白 銀 鄧 忠

(1宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2宿州華征礦業(yè)設(shè)備有限公司 安徽宿州 234000)

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于外界干擾不斷產(chǎn)生，為了達到使現(xiàn)場控制對象的值保持不變或按一定規(guī)律變化的目的，并保證生產(chǎn)的正常進行，對精確的參數(shù)進行控制顯得尤為重要。文章設(shè)計基于三菱PLC，以兩個水箱為控制對象，實現(xiàn)對水箱流量系統(tǒng)的過程控制。

總體設(shè)計方案：通過MCGS軟件對水箱系統(tǒng)的流量給出設(shè)定值，通過PLC系統(tǒng)的設(shè)計和運行，使水箱系統(tǒng)能夠按照要求工作。人機界面可以實時監(jiān)控生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)，隨時改變相關(guān)參數(shù)?，F(xiàn)場水箱數(shù)據(jù)采集后，通過A/D將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后傳送給PLC，并對結(jié)果進行PID處理。然后通過D/A模塊對電機的轉(zhuǎn)速進行控制，實現(xiàn)了對電機參數(shù)的穩(wěn)定控制。

1 硬件設(shè)計

1.1硬件組成

系統(tǒng)由流量傳感器、觸摸屏、PLC、A/D與D/A轉(zhuǎn)換模塊、變頻器、水泵、上水箱、下水箱等硬件組成，其控制系統(tǒng)組成如圖1所示。使用PLC作為控制核心，流量變量經(jīng)流量傳感器采集后，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成PLC可讀取的數(shù)據(jù)，PLC將它與流量設(shè)定值比較，并按PID調(diào)節(jié)規(guī)律對誤差進行計算，結(jié)果輸出至D/A轉(zhuǎn)換模塊，驅(qū)動變頻器對水泵進行調(diào)速，實現(xiàn)水管中流量的閉環(huán)控制。

圖1流量控制系統(tǒng)硬件組成

1.2 PLC的選型

PLC的選型主要從PLC的型號、容量、I/O模塊、電源模塊、專用功能模塊、通信組網(wǎng)能力等方面考慮。系統(tǒng)選用三菱FX2N-48MR作為PLC控制系統(tǒng)的主單元，結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活，易于維護。

1.3 流量傳感器的選型

系統(tǒng)選擇SMC FLOW SWITH中的PF2W504作為傳感器，流量為0.5～4L/min，工作電壓為DC12～24V，輸出電流為4～20mA，最大壓力為1MPa。

1.4 A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊選型

系統(tǒng)選用三菱FX2N-4A/D和FX2N-4D/A數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊FX2N-4D/A為四輸入通道，模擬量范圍有-10-10V，-20-20mA，4-20mA，由于CPU只能處理二進制模擬量值，而模擬量輸入模塊可以將過程模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號方便處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊FX2N-4A/D也為4個輸出通道，其模擬量范圍有-10-10V，-20-20mA，4-20mA，模擬量輸出模塊可以逆轉(zhuǎn)換即將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。

1.5 變頻器及水泵選型

系統(tǒng)選用變頻器和水泵來實現(xiàn)流量PID調(diào)節(jié)的執(zhí)行，變頻器選用三菱FR-E740-0.75K變頻器，水泵選用PEAKEN公司6IK-180A-EF三相異步電機。

1.6 TPC選型

該控制過程選用了昆侖通態(tài)公司的TPC7062K觸摸屏，利用此人機界面來控制系統(tǒng)的啟動與停止，并通過輸入流量設(shè)定值，來監(jiān)控流量的實時變化值。在臨時改變PID的各項數(shù)據(jù)等操作時，使得操作變得更加方便，并且節(jié)省了PLC的I/O輸入輸出點。

2 軟件設(shè)計

2.1 PID控制

PID控制原理是根據(jù)設(shè)定值與實際值之間的差值，將偏差按比例、積分、微分等方式通過不同的組合構(gòu)成PID控制器，對被控對象進行控制調(diào)整。其中，比例環(huán)節(jié)能夠成比例的反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差，及時的減小偏差；積分環(huán)節(jié)可以消除靜差，其作用的強弱與積分時間有關(guān)；微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化趨勢，可以在偏差信號變大之前，有效的修正信號，減少調(diào)節(jié)時間。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性能好，工作比較可靠，調(diào)整方便，已成為工業(yè)控制技術(shù)中比較常用的一種方法。PID控制是一種閉環(huán)線性負反饋控制器，能夠根據(jù)實際值y(t)與給定值r(t)之間的差值得到反饋參數(shù)e(t)，即e(t)=y(t)-r(t)。PID控制規(guī)律如下所示：

