基于PLC的帶風源淋雨設(shè)備研制

石昌飛

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基于PLC的帶風源淋雨設(shè)備研制

石昌飛

（廣東省智能制造研究所）

為提高裝備在風吹雨淋環(huán)境的適應(yīng)能力和可靠性，研制一種基于PLC的帶風源淋雨試驗設(shè)備，敘述設(shè)備主要測控對象溫度、風速、流量的具體測量和PID控制方法，并列舉了設(shè)備的控制系統(tǒng)在研制設(shè)計過程中遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題及其解決辦法。

帶風源淋雨設(shè)備；PLC；PID算法；測控對象

0引言

風吹雨淋屬自然環(huán)境因素，是很多產(chǎn)品必然要經(jīng)受考驗的外界環(huán)境條件之一。因此在材料、裝備研制和生產(chǎn)中要進行淋雨及滴雨試驗，以提高裝備環(huán)境適應(yīng)能力和使用可靠性[1]。為解決目前帶風源淋雨試驗設(shè)備，在滴雨試驗中雨滴直徑和淋雨試驗中流量的控制精度不高，以及系統(tǒng)控制器功能單一的問題，本文研制一種雨滴直徑和流量控制精度高、功能較強的帶風源淋雨試驗設(shè)備。

考慮設(shè)備應(yīng)具有穩(wěn)定性和經(jīng)濟節(jié)能性，對淋雨試驗設(shè)備需要的溫度、風速和流量3個測控對象建立統(tǒng)一的測控對象進行PID控制，并使用變頻器驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)風機和水泵達到節(jié)能經(jīng)濟的效果[2]。

1設(shè)備設(shè)計需求

本設(shè)備模擬GJB 150.8A-2009淋雨和滴雨試驗環(huán)境，需要達到以下要求：

1) 箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)有良好的密封性，防止水分泄漏；

2) 試驗系統(tǒng)內(nèi)部材料應(yīng)具有耐腐蝕性；

3) 箱體骨架采用角鋼焊接，且箱內(nèi)有可轉(zhuǎn)動的工作臺；

4) 為使設(shè)備在噴水試驗時，噴水量覆蓋面較大，試驗用噴嘴制成一個方格噴霧點陣或其他交錯點陣；

5) 系統(tǒng)應(yīng)配有試驗用水循環(huán)系統(tǒng)，以循環(huán)利用水源；

6) 人機界面采用中文界面菜單，7寸以上彩色觸摸屏，可顯示控制淋雨試驗流量、時間、溫度、風速、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、工作狀態(tài)和故障信息等；

7) 控制精度要求：時間1 s，風速1 m/s，工作臺轉(zhuǎn)速1 r/min，水流量0.1 L/min，溫度0.1 度；

8) 其他功能：定值和程序運行、單項手動控制運行、定時關(guān)機；提供工作參數(shù)輸出方式為微型打印機打印；

9) 安全保護系統(tǒng)：具備試驗裝置工作異常聲光報警裝置、水路安全保護裝置和室體超溫安全保護裝置。

2設(shè)備結(jié)構(gòu)

基于PLC的帶風源淋雨試驗設(shè)備由降雨吹雨裝置、滴水裝置、強化防水裝置及循環(huán)通道、風機系統(tǒng)、加熱裝置、旋轉(zhuǎn)工作臺、供水箱、電控柜、推拉門和供水管路組成，設(shè)備主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1) 試驗箱體，其內(nèi)壁是SUS304不銹鋼板，厚度為1.0 mm，循環(huán)通道為立式布置，箱體頂部安裝降雨吹雨通道，工作室箱門使用推拉門；

2) 淋雨裝置安裝在降雨吹雨通道的頂部，保證雨滴的最終速度約為9 m/s；

3) 滴雨裝置安裝在降雨吹雨通道的底部，滴水箱升降采用直流電動馬達，通過絲桿帶動滴水盤升降，滴水盤高度可以調(diào)節(jié)；

4) 風機系統(tǒng)的風源采用軸流風機，風機系統(tǒng)包括變頻電機、聯(lián)軸器、主軸、軸承座、風葉、風筒和導(dǎo)風葉片；

5) 旋轉(zhuǎn)工作臺采用直流電機驅(qū)動機構(gòu)防水設(shè)計，不銹鋼材質(zhì)，防潮、防銹和防漏電；

6) 加熱裝置采用不銹鋼電熱管；

7) 供水管路配有水泵、水質(zhì)過濾器、流量計、壓力表、排水閥和溫度傳感器。采用立式多級防銹加壓不銹鋼水泵提供水壓；水質(zhì)過濾器可以觀察水質(zhì)狀況，并方便更換；壓力變送儀表直接檢測顯示水的壓力；電子流量計追蹤變頻調(diào)節(jié)流量，保證風源淋雨試驗、滴雨試驗所需水流量要求；儲水箱最低水位控制開關(guān)及回收水泵，保證蓄水池的自動回收使用。

