全自動(dòng)無(wú)守候動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳小亮，羅益民，梁宇峰

(南京工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，南京 210009)

0 引言

隨著我國(guó)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(fèi)與污染越來(lái)越嚴(yán)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(guó)面臨的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置的出現(xiàn)，為藥劑的研發(fā)、配方提供了方便，對(duì)水質(zhì)的處理有著重要的作用。冷卻水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置是用于評(píng)價(jià)工業(yè)循環(huán)水水質(zhì)的專(zhuān)業(yè)裝置，模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的流速、流態(tài)水質(zhì)、金屬材質(zhì)和循環(huán)水經(jīng)過(guò)換熱器的進(jìn)口溫度，出口溫度等主要參數(shù)，對(duì)于水質(zhì)的質(zhì)量進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)（水質(zhì)的配方、阻垢的效果），來(lái)尋求相應(yīng)的操作工藝條件。實(shí)現(xiàn)在冷卻水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)水中一些參數(shù)的精確監(jiān)控，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(yīng)用[1,2]。

1 動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)

1.1 裝置工藝介紹

圖1 冷卻水動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)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(jìn)入到試驗(yàn)管，在加熱爐中實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，使加熱水部分熱量傳遞給試驗(yàn)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(jìn)冷卻塔頂部，經(jīng)過(guò)冷卻塔中的填充材料實(shí)現(xiàn)水的冷卻，從冷卻塔中流到水箱，再由水泵實(shí)現(xiàn)循環(huán)。流量計(jì)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(dú)立。兩邊的水路可以同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，也可以單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)。本系統(tǒng)中PH，電導(dǎo)率通過(guò)探頭檢測(cè)，經(jīng)過(guò)信號(hào)線傳輸4mA～20mA的模擬信號(hào)給PLC，在PLC中實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，使PH，電導(dǎo)率實(shí)際值顯示在觸摸屏和上位機(jī)WinCC上，便于監(jiān)測(cè)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(dāng)電導(dǎo)率值大于所設(shè)的回差上限值時(shí)，排污閥自動(dòng)打開(kāi)，開(kāi)始排污。此時(shí)，補(bǔ)水閥也會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，進(jìn)行補(bǔ)水，直到電導(dǎo)率的值小于回差下限值，排污閥停止工作，補(bǔ)水加到一定的量，補(bǔ)水閥也會(huì)關(guān)閉。這樣的不斷循環(huán)，使其電導(dǎo)率值保持在一定的范圍之內(nèi)。在系統(tǒng)工作的過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)口溫度值大于所設(shè)的回差上限值時(shí)，冷卻風(fēng)機(jī)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行過(guò)程中變頻器可以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；直到進(jìn)口溫度值小于回差下限值時(shí)，冷卻風(fēng)機(jī)才會(huì)停止運(yùn)行。然而，蒸汽溫度值小于所設(shè)回差下限值時(shí)，加熱棒開(kāi)始加熱；當(dāng)蒸汽溫度值大于所設(shè)回差上限值時(shí)，加熱棒停止加熱。保持水的溫度恒定。系統(tǒng)中測(cè)量冷凝溫度起保護(hù)作用，防止設(shè)備中沒(méi)有冷凝水的流入，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。PH值控制加酸泵的開(kāi)啟與關(guān)閉，控制要求也是根據(jù)回差控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。

圖2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

1.3 自動(dòng)補(bǔ)水加藥控制

由于以前都是采用人工進(jìn)行補(bǔ)水加藥，來(lái)不停的觀察水質(zhì)的改善情況，這樣不僅耗時(shí)又耗力，本文設(shè)計(jì)進(jìn)行全自動(dòng)補(bǔ)水加藥，在系統(tǒng)工藝流程中的水箱上安裝一個(gè)液位計(jì)，在裝置旁邊裝一個(gè)容積大的水箱，把藥劑和水混合加入到這個(gè)水箱里，并在兩個(gè)水箱之間裝一臺(tái)泵，然后連接好。檢測(cè)到裝置中水箱液位的信號(hào)，通過(guò)PLC來(lái)控制水泵的開(kāi)啟與關(guān)閉。當(dāng)液位低于所設(shè)下限值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟水泵進(jìn)行補(bǔ)水，直到液位高于所設(shè)的上限值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉水泵，停止補(bǔ)水。實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水與加藥的自動(dòng)化控制。

2 控制系統(tǒng)的硬件配置和軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件配置

本系統(tǒng)采用德國(guó)西門(mén)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(jī)具有14個(gè)輸入點(diǎn)，10個(gè)輸出點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)的儀器采用美國(guó)米特羅公司生產(chǎn)的流量計(jì)，PH計(jì)，電導(dǎo)率檢測(cè)儀表，輸出端器件有補(bǔ)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(shè)計(jì)

