王嘉煒，索雙富，孟國營，楊　杰

(1.中國礦業(yè)大學(xué)，北京100083；2.清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室，北京100084)

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基于PLC間通信的高壓氣流量系統(tǒng)閉環(huán)控制

王嘉煒1，索雙富2，孟國營1，楊杰2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)，北京100083；2.清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室，北京100084)

基于干氣密封高壓氣恒流量供氣系統(tǒng)設(shè)計了一種西門子S7-300型PLC間通信的閉環(huán)控制方案。主要從系統(tǒng)組成、主站與從站的程序編寫，控制目標的實現(xiàn)等方面進行介紹。為開發(fā)相似的工程閉環(huán)控制系統(tǒng)提供參考實例。

PLC通信閉環(huán)控制高壓氣流量

0　引言

干氣密封是在密封兩端面之間動環(huán)上開設(shè)流體動壓槽，開始旋轉(zhuǎn)時，動壓槽把外徑側(cè)的高壓隔離氣泵入密封端面，這樣用氣體形成一層滑膜，使密封端面之間不發(fā)生接觸并達到密封的效果[1]。目前在工業(yè)現(xiàn)場，仍較廣泛地應(yīng)用開環(huán)式的供氣系統(tǒng)[2]，但其已不能滿足工作和系統(tǒng)的可靠性。高壓條件下的端面密封是一個發(fā)展的方向。高壓密封氣的穩(wěn)定供給，對提高干氣密封的可靠性有直接影響。因此，將密封氣流量的閉環(huán)反饋引入供氣系統(tǒng)，可以有效克服外部干擾，提高密封可靠性。

在高壓供氣的工業(yè)現(xiàn)場，進氣氣路的屏風與排氣氣路屏風分別獨立，自成系統(tǒng)。由于整個系統(tǒng)連接多條氣路，比較復(fù)雜(進氣氣路將高壓大流量試驗氣體通進實驗系統(tǒng)中,實現(xiàn)供氣功能。排氣氣路將廢氣或泄漏氣處理排出，同時監(jiān)測系統(tǒng)腔內(nèi)的壓力與流量)。因此進氣氣路和排氣氣路兩個屏風分別連接兩個PLC，用來進行系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測和控制。由于數(shù)據(jù)分別由兩個PLC采集和控制，因此需要依靠PLC進行通訊，進而對整條氣路進行流量閉環(huán)控制。

本設(shè)計采用當前較為成熟的閉環(huán)控制策略——PID控制，針對高壓氣恒流量供氣系統(tǒng)進行設(shè)計，具有可靠性高、通用性強等優(yōu)點。

供氣系統(tǒng)引入流量反饋，通過讀取氣路的流量監(jiān)測信息，經(jīng)過控制器處理后，輸出閥位信息，使閥位達到一定開度，以保持所需的氣體流量。以PID控制器為核心，配合傳感器、閥門進行邏輯控制和閉環(huán)反饋，對控制系統(tǒng)的動態(tài)特性進行補償和校正，再通過將系統(tǒng)的被控變量反饋到輸入端并和參考輸入進行比較，將產(chǎn)生的一個誤差信號加到控制器上，從而改變輸出，使系統(tǒng)誤差減小，達到實現(xiàn)精確控制的目的[3]。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

1.1硬件部分

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，整個系統(tǒng)主要由兩臺西門子S7-300PLC、兩臺CP343-1通信模塊、交換機、截止閥、電控氣動調(diào)壓閥、遠傳壓力表、溫度計和遠傳流量計組成。其中高壓氣的輸入、截止閥、電控氣動調(diào)壓閥、壓力表連接在PLC1上，溫度計和流量計連接在PLC2上，2個PLC通過交換機與工控機相連接，在上位機顯示和存儲數(shù)據(jù)[4]。

圖1　流量系統(tǒng)圖

這里將PLC1設(shè)為主站，PLC2作為從站，從站將流量計數(shù)值和溫度信號發(fā)送給主站，主站在監(jiān)測壓力表數(shù)據(jù)和調(diào)節(jié)閥開度的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制操作、截止閥的控制、電控氣動調(diào)壓閥的開度控制、接受從站數(shù)據(jù)及控制過程的計算。

在系統(tǒng)中用節(jié)流閥來模擬實際工況下的壓力損失和機械本體阻力。系統(tǒng)PLC中的變量及地址表(表1，表2)。

表1　PLC1變量及地址表

表2　PLC2變量及地址表

1.2軟件部分

軟件部分主要分：硬件組態(tài)、通訊設(shè)置、模擬量處理、控制程序、PID控制和輔助程序等部分。

硬件組態(tài)：分別組態(tài)兩套PLC的硬件模塊。

通信：對兩PLC建立以太網(wǎng)連接，分別設(shè)置合適的在同一網(wǎng)段的IP地址，并進行設(shè)置和軟件編制[5]。然后將從站中的流量發(fā)送到主站中，主站接收數(shù)據(jù)。