3系統(tǒng)控制硬件組成

基于PLC的帶風源淋雨試驗設(shè)備電氣測控系統(tǒng)由溫度、風速和流量等傳感器測量采集系統(tǒng)、PLC電氣控制系統(tǒng)、固態(tài)繼電器、接觸器、變頻器和電機等電氣執(zhí)行部件組成，電氣系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2　電氣系統(tǒng)組成框圖

3.1 PLC的選型

本設(shè)備的PLC選用S7-1200，其支持標準對象化編程、編程簡單可靠、PID控制方便迅速、并且響應(yīng)快[3]。PLC端口及模塊選型設(shè)計：

1) 采用14DI/10DO類型的CPU模塊，支持4路脈沖輸出，用于轉(zhuǎn)臺升降裝置的步進電機控制，以及溫度PID計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM數(shù)字信號，從DO端口輸出控制固態(tài)繼電器；

2) 采用16DI/16RLY類型的數(shù)字輸入輸出擴展模塊，用于報警信號、步進電機和試驗門限位信號等數(shù)字量的輸入，以及制冷機組接觸器、電磁閥和氣缸電磁閥等220 V電氣器件的輸出控制；

3) 采用4AD/2DA模塊，分別采集溫度、風速和流量等傳感器的4 mA~20 mA模擬信號輸入，獲得對應(yīng)的測量值。通過DA模塊，可把風速PID的控制輸出轉(zhuǎn)換為1 V~5 V電壓信號，供給變頻器的模擬端口以控制風機轉(zhuǎn)速。

3.2 傳感器的選型

在設(shè)備供水管路控制系統(tǒng)中，安裝在管網(wǎng)上的流量和壓力變送器都是關(guān)鍵部件，其精度直接關(guān)系到控制的快速響應(yīng)特性。流量和壓力變送器分別選用渦輪式流量計FR60和PMB-SG1120。設(shè)備箱內(nèi)要求試驗樣品的溫度大于雨水溫度10℃，溫度傳感器選擇的是鉑電阻PT100。在固定采集風場，位置的不同及風速計的精度都會影響風速的采集，本文選用TF-M1脈沖輸出型風速計。

3.3變頻器的選型

本文采用變頻器驅(qū)動風機和水泵，達到節(jié)能效果。驅(qū)動風機和水泵分別使用變頻器FR-F740-18.5 kW和FR-E740-3.7 kW。

4電控系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于PLC的帶風源淋雨設(shè)備研制的關(guān)鍵是控制器的開發(fā)，各傳感器的測量信號傳送給控制器處理，控制器需要實時計算最新的控制輸出量，驅(qū)動電氣執(zhí)行部件，達到預(yù)期設(shè)計需求。PLC軟件編程平臺采用TIA Portal V11，它包含S7-1200的編程軟件和WinCC flexible的功能。TIA Portal V11軟件使用圖形化工程組態(tài)的最新技術(shù)，具有智能的拖拽功能和共享的數(shù)據(jù)處理等特點，操作非常方便。編程語言采用梯形圖語言，將每一回路的編程模塊化，通過程序編輯模塊封裝各控制段控制功能。

本文研制的設(shè)備針對溫度、風速和流量建立了統(tǒng)一的測控對象模型，包括如下通用的對象屬性：1) 設(shè)定值，測量值，控制輸出值；2) 范圍上下限；3) 報警上下限；4) 輸出保護上下限；5) 運行時狀態(tài)（上升、下降、到達保持、穩(wěn)定等）；6) 分組/分區(qū)PID參數(shù)集合；7) 手動分區(qū)輸出參數(shù)集合；8) PID分區(qū)Cache值集合。

利用定義的測控對象模型，可以直接靜態(tài)實例化上述測控對象的數(shù)據(jù)塊，而無需重復(fù)定義各測控對象的各個屬性變量。由于PLC須保證固定的掃描周期，因此無法支持動態(tài)實例化對象。

PLC負責實時測控處理，而觸摸屏則負責人機交互處理。PLC采用循環(huán)周期掃描方式，即在掃描周期內(nèi)先讀取模擬及數(shù)字端口的輸入信號，進行控制計算處理，再將結(jié)果轉(zhuǎn)換到模擬或數(shù)字輸出端口[4]。觸摸屏采用事件觸發(fā)處理方式，當用戶進行觸摸操作，發(fā)出操作請求時進行相應(yīng)的動作處理，并將處理結(jié)果數(shù)據(jù)或通知信息反饋給操作用戶，其流程如圖3所示。

圖3　PLC控制系統(tǒng)處理流程圖

PLC測控系統(tǒng)的核心是PID模塊的設(shè)計。S7-1200的PID算法公式為

其中，為比例增益；為拉普拉斯運算符；為比例作用權(quán)重；為設(shè)定值；為過程值；T為積分作用時間；為微分延遲系數(shù)；T為微分作用時間；為微分作用權(quán)重。

當控制流量設(shè)定=10 L/min時，以上系數(shù)分別取值=2.5，=1，T=60.0，=0，T=0，=0。

簡單采用PLC的PID算法難以滿足實際控制要求，為此需做如下改進措施：

1) 采用分區(qū)或者分組PID控制，根據(jù)測控對象設(shè)定值區(qū)間范圍的不同，選用不同的PID參數(shù)集；

2) 采用手動控制和PID控制相結(jié)合方式，設(shè)置手動分區(qū)輸出功能，分區(qū)可采用設(shè)定值，測量值，誤差值－等多種方式；當測量值與設(shè)定值誤差較大時，采用手動分區(qū)輸出；當測量值與設(shè)定值接近時啟用PID控制；

