基于PLC的SHMFF磁體冷卻水水溫控制系統(tǒng)

仇文君 歐陽(yáng)崢嶸

(中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，合肥 230031)

基于PLC的SHMFF磁體冷卻水水溫控制系統(tǒng)

仇文君 歐陽(yáng)崢嶸

(中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，合肥 230031)

介紹了一種基于PLC的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)磁體冷卻水水溫控制系統(tǒng)。給出系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、軟件功能和組態(tài)設(shè)計(jì)。在分析系統(tǒng)工藝機(jī)理的基礎(chǔ)上，針對(duì)磁體入口水溫控制超調(diào)量較大的問(wèn)題，提出一種前饋-反饋溫度控制策略。結(jié)果表明：系統(tǒng)可以在不同磁體上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)精度約±0.2℃、調(diào)節(jié)時(shí)間約3min的控制性能；磁體出口水溫TE432作為擾動(dòng)量起到前饋?zhàn)饔茫钩{(diào)量降到10%以?xún)?nèi)。

磁體冷卻水水溫控制系統(tǒng) 磁體入口水溫 前饋-反饋控制 S7-300 PLC PID

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)是一個(gè)為化學(xué)、材料、物理及生命等科學(xué)研究和多學(xué)科交叉研究提供理想穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)極端實(shí)驗(yàn)條件的裝置，可最大程度地滿(mǎn)足我國(guó)多學(xué)科前沿發(fā)展對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件的需求。作為SHMFF技術(shù)裝備系統(tǒng)之一的去離子水冷卻系統(tǒng)，通過(guò)冷卻后的自來(lái)水和磁體冷卻循環(huán)水(高純水)換熱，帶走磁體線圈通電運(yùn)行時(shí)釋放的熱量。因此，維持穩(wěn)定的磁體入口水溫是確保磁體標(biāo)定參數(shù)準(zhǔn)確、系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。但由于5臺(tái)水冷磁體的最大功率和運(yùn)行模式不同，產(chǎn)生的熱負(fù)荷量及其變化速率也不同，所以采取一種合適的方法對(duì)磁體冷卻水水溫進(jìn)行控制極其重要。

PID控制器是一種應(yīng)用廣泛的閉環(huán)控制器[1]，具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，對(duì)于無(wú)法建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的工業(yè)控制對(duì)象，使用PID控制器可以得到滿(mǎn)意的控制效果。其控制參數(shù)也可以在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)被控對(duì)象的響應(yīng)曲線不斷調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)。然而，傳統(tǒng)的PID控制器是基于一種假定的一階滯后對(duì)象設(shè)計(jì)的，這種對(duì)象很難滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求，同時(shí)實(shí)際系統(tǒng)中熱負(fù)荷變化大且時(shí)延大，傳統(tǒng)的PID控制方法難以取得良好的控制效果[2]，超調(diào)量常高達(dá)20%～30%。因此，筆者針對(duì)磁體入口溫度控制問(wèn)題，提出一種前饋-反饋控制策略。在對(duì)磁體冷卻循環(huán)回路工藝機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，選取磁體出口水溫作為前饋計(jì)算模型，以抑制磁體線圈電流上升速率對(duì)系統(tǒng)控制產(chǎn)生的影響，最終通過(guò)設(shè)計(jì)PID控制器實(shí)現(xiàn)磁體入口水溫的穩(wěn)定跟蹤控制。

