層控制系統(tǒng)。通過西門子CPU224XP可編程控制器，配以變頻器、電動閥和流量計(jì)實(shí)現(xiàn)雙液體的分層控制。重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的控制方法?？纱龠M(jìn)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。

PLC；MM420；電動調(diào)節(jié)閥；流量計(jì)；工控機(jī)；液位計(jì)

0 引 言

隨著化工、海工行業(yè)的發(fā)展，越來越多的場合需要進(jìn)行兩種液體的分層控制，本文所述系統(tǒng)涉及的硬件均為工業(yè)領(lǐng)域常用的成熟產(chǎn)品，兩種液體的分層控制方式分別為：躍變分層和線性分層。

1 系統(tǒng)總體概述

整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)(研華工控機(jī))、可編程控制器PLC(CPU224XP)、變頻器、水泵、電動調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、液位計(jì)、液體A箱、液體B箱和試驗(yàn)箱組成。分層系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 分層系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)用于人機(jī)對話[1]；可編程控制器PLC為系統(tǒng)控制核心；水泵、電動調(diào)節(jié)閥作為系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；流量計(jì)作為信號反饋裝置；PLC和上位機(jī)之間采用MPI通訊，PLC和變頻器間采用Modbus通訊[2]，PLC輸出4 mA～20 mA信號控制電動調(diào)節(jié)閥的開角，流量計(jì)將測量值轉(zhuǎn)化為4 mA～20 mA信號輸出至PLC。控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的是西門子CPU224XP，該CPU內(nèi)置：14個(gè)DI和10個(gè)DO，6個(gè)HSC輸入，2個(gè)脈沖輸出(100 kHz)，2個(gè)AI和1個(gè)AO，程序存儲器12 288 B，數(shù)據(jù)存儲器10 240 B，2個(gè)通訊接口RS485[3]。變頻器MM420供電電壓為三相交流(或單相交流)，具有現(xiàn)場總線接口選件，可以用于傳送帶，材料運(yùn)輸機(jī)，泵類，風(fēng)機(jī)和機(jī)床的驅(qū)動[4]。

2.2 控制方法

2.2.1 躍變分層

躍變分層分為兩層，一層為液體A層，另一層為液體B層(A層的濃度大于B層的濃度)。躍變分層開始時(shí)，首先注液體B，將電動調(diào)節(jié)閥B全開，變頻器控制水泵啟動,以一定轉(zhuǎn)速運(yùn)行(轉(zhuǎn)速可設(shè)定)，此時(shí)液體B的瞬時(shí)流量為Q21(t)，Q21(t)以1s為周期進(jìn)行累加得到液體B的總體積V2，當(dāng)液體B的總體積V2等于液體B的體積設(shè)定值時(shí)，躍變分層液體B注入過程結(jié)束，此時(shí)關(guān)閉水泵，然后關(guān)閉電動調(diào)節(jié)閥B。

躍變分層液體A注入過程原理同液體B注入過程。

2.2.2 線性分層

線性分層過程與躍變分層過程相比較為復(fù)雜，液體的總體積為V,總液體流量設(shè)定值為Q(t),總液體流量實(shí)際值為Q0(t)，液體A的流量設(shè)定值為Q12(t)，液體A的實(shí)際流量值為Q11(t)，液體B的流量設(shè)定值為Q22(t)，液體B的實(shí)際流量值為Q21(t)。

Q12(t)=Q(t)-Q22(t)；

Q22(t)=Q(t)2·t/V；

Q(t)=V/T；

Q0(t)=Q11(t)+Q2(t)1。

考慮到液位高度等因素對流量的影響，從如下幾步來實(shí)現(xiàn)控制(見圖3)：

首先、要找到Q(t)與電機(jī)轉(zhuǎn)速R之間的關(guān)系。

如果以Q(t)為輸入量，以Q0(t)為反饋量，以R(t)為輸出量進(jìn)行過程建模。

圖3 PID調(diào)節(jié)原理圖

PID控制器[5]的輸入輸出關(guān)系為：

相應(yīng)的傳遞函數(shù)為：

但在實(shí)際應(yīng)用中Q(t)與Q0(t)偏差較大，無法滿足技術(shù)指標(biāo)，為此采用如下方法提高控制精度：

(1)在0～T時(shí)間范圍內(nèi)，選取若干個(gè)時(shí)間點(diǎn)，T1、T2、T3…Tn，分別手動測出對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)保證流量為Q(t)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速Rn。

