PLC在特種循環(huán)冷卻裝置控制系統(tǒng)中的應用

崔坤理，楊敏玲，崔　哲，湯繼保，程　鎮(zhèn)

( 合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230031 )

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PLC在特種循環(huán)冷卻裝置控制系統(tǒng)中的應用

崔坤理，楊敏玲，崔哲，湯繼保，程鎮(zhèn)

( 合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230031 )

[摘要]本文針對循環(huán)冷卻裝置控制系統(tǒng)進行了分析，介紹了它的構(gòu)成與工作原理，闡述了S7-300的PLC在特種循環(huán)冷卻裝置控制系統(tǒng)中的應用，包括各種參數(shù)的檢測及其聯(lián)鎖保護、關鍵參數(shù)(溫度、濕度)的PID自動調(diào)節(jié)控制過程，提出了科學的控制方式，以提高循環(huán)冷卻裝置的可靠性、穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)對專用電子設備進行強制循環(huán)冷卻。

[關鍵詞]溫度、濕度控制；PID自動調(diào)節(jié)；PLC程序控制；無擾動切換

1概述

特種循環(huán)冷卻裝置(簡稱循環(huán)冷卻裝置)主要是為專用電子設備提供溫度、濕度、空氣流量和空氣品質(zhì)符合要求的循環(huán)冷卻空氣，以實現(xiàn)對專用電子設備進行強制循環(huán)冷卻，為專用電子設備創(chuàng)造一個良好的、通用的、模塊化的冷卻平臺。從而使專用電子設備能穩(wěn)定、可靠地工作，進一步提高專用電子設備的保障能力、運行可靠性和使用壽命。

循環(huán)冷卻裝置由循環(huán)通風機組、遙控箱、系統(tǒng)測控元器件、通風管、連接水管及其附件等組成，其流程圖見圖1。

圖1　循環(huán)冷卻裝置流程圖

2控制系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)是循環(huán)冷卻裝置的關鍵部件，其設計指導原則為在滿足技術(shù)要求的前提下，盡可能采用成熟的控制技術(shù)，按標準化、模塊化進行設計。

循環(huán)冷卻裝置的控制系統(tǒng)由一臺內(nèi)嵌式控制箱、遙控箱、循環(huán)冷卻裝置執(zhí)行器件(如壓縮機、風機、電加熱器、電磁閥等執(zhí)行器)及系統(tǒng)測控元器件等組成。核心控制器采用西門子公司S7-300的PLC，人機界面采用西門子公司的觸摸屏，設計成多畫面操作形式。

3循環(huán)冷卻裝置工作原理

下面以自動方式為例來說明循環(huán)冷卻裝置的工作原理。在控制箱面板上按“機組自動”鍵時，循環(huán)冷卻裝置開始“啟動”，并按自動程序進行：首先，風機開始工作，延時30s后，可調(diào)電加熱器就自動投入工作；當送風溫度、濕度滿足壓縮機啟動條件時，壓縮機開始工作；當送風溫度、濕度滿足壓縮機卸載條件時，卸載電磁閥工作，壓縮機開始卸載；當送風溫度、濕度滿足各自的啟/停條件時，固定電加熱器、1#回熱電磁閥、2#回熱電磁閥分別自動啟/停。循環(huán)冷卻裝置“停止”時，在控制箱面板上再按一次“機組自動”鍵時，先同時停固定電加熱器、可調(diào)電加熱器、1#回熱電磁閥和2#回熱電磁閥，延時30s后停壓縮機，延時60s后停風機。

循環(huán)冷卻裝置控制系統(tǒng)設有“手動控制”、“自動控制”、“應急控制”三種控制方式。當循環(huán)冷卻裝置正常運行時，“手動控制”和“自動控制”這兩種控制方式可以無擾動地進行切換。當循環(huán)冷卻裝置局部出現(xiàn)故障時，可以無擾動將“自動控制”方式切換到“手動控制”方式下進行操作，然后手動按下相應的部件啟/停按鈕，使出現(xiàn)故障的部件停止運轉(zhuǎn)(如風機、壓縮機、電加熱器等執(zhí)行器)，從而實現(xiàn)在循環(huán)冷卻裝置不停機的情況下，對出現(xiàn)故障的部件進行檢修，直至故障修復時，又可無擾動地將“手動控制”方式切換至“自動控制”方式下按控制程序進行自動運行。從而很好地解決了運行與應急維修問題，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性和維修性。

4關鍵參數(shù)控制 — 送風溫度、濕度的控制

控制手段為：冷量控制和熱量控制。

冷量控制 — 有級控制的粗調(diào)過程，控制壓縮機啟/停與上載/卸載；。

熱量控制——冷凝回熱器熱氣加熱的投放量、電加熱的投放量的控制，既有有級控制的粗調(diào)過程：當送風溫度、濕度滿足各自的啟/停條件時，固定電加熱器、1#回熱電磁閥和2#回熱電磁閥分別自動啟/停；又有無級控制的細調(diào)過程：可調(diào)電加熱投放量的控制采用PID自動調(diào)節(jié)。