1 工藝機(jī)理與溫度控制策略①

1.1 工藝機(jī)理

去離子水冷卻系統(tǒng)的單蓄水罐(帶布水器)供冷模式的工藝流程如圖1所示。

圖1 單蓄水罐(帶布水器)供冷模式的工藝流程

蓄水罐的罐體中加裝了可使冷熱水自然分層的布水器，采用夜間蓄冷模式，利用冷水機(jī)組制取6℃的冷凍水并存入蓄冷罐中。當(dāng)磁體實(shí)驗(yàn)時(shí)，蓄水罐中的冷凍水由冷凍水泵從罐底抽出，經(jīng)過(guò)板式換熱器換熱后，熱水回到罐頂，經(jīng)過(guò)布水器后，自然分布在冷水上方，冷熱水之間形成約1m高的自然過(guò)渡斜溫層，這并不影響斜溫層下冷水的使用。同時(shí)，磁體冷卻水由磁體冷卻循環(huán)泵輸送到磁體容器處，帶走磁體運(yùn)行時(shí)釋放的熱量，熱水經(jīng)過(guò)板式換熱器和冷凍水換熱后又重新進(jìn)入磁體進(jìn)行熱交換。

磁體實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持磁體入口水溫恒定十分關(guān)鍵。若入口水溫過(guò)高，對(duì)于磁體線圈和高純水的熱對(duì)流過(guò)程來(lái)說(shuō)，溫差過(guò)小必然影響傳熱效果，使磁體線圈溫度升高、局部過(guò)熱而燒毀；若入口水溫過(guò)低，勢(shì)必要消耗較多的冷凍水才能達(dá)到較好的效果，但由于蓄水罐容量有限，需盡量節(jié)省冷凍水的使用，以延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間。因此，控制磁體入口水溫直接關(guān)系到磁體的運(yùn)行安全與效率。通過(guò)機(jī)理分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，將磁體入口水溫控制在10℃。

磁體入口水溫的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍水泵的頻率改變冷凍水流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于板式換熱器來(lái)說(shuō)，當(dāng)換熱面積和溫差一定時(shí)，冷凍水流量越大，帶走的熱量越多，磁體側(cè)出口水溫就越低。而磁體側(cè)出口水溫直接影響到磁體入口水溫。

1.2原溫度控制策略

為了避免大純滯后過(guò)程對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[3]，原溫度控制策略選用板式換熱器磁體側(cè)出口水溫TIC401作為控制目標(biāo)，采用常規(guī)PID控制，通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍水泵的頻率，改變冷凍水流量使控制目標(biāo)值穩(wěn)定。根據(jù)磁體入口水溫TE430和TIC401的溫差，手動(dòng)改變TIC401的設(shè)定值，來(lái)實(shí)現(xiàn)TE430的穩(wěn)定。此種控制策略可以使調(diào)節(jié)時(shí)間不大于4min，穩(wěn)態(tài)精度在±0.3℃，但超調(diào)量高達(dá)30%。若減少控制器增益，延長(zhǎng)微分時(shí)間，超調(diào)量略微下降，但犧牲了調(diào)節(jié)時(shí)間。

對(duì)于換熱器左側(cè)的冷凍水來(lái)說(shuō)，在磁體實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，蓄水罐中保存的是6℃冷凍水，從罐底流出的冷凍水水溫基本是恒定的。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，冷熱水斜溫層逐漸下移，冷凍水的出水溫度略有抬升，此時(shí)冷凍水流量也會(huì)隨之加大。但由于冷凍水出水溫度變化是一個(gè)緩慢漸變的過(guò)程，所以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不會(huì)造成大的擾動(dòng)。

當(dāng)磁體線圈通電時(shí)，磁體產(chǎn)生的熱負(fù)荷是兆瓦級(jí)的。不同水冷磁體的最大功率設(shè)計(jì)值(10～25MW)不同。對(duì)于每個(gè)磁體來(lái)說(shuō)，在運(yùn)行時(shí)，磁體冷卻循環(huán)水的流量值是根據(jù)該磁體最大功率和板式換熱器冷熱水最大設(shè)計(jì)溫差值計(jì)算得到的。為了安全起見(jiàn)，該流量值在磁體運(yùn)行過(guò)程中需保持恒定，避免對(duì)溫度控制造成干擾。