下位機(jī)編程采用西門(mén)子公司的STEP7-MicroWIN，它的編程簡(jiǎn)潔，功能塊相互獨(dú)立，結(jié)構(gòu)清晰，方便實(shí)用，學(xué)習(xí)起來(lái)也比較容易。本系統(tǒng)中通過(guò)使用梯形圖和結(jié)構(gòu)化編程方法設(shè)計(jì)各個(gè)功能，實(shí)現(xiàn)泵自動(dòng)控制，電導(dǎo)率，PH值的回差控制，對(duì)加熱溫度的PID調(diào)節(jié)，冷卻風(fēng)機(jī)的自動(dòng)與手動(dòng)的開(kāi)啟與關(guān)閉。對(duì)電導(dǎo)率，PH值，進(jìn)口溫度，出口溫度，冷凝溫度設(shè)置上下限值，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。在編程過(guò)程中，把一些功能生成塊，以便調(diào)用，遇到問(wèn)題與故障時(shí)，也便于檢查與排除。

上位機(jī)監(jiān)控采用SMATIC WinCC組態(tài)軟件，該軟件功能強(qiáng)大，具有非常好的實(shí)用性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(lái)越龐大的工作量及功能的需要，可以完成指示，開(kāi)關(guān)，數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)顯示，動(dòng)態(tài)圖表，靜態(tài)顯示，報(bào)警等功能，是一個(gè)非常好的人機(jī)界面設(shè)計(jì)軟件。上位機(jī)界面流程圖如圖3所示。

圖3 上位機(jī)界面流程圖

3 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中對(duì)進(jìn)口溫度的控制是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。進(jìn)口溫度的偏高或者偏低，都會(huì)影響模擬試驗(yàn)的結(jié)果，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)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(duì)象往往具有非線性，大滯后，大慣性和時(shí)變性的特點(diǎn)[8]。用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到較好控制效果，因此本文采用模糊PID控制器對(duì)其進(jìn)口溫度實(shí)現(xiàn)調(diào)控。

采用二維模糊控制,進(jìn)口溫度給定值與實(shí)際測(cè)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(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，輸入輸出量都有一個(gè)基本的變化范圍，e=實(shí)際輸出（r0）-輸入(ri)，設(shè)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(gè)模糊子集分別對(duì)應(yīng)7個(gè)語(yǔ)言變量，語(yǔ)言變量分別為負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)得到語(yǔ)言變量的賦值表。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，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(yǔ)言變量中的元素)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所要設(shè)定溫度的控制經(jīng)驗(yàn)和控制要求得出控制規(guī)則表[6]。運(yùn)用得到的語(yǔ)言變量賦值表和控制規(guī)則表，由模糊推理法求出對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣R，并做相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)行模糊判決，最后得出模糊控制查詢(xún)表，如表1所示。

表1 模糊查詢(xún)表

把模糊PID算法在S7-200 PLC中實(shí)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(shí)間計(jì)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(xún)表中的各個(gè)元素按從上到下依次放入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中，同時(shí)通過(guò)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(xún)過(guò)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(shí)際輸出量u。最終通過(guò)將u送給PID控制器來(lái)對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)模糊PID對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)控。模糊PID在PLC中的流程如圖4所示。

4 遠(yuǎn)距離通信設(shè)計(jì)

無(wú)線遠(yuǎn)程通信由GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，GPRS技術(shù)是在GSM通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它基于移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，無(wú)需布線，具有永遠(yuǎn)在線、自由切換、傳輸速率教高、計(jì)費(fèi)靈活等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用MD-309GDTU與PLC200通過(guò)485串口連接，在PLC-200中寫(xiě)人支持Modbus slave程序，實(shí)現(xiàn)GPRS無(wú)線通信在MD-309G中設(shè)置數(shù)據(jù)中心的IP和端口后，MD-309G利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)連上Internet，隨后發(fā)起對(duì)所配置的IP和端口的連接。另外，當(dāng)數(shù)據(jù)送到MD-309G之后，便通過(guò)GPRS Internet傳到中心計(jì)算機(jī)上，在中心的計(jì)算機(jī)上先由mserver接收到，之后通過(guò)mserver虛擬出來(lái)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(shè)計(jì)：波特率9600bps；數(shù)據(jù)位8bit；奇偶效驗(yàn)N；停止位1；流控N。

圖6 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)利用西門(mén)子S7-200 PLC、Wincc和觸摸屏對(duì)冷卻水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)補(bǔ)水和加藥的自動(dòng)化控制，設(shè)計(jì)無(wú)線通信與遠(yuǎn)程監(jiān)控，滿足系統(tǒng)的全自動(dòng)和無(wú)守候控制。另外，通過(guò)設(shè)計(jì)模糊PID控制器對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)控制裝置中的進(jìn)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(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。目前，此裝置已經(jīng)運(yùn)用到企業(yè)當(dāng)中，使用效果良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，節(jié)約能源。

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