3) PID穩(wěn)定輸出快存技術(shù)，當PID控制進入穩(wěn)定狀態(tài)時，控制器自動記錄該目標范圍所需的穩(wěn)定輸出值，當下次試驗重新進入相同設(shè)定值范圍時，可以直接取出快存，在快存的基礎(chǔ)上進行動態(tài)調(diào)整，節(jié)省進入穩(wěn)定狀態(tài)的時間。

HMI端的程序?qū)崿F(xiàn)人機操作的各項界面功能，如定值運行和停止、參數(shù)設(shè)置、實時趨勢、歷史曲線和表格顯示等，還有如下的特色功能：

1) 試驗數(shù)據(jù)、試驗程序、配置參數(shù)、工況記錄等數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)記錄于SD卡中，可導(dǎo)出到U盤，還可通過Web進行下載；

2) HMI端的操作界面可通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程監(jiān)控，支持智能手機等移動終端通過WiFi操控設(shè)備，還可借助VPN進行遠程監(jiān)控；

3) 支持試驗程序功能，控制器設(shè)計支持1000個試驗程序，每個試驗程序可包含100個程序步，每個程序包含4個步循環(huán)，每個步循環(huán)可對100步中的連續(xù)若干步進行循環(huán)執(zhí)行，循環(huán)次數(shù)最大9999次，每個程序也可循環(huán)9999次。程序循環(huán)執(zhí)行后可自動鏈接執(zhí)行下一試驗程序。程序支持跳步、保持步、中途臨時停止試驗后從中斷步恢復(fù)執(zhí)行等功能。

5結(jié)語

基于PLC的帶風源淋雨設(shè)備研制過程中，設(shè)計與調(diào)試解決的關(guān)鍵問題：

1) 變頻器干擾，本設(shè)備使用的變頻器最大為 75 kW，電磁輻射干擾較強[5]。最初使用的風速傳感器，未啟動變頻器時，測量輸出正常，變頻器啟動后，HMI上顯示的風速不停地跳動。避免變頻器干擾可采取的措施：易受干擾的信號線增加屏蔽和變頻器加裝屏蔽罩；變頻器與控制部分配電完全分離，設(shè)置獨立的配電；變頻器安裝位置遠離控制電氣部分。

2) 風速傳感器的安裝位置及測量。固定風速儀所在風場的位置對檢測的風速大小至關(guān)重要，根據(jù)軍用標準設(shè)備淋雨試驗方法和要求，對設(shè)備進行綜合性規(guī)范的淋雨試驗，包括程序Ⅰ（降雨和吹雨），吹雨要求伴隨的風速可從無風變到極高風速18 m/s[6]，調(diào)試實踐得出風速傳感器的位置固定在風筒出風口前、軸中心下方比較合理。

3) 淋雨和滴雨的流量控制覆蓋范圍要求比較大，淋雨試驗要求降雨強度≥10 cm/h，滴雨試驗要求降雨量≥280 L/（m2·h），而在同一箱體內(nèi)滿足2種試驗條件，設(shè)計上存在一定難度，故實際過程中使用獨立的管路和噴嘴克服流量控制覆蓋范圍大的要求。

帶風源淋雨設(shè)備研制實施比較復(fù)雜，在工程實踐中需要解決一系列相關(guān)技術(shù)問題。本設(shè)備產(chǎn)品仍在持續(xù)改進和完善中，下一步重點是解決淋雨和滴雨的管路合并，研制特殊的噴嘴可以覆蓋大范圍的流量控制。設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計已趨于成熟，控制軟件完全自主開發(fā)，功能擴展性強，可以適應(yīng)設(shè)備發(fā)展中新的電氣控制需求。

[1] 馬志宏,李金國,趙書平,等.耐淋雨試驗系統(tǒng)的研制[J].裝備環(huán)境工程,2010,7(6):256-259.

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[5] 朱晶波,張慶玲.變頻器的諧波干擾與抑制問題的探討[J].電子制作,2012(12):142.

[6] 中國人民解放軍總裝備部. GJB150.8A-2009 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第8部分淋雨試驗[S].北京:國防工業(yè)出版社,2009-08-01.

Development of Air-Raining Equipment Based on PLC

Shi Changfei

(Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing)

To test and improve equipment reliability and adaptability during the wind and rain environmental, author developed a specific environmental equipment based on PLC，the device is designed for measurement and PID control of three major objects of temperature, wind speed and flow. The paper discusses the key technical problems and solutions associated with control system.

Air-Raining Equipment; Programmable Logic Controller; Proportion Integration Differential Algorithm; Measured Controlled Object

石昌飛，男，1988年生，碩士研究生，主要研究方向：工業(yè)自動化，環(huán)境設(shè)備電氣控制。E-mail: shichangfei527@163.com