磁體線圈通電時(shí)釋放的熱量對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是主要擾動(dòng)，其值體現(xiàn)在磁體出口水溫的變化中。閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是當(dāng)被控過(guò)程受到擾動(dòng)后，必須等到被控變量出現(xiàn)偏差時(shí)，控制器才開(kāi)始動(dòng)作以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響。對(duì)照?qǐng)D1可見(jiàn)，磁體出口水溫的變化需經(jīng)過(guò)時(shí)間T才能傳輸?shù)綋Q熱器的入口側(cè)，且T值取決于磁體冷卻循環(huán)水的流速。在擾動(dòng)量變換率相等的條件下，T越大，引起的超調(diào)就越大。

1.3前饋-反饋溫度控制策略

前饋控制的基本思想是根據(jù)過(guò)程的擾動(dòng)量(外界擾動(dòng)和設(shè)定值變化)產(chǎn)生合適的控制作用，使被控量不發(fā)生偏差。相對(duì)于反饋控制，前饋控制是及時(shí)的，因此，對(duì)于時(shí)延大、擾動(dòng)大且頻繁的過(guò)程有顯著的控制效果[4,5]。

磁體冷卻水水溫控制系統(tǒng)中，由于磁體出口水溫可以實(shí)時(shí)反映擾動(dòng)量的變化，且可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，所以選取磁體出口水溫TE432作為前饋量，控制回路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的不斷測(cè)試，當(dāng)前饋控制模型選取TE432測(cè)量值的60%時(shí)可以較好地補(bǔ)償擾動(dòng)的影響。

圖2 磁體冷卻水水溫控制回路結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于PLC的PID控制器

基于PLC的PID控制器設(shè)計(jì)是以連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將它數(shù)字化寫(xiě)成離散形式的PID控制方程后[6]，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)的。典型的基于PLC的PID模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3所示，虛線部分即使用PLC實(shí)現(xiàn)的。

圖3 基于PLC的PID模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

PID控制的輸入輸出關(guān)系為：

(1)

式中ev(t)——誤差信號(hào)，ev(t)=sp(t)-pv(t)；

KP、TI、TD——比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)；

M——積分部分的初始值；

mv(t)——控制器的輸出信號(hào)。

式(1)中等號(hào)右邊的前3項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差、誤差積分、誤差微分成正比。

假設(shè)采樣周期為T(mén)s，系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)刻t=0，用矩形積分近似精確積分，用差分近似精確微分，將式(1)離散化，則第n次采樣時(shí)控制器的輸出mv(n)為：

ev(n-1))]+M

(2)

其中，ev(n-1)是第n-1次采樣時(shí)的誤差值。

S7-300 PLC為用戶(hù)提供了多種PID控制功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制，其中系統(tǒng)功能塊SFB41“CONT_C”(連續(xù)控制器)中，KP、TI、TD和M分別對(duì)應(yīng)于輸入?yún)?shù)GAIN、TI、TD和積分初值I_ITLVAL。

3 系統(tǒng)硬件與軟件功能

3.1系統(tǒng)硬件

磁體冷卻水水溫控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是冷凍水的變頻泵，控制對(duì)象是磁體冷卻循環(huán)水，控制目標(biāo)是磁體板式換熱器出口溫度TIC401，測(cè)溫元件是Pt100一體化溫度變送器，PID調(diào)節(jié)器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器用S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)。水溫值由Pt100一體化溫度變送器測(cè)量并轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)，然后通過(guò)模擬量輸入模塊采集到PLC中。PLC與變頻器之間通過(guò)Profibus-DP總線通信，上位機(jī)中安裝了STEP7 V5.5編程軟件和WinCC V7.0組態(tài)軟件，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC通信。

3.2PID程序

S7-300 PLC為用戶(hù)提供了PID控制功能塊SFB41。該功能塊以式(2)為理論依據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)過(guò)程值PV_INT與設(shè)定值SP_INT得到有效偏差，再對(duì)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，格式處理后最終得到輸出量LMN。啟動(dòng)時(shí)，在執(zhí)行的組織塊OB1中和在定時(shí)循環(huán)OB35中調(diào)用FB41，調(diào)用時(shí)應(yīng)指定相應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊。其中用STL形式編寫(xiě)的部分程序如下：