式中：Kp為比例放大系數(shù)；TI為積分時間；TD為微分時間。

2.2 內(nèi)部地址及內(nèi)部繼電器分配

流量控制是通過設(shè)定不同的PID的參數(shù)值，在對不同的參數(shù)進行對比的情況下，流量測量值達到設(shè)定值的調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)定性。因此，需要給出PID參數(shù)、測量值和設(shè)定值等組態(tài)數(shù)據(jù)對象與PLC內(nèi)部寄存器的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

2.3下位機軟件設(shè)計

下位機采用三菱FX-2N48MR型號的控制器，系統(tǒng)設(shè)計中軟件選用GX Works 2來完成下位機程序的編寫與調(diào)試。程序主要包含主程序和流量控制程序兩部分，主程序主要是對A/D轉(zhuǎn)換模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊進行讀寫操作；流量控制程序主要是對流量設(shè)定值和測量值進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，送入PLC進行PID運算，將其運算結(jié)果用來控制變頻器的輸出。編寫好的程序經(jīng)過調(diào)試后下載到PLC中，來實現(xiàn)對現(xiàn)場水流量的控制及故障診斷。

表1 PID參數(shù)測量值與設(shè)定值組態(tài)數(shù)據(jù)與PLC內(nèi)部寄存器的對應(yīng)關(guān)系

2.4 組態(tài)界面設(shè)計

上位機軟件采用組態(tài)王MCGS7.2。組態(tài)王是一種工業(yè)組態(tài)軟件，軟件自身攜帶了大量的輸入輸出設(shè)備驅(qū)動程序，用戶可以方便地利用系統(tǒng)內(nèi)部的驅(qū)動程序構(gòu)建實時的監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)王軟件內(nèi)含監(jiān)控畫面、實時調(diào)節(jié)曲線、歷史曲線，可以通過對流量過程控制進行界面組態(tài)和變量連接，來實現(xiàn)現(xiàn)場的實時監(jiān)控。工程設(shè)置里TPC的類型選用TPC7062K，組態(tài)界面由數(shù)據(jù)對象、控制參數(shù)和流量控制曲線3大塊組成，如圖2所示。

圖2 流量PID控制的組態(tài)界面

3 系統(tǒng)調(diào)試仿真

完成系統(tǒng)連接，應(yīng)用組態(tài)軟件建立好人機界面，并編寫好程序后，進入到調(diào)試狀態(tài)。在系統(tǒng)未工作時，水管中沒水，當前流量為0.00L/min，就是A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換來的數(shù)字量經(jīng)PLC程序處理后，在TPC上顯示的流量測量值為0.00L/min。將流量設(shè)定為2.00L/min，并設(shè)定PID的運行參數(shù)，然后按下運行按鈕，系統(tǒng)啟動，開始進行流量當前值采集和PID運算，可以通過人機界面實時觀察到系統(tǒng)的變化過程。

當流量小于2.00L/min，PLC運算流量輸出值增加，控制變頻器頻率增大，從而驅(qū)動水泵增速，使水管中流量增大，當流量大于2.00L/min，PLC運算流量輸出值減少，控制變頻器頻率減少，從而驅(qū)動水泵減速，使水管中流量減小。當采集時間Ts=6s，比例增益Kp=40，積分時間Ti=2s，流量設(shè)定值為2.00L/min時PID的控制系統(tǒng)響應(yīng)如圖3所示。

圖3 PID的控制系統(tǒng)響應(yīng)圖

4 結(jié)論

基于PLC的水箱流量控制系統(tǒng)是一個可靠性高，易于維護，適用性強，可達到快、準、穩(wěn)的特性。人機界面強大的圖形表現(xiàn)能力和數(shù)據(jù)處理及交互能力，更實現(xiàn)了流量的實時監(jiān)測和自動控制，操作方便明了，程序使用修改靈活，可移植性高，滿足了控制系統(tǒng)的要求。