(2)R1、R2、R3…Rn建立折線關(guān)系，得出轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)值R′(t)。

(3)進(jìn)行過程建模(如圖4所示)。

圖4 線性分層PID調(diào)節(jié)原理圖

(4)Q(t)與Q0(t)偏差值經(jīng)實(shí)際測試，滿足技術(shù)要求。

其次、電動調(diào)節(jié)閥B開度的控制：

按照流量方程Q22(t)=Q(t)2·t/V，算出液體B流量設(shè)定值Q22(t)，以流量計(jì)B的輸出信號Q21(t)為反饋量，以Q22(t)為輸入量,以電動調(diào)節(jié)閥B開度為輸出量，進(jìn)行過程建模。

再次、電動調(diào)節(jié)閥A開度的控制：

按照流量方程Q12(t)=Q(t)-Q22(t)，算出液體A流量設(shè)定值Q12(t)，以流量計(jì)A的輸出信號Q11(t)為反饋量，以Q12(t)為輸入量,以電動調(diào)節(jié)閥A開度為輸出量，進(jìn)行過程建模。

當(dāng)分層時(shí)間到或者試驗(yàn)箱內(nèi)水位達(dá)到要求高度后，系統(tǒng)就自動完成了線性分層過程。

2.3 消除隨機(jī)干擾的措施

2.3.1 硬件處理

(1)所有模擬量電纜均采用屏蔽雙絞線并可靠接地。

(2)控制電源經(jīng)三重濾波。

(3)所有模擬量電纜均加裝磁環(huán)。

2.3.2 軟件處理

(1)平均值法:

(2)幾個(gè)采樣時(shí)刻的采樣值求平均代替當(dāng)次的采樣值:

(3)將矩形積分改為梯形積分:

(4)四點(diǎn)中心差分法[6](如圖5所示):

圖5 中心差分圖

(5)微分項(xiàng):

本控制系統(tǒng)采用此種措施消除隨機(jī)干擾。

3 系統(tǒng)運(yùn)行性能分析

由于篇幅有限，在這里僅給出線性分層實(shí)際運(yùn)行效果圖如圖6所示，流量調(diào)節(jié)精確達(dá)到±0.05%。

圖6 線性分層實(shí)際運(yùn)行效果圖

4 結(jié)束語

實(shí)踐表明，利用PLC、變頻器、電動調(diào)節(jié)閥等組成的雙液體分層控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、響應(yīng)速度快、分層效果好、易于編程等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于化工、海工等行業(yè)，具有重要的應(yīng)用和參考價(jià)值。

[1] 冉振亞，陳方輝，汪仁志，等.基于單片機(jī)的電動車永磁直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動化，2009,38(6)：124-125.

[2] 郭瓊，姚曉寧.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3] S7-200CN可編程序控制器產(chǎn)品樣本[K].上海：西門子(中國)有限公司，2013.

[4] 產(chǎn)品樣本Siemens DA51.2.2006[K].上海：西門子(中國)有限公司,2006.

[5] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[6] 楊樹興,李擎,蘇中，等. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)—理論.技術(shù)與應(yīng)用[M].1版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Design of a PLC-based Dual-liquid Hierachical Control System

QIN Hai-rui, MAO Yi-cun, ZHENG Zhi

(Shanghai Oriental Maritime Engineering Technology Co., Ltd., Shanghai 200011, China)

This article introduces a PLC-based dual-liquid hierachical control system, realized through SIEMENS CPU224XP Programmable Logic Controller in combination with a frequency converter, an electrically operated valve and a flow meter, with emphasis on the design of the hardware structure as well as system control method. This research project can promote wide application of the system in industrial production.

PLC, MM420; electrically operated valve; flow meter; industrial personal computer;content gauge

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.02.032

TP273/278

A

1000-3886(2015)02-0095-02

秦海瑞(1982-)，男，上海人，工程師，研究方向：過程控制工程及自動化。 毛亦存(1990-)，男，上海人，助理工程師，研究方向：電氣自動化。 鄭治(1972-)，男，湖北武漢人，工程師，研究方向：工業(yè)電氣自動化。

定稿日期: 2014-06-17