A "FCData".CHP2_2UOR3U.Start//置1，啟動(dòng)PID

JNB_010

CALL "CONT_C","CHP2_2UOR3UDB_PID"http://調(diào)用PID功能塊

COM_RST:=FALSE

MAN_ON:=FALSE

PVPER_ON:=FALSE

P_SEL:=TRUE

I_SEL:=TRUE

D_SEL:=TRUE

CYCLE:=T#100MS//設(shè)定采樣時(shí)間

SP_INT:="PID_Set".CHP2_2UOR3U_PID.Setpoint//設(shè)定值

PV_IN:="Inputs".TIC401.Value//系統(tǒng)過(guò)程值

GAIN:="PID_Set".CHP2_2UOR3U_PID.P_Input//比例設(shè)定值

TI:="PID_Set".CHP2_2UOR3U_PID.I_Input//積分設(shè)定值

TD:="PID_Set".CHP2_2UOR3U_PID.D_Input//微分設(shè)定值

LMN_HLM:=4.900000e+001//輸出值頻率上限

LMN_LLM:=6.000000e+000//輸出值頻率下限

DISV:="TE432 percent".TE432_percent//前饋值

LMN:=#TEMP_PID_OUT//輸出值為頻率值

該P(yáng)ID程序中，設(shè)定值、采樣時(shí)間與3個(gè)PID參數(shù)值需要自行設(shè)定。另外，程序中還設(shè)定了以磁體出口水溫TE432作為擾動(dòng)量DISV，起前饋?zhàn)饔谩?/p>

3.3其他功能模塊

變頻器的DP通信與控制功能模塊可實(shí)現(xiàn)兩用一備運(yùn)行模式下，3臺(tái)變頻泵的啟停、控制邏輯、頻率設(shè)定與反饋、故障報(bào)警與響應(yīng)以及聯(lián)鎖保護(hù)等。此程序塊在OB1中調(diào)用。

輸入輸出變量量程轉(zhuǎn)換模塊中，在調(diào)用PID功能塊時(shí)，給定值(SP_INT)通過(guò)所指定的地址由內(nèi)部給出。過(guò)程值(PV_INT)是被控量的實(shí)際值，要得到過(guò)程實(shí)際值，首先應(yīng)從外圍設(shè)備(AI模塊)讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量(范圍為0～27 648)，然后將它進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換為過(guò)程值(實(shí)數(shù))。對(duì)于PID功能塊的輸出操作值(實(shí)數(shù))，經(jīng)過(guò)實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)整數(shù)的處理后，通過(guò)DP通信直接發(fā)送給變頻器。此功能塊也在OB1中調(diào)用。

4 工控組態(tài)軟件WinCC的設(shè)計(jì)

創(chuàng)建項(xiàng)目與通信設(shè)置。打開(kāi)WinCC Explorer窗口，創(chuàng)建一個(gè)WinCC單用戶(hù)項(xiàng)目[7]。在變量管理器添加新的驅(qū)動(dòng)程序SIMATIC S7 Protocol，在TCP/IP下，建立名為“CPU315-2DP”的驅(qū)動(dòng)程序連接。設(shè)置IP地址為192.168.100.1，機(jī)架號(hào)0，插槽號(hào)2，這樣就建立了WinCC項(xiàng)目與PLC的連接。

在建立的新驅(qū)動(dòng)連接中創(chuàng)建系統(tǒng)所涉及到的所有過(guò)程變量，需要注意的是，地址屬性對(duì)話框中的地址設(shè)置必須與PLC中的DB塊地址相對(duì)應(yīng)。

磁體冷卻水水溫控制系統(tǒng)的WinCC監(jiān)控畫(huà)面如圖4所示，其中左上是磁體冷卻水循環(huán)界面，左下是實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖界面，右側(cè)是冷凍水循環(huán)界面?？梢愿鶕?jù)趨勢(shì)圖上水溫的變化曲線，設(shè)定并調(diào)整PID參數(shù)；在冷凍水循環(huán)和磁體冷卻循環(huán)界面上，可以監(jiān)測(cè)水泵的運(yùn)行狀態(tài)和儀表參數(shù)。