圖2　可調(diào)電加熱投放量的PID自動調(diào)節(jié)原理框圖

PID自動調(diào)節(jié)全部由PLC程序的PID子程序來實現(xiàn)，其原理框圖見圖2。包括模擬PID和脈沖PID兩級調(diào)節(jié)串聯(lián)起來，整個過程包括4個主要環(huán)節(jié)：模擬輸入量(包括設定值和測量值)的信號處理與換算；模擬PID調(diào)節(jié)；脈沖PID調(diào)節(jié)；數(shù)字脈沖量通斷比(5秒一個周期)輸出控制固態(tài)繼電器通斷，通過固態(tài)繼電器來控制可調(diào)電加熱調(diào)功。

PLC程序的PID子程序包括FB41(模擬PID)和FB43(脈沖PID)兩個調(diào)節(jié)器，由西門子公司PLC編程程序平臺提供，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和數(shù)學模型對外是屏蔽和保密的，但對外接口的參數(shù)(主要包括FB41的比例增益GAIN、積分時間TI、微分時間DI、微分釋放時間TM_LAG和模擬PID運算后的控制輸出值LMN，以及FB43的控制輸入值INV、固定的脈沖周期PER_TM、脈沖的最小分辨時間P_B_TM和正向脈沖輸出QPOS_P)可根據(jù)該控制系統(tǒng)的慣性和以往的經(jīng)驗值通過反復調(diào)試加以確定。

總之，冷量控制與熱量控制相互結(jié)合，互為補充，尤其是針對工況負載和環(huán)境溫度變化大時，控制效果更為明顯。從而達到控制循環(huán)冷卻裝置送風溫度、濕度基本穩(wěn)定的目的。

在控制過程中，其突加最大模擬負載后參數(shù)變化曲線見圖3。

5程序設計

程序的設計采用模塊化結(jié)構(gòu)進行設計，將所需實現(xiàn)的各主要功能用子功能塊(即子程序)FC實現(xiàn)，然后在主程序OB1中調(diào)用。系統(tǒng)的主要功能塊有故障處理、參數(shù)初始化、數(shù)據(jù)處理、PID調(diào)節(jié)和觸摸屏上的關鍵參數(shù)變化趨勢、參數(shù)顯示等。程序控制的流程框圖見圖4。

根據(jù)輸入的故障信息進行處理(控制、聯(lián)鎖與報警指示)，并在觸摸屏和控制面板上顯示出具體的故障信息。

人機界面采用西門子公司的觸摸屏，整個畫面設計是在西門子公司提供的開發(fā)軟件上制作的，設計成多畫面操作形式，來監(jiān)視系統(tǒng)的實時信息。如在《顯示參數(shù)》畫面顯示參數(shù)數(shù)值；在《關鍵參數(shù)變化趨勢》畫面中顯示關鍵參數(shù)(環(huán)境溫度、送風溫度、送風濕度和回風溫度)的變化趨勢；《參數(shù)設定》畫面進行參數(shù)設定；在《故障顯示》畫面顯示故障報警信息；在《自動控制》和《手動控制》畫面直接控制系統(tǒng)的運行。

圖3　突加最大模擬負載后參數(shù)變化曲線圖

圖4　控制流程框圖

6結(jié)論

循環(huán)冷卻裝置控制系統(tǒng)具有完善的功能，但同時操作極為簡單方便，在自動控制狀態(tài)下，僅通過操作一個按鈕即可控制各設備的啟、停，操作極為便利。在觸摸屏上有詳盡的運行與故障指示，從而使得循環(huán)冷卻裝置的運行狀態(tài)一目了然，極大地方便了循環(huán)冷卻裝置操作與維護，提高循環(huán)冷卻裝置的可靠性、穩(wěn)定性。

7參考文獻

[1] 廖常初.S7-300/400 PLC應用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012，1

Study on the Control System of the Special Circular Aerator

CUI Kunli，YANG Minling，CUI Zhe，TANG Jibao，CHENG Zhen

( Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031 China )

Abstract：This paper gives the analysis on the control system of the special circular aerator；introduces its composition and principle；presents the detection、the control and the protection of several parameters；proposes the scientific control way.Thus we could improve the reliability and the stability of the special circular aerator and realize forcible circular cooling of the special electronic devices.

Key words：the control of temperature and relative humidity；PID self-regulation；PLC program control；No interferential switch

收稿日期：2015-12-30

作者簡介：崔坤理(1963-)，男，研究員，主要從事工業(yè)自動化方面的設計研究。Email：13956012522@163.com

文章編號：ISSN1005-9180(2016)01-074-04

中圖分類號：TB65

文獻標識碼：B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.01.014