模擬量處理：將各模擬量信號按照其量程進行轉(zhuǎn)換，將閥門的電流信號轉(zhuǎn)換為0～100%的百分比形式。

控制程序部分主要在主站中編制，實現(xiàn)系統(tǒng)啟停、閥門開度的手自動控制、設(shè)置目標流量值并與來自從站的流量值進行比較并基于PID模塊的流量閉環(huán)控制。除此之外還包括循環(huán)、異步中斷、錯誤處理、停機報警等功能塊。

2　控制策略

PID控制是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的閉環(huán)控制策略，它根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量來進行控制[6]。原理如圖2所示。

圖2　PID控制原理圖

PID控制器的傳遞函數(shù)形式為：

(1)

PID控制器輸入信號與輸出信號的關(guān)系為：

(2)

圖3　系統(tǒng)PID控制　流程圖

其中u(t)、e(t)為輸出和輸入偏差信，Kp為比例系數(shù)；Ti，Td為積分微分時間常數(shù)[7]。

PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

(3)

控制流程圖如圖3。

3　控制試驗

為了實現(xiàn)穩(wěn)定的供氣，保證高壓氣流量的穩(wěn)定，對系統(tǒng)進行試驗。改變試驗入口氣體壓力和目標輸出流量觀察控制效果。

3.1系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)

1)設(shè)置PID參數(shù)，確定比例增益P、積分時間常數(shù)Ti以及微分時間常數(shù)Td。對系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對參數(shù)進行微調(diào)，直至滿足要求。對于氣體流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)經(jīng)驗一般P取0.2～1范圍，Ti取40 s～100 s范圍，不設(shè)置Td[8]。

2)設(shè)置合適的采樣頻率。氣體流量系統(tǒng)本身具有滯后性，對于本系統(tǒng)又有PLC間的通信延遲，如果采樣時間太短，前一次調(diào)整還沒有進行，結(jié)果又發(fā)生了變化；采樣時間太長則達到穩(wěn)定時間又太長。因此采樣時間設(shè)置為0.5 s～1 s較為合適。設(shè)定合適的采樣頻率對快速、準確達到預(yù)定目標具有重要意義。

3.2試驗結(jié)果

首先設(shè)定入口壓力為6 MPa，目標流量為100 NL/min，觀察控制效果。

之后將入口壓力改為8 MPa，目標輸出流量改為150 NL/min，觀察控制效果。

如圖4、5所示為系統(tǒng)流量的控制效果圖。圖4

圖5　PID調(diào)節(jié)下的流量隨時間變化2

中，在經(jīng)過20 s左右的波動后，系統(tǒng)輸出跟蹤至期望輸出，圖5中，經(jīng)過18 s左右的波動，系統(tǒng)輸出流量自動調(diào)整至期望輸出，誤差在1%以下。這說明，系統(tǒng)參數(shù)已達到足夠的精度，實現(xiàn)了系統(tǒng)流量的閉環(huán)自動調(diào)整控制。從圖4、5中的控制過程看到，實驗系統(tǒng)的流量閉環(huán)控制可以迅速達到期望流量，能夠滿足工程中對恒定流量控制的要求。

4　結(jié)論

通過PLC間的數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)了分離系統(tǒng)的PID閉環(huán)控制，通過系統(tǒng)閉環(huán)參數(shù)的合理配置，實現(xiàn)了高壓氣系統(tǒng)的恒流量控制。本系統(tǒng)通過相關(guān)控制閥門的數(shù)據(jù)采樣周期和增益參數(shù)的合理設(shè)定調(diào)試，實現(xiàn)的恒流量控制精度和速度達到工程應(yīng)用要求。該系統(tǒng)為工業(yè)中大流量的閉環(huán)控制提供了一個實例參考。

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The closed-loop control of high-pressure gas supply system based on PLC communication

WANG Jiawei, SUO Shuangfu, MENG Guoying, YANG Jie

In this paper, we designed a closed-loop control solution for the high-pressure, constant-flow gas supply system using Siemens S7-300 PLC communication, and introduced it from the aspects of system composition, programming of the main station and the slave station, and the realization of the control goals, etc. This study provided a reference for the development of similar projects of closed-loop control system.

PLC，communication，closed-loop control，high pressure gas，flow

TP273

A

1002-6886(2016)04-0088-03

王嘉煒，男，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)碩士研究生，研究方向為機電一體化。

2015-12-23