圖4 WinCC監(jiān)控畫(huà)面

5 系統(tǒng)控制效果

PID參數(shù)整定采用經(jīng)驗(yàn)法，即在經(jīng)驗(yàn)值的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)特征做精確調(diào)整。磁體線圈的升流速度和磁體冷卻循環(huán)水的流速都會(huì)影響PID的控制性能。實(shí)驗(yàn)證明，在相同的磁體熱負(fù)荷變化率下，冷卻水流量較低的磁體回路比例環(huán)節(jié)大、慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)大，所以PID控制器宜采用較小的KP和較大的TI，以符合PID串聯(lián)校正的工程設(shè)計(jì)方法。

圖5為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的磁體冷卻水水溫監(jiān)控曲線，隨著磁體電流的上升，出口水溫越來(lái)越高，入口水溫通過(guò)PID加前饋控制得以保持穩(wěn)定。系統(tǒng)可以在不同磁體上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)精度約±0.2℃、調(diào)節(jié)時(shí)間約3min的控制性能。另外，磁體出口水溫TE432作為擾動(dòng)量起到前饋?zhàn)饔茫钩{(diào)量降低到10%以?xún)?nèi)。

6 結(jié)束語(yǔ)

磁體冷卻水水溫控制系統(tǒng)采用基于S7-300 PLC的PID功能塊，對(duì)磁體入口水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以滿(mǎn)足磁體運(yùn)行的控制要求。該系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，能方便地在線修改參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)磁體冷卻循環(huán)系統(tǒng)工藝流程的控制。通過(guò)設(shè)置不同的PID參數(shù)，可應(yīng)對(duì)不同工況的磁體冷卻回路，獲得較為滿(mǎn)意的動(dòng)靜態(tài)控制效果。前饋控制的加入很好地抑制了大擾動(dòng)給系統(tǒng)造成的影響，當(dāng)磁體出口水溫出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)能夠通過(guò)前饋環(huán)節(jié)快速響應(yīng)，減小出口水溫對(duì)系統(tǒng)造成的影響。該系統(tǒng)的不足之處是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)磁體入口水溫的直接控制，且PID算法是固定的。為了適應(yīng)磁體運(yùn)行工況的變化，在今后的實(shí)踐中可以考慮設(shè)計(jì)一種可在線修改的自適應(yīng)控制或模糊控制算法，以獲得更理想的控制效果。

圖5 磁體冷卻水水溫監(jiān)控曲線

[1] 任俊杰,李永霞,李媛,等.基于PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)PID控制器的實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009,31(4):20～23.

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(Continued from Page 1238)

lyzing their working principles and development, both service conditions and relative merits of these instruments were summarized.

Keywordsinterface measurement, oil-water phase,measurement technology

CoolingWaterTemperatureControlSystemofSteadyHighMagneticFieldFacilitiesBasedonPLC

QIU Wen-jun, OUYANG Zheng-rong

(HighMagneticFieldLaboratory,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China)

A PLC-based control system for cooling water temperature control of steady high magnetic field facilities was introduced, including the system’s structure and software functions and configuration design. Basing on analyzing its mechanism and considering obvious inlet temperature’s overshoot existed in the magnetic facility cooling water, a control strategy with feed-forward-feedback control for magnetic outlet temperature was proposed. Results show that, the system can realize a ±0.2℃ steady accuracy, 3min settling time in various magnetic facilities; and the outlet water temperature TE432 as disturbance variable has feed-forward action which can reduce the overshoot to less than 10%.

temperature control system for magnetic cooling water, inlet water temperature at magnetic facility, feed-forward-feedback control, S7-300 PLC, PID

TH862

A

1000-3932(2016)12-1248-05

2016-07-11(修改稿)