基于PLC的流量與壓力控制系統(tǒng)的研究運(yùn)用

郭玉鳳 張可一

摘? 要：在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，需要收集電量、壓力、流量、溫度等參數(shù)，并對這些參數(shù)分析。將相關(guān)設(shè)備、傳感器通過接口和PLC連接，從而實(shí)現(xiàn)流量和壓力控制。基于此，文章首先提出PLC的概念，進(jìn)而探究基于PLC的流量與壓力控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PLC;流量;壓力;控制系統(tǒng);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）36-0108-02

Abstract： In the automatic production process， it is necessary to collect electricity， pressure， flow， temperature and other parameters， and analyze these parameters. We connect the relevant equipment and sensors through the interface and PLC to achieve flow and pressure control. Based on this， this paper first puts forward the concept of PLC， and then explores the application of flow and pressure control system based on PLC.

Keywords： PLC; flow; pressure; control system; application

引言

隨著我國工業(yè)技術(shù)水平不斷提升，當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)隊(duì)液體流量控制精度也隨之提升。傳統(tǒng)的流量控制由于誤差大、控制精度低、無法實(shí)時(shí)監(jiān)控，無法滿足自動(dòng)化生產(chǎn)要求。而應(yīng)用PLC自動(dòng)化控制技術(shù)，可以進(jìn)一步加強(qiáng)工業(yè)生產(chǎn)的流量控制，再加上當(dāng)今PLC技術(shù)不斷成熟，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，有助于實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化、高精度生產(chǎn)。因此，加強(qiáng)PLC在流量、壓力控制系統(tǒng)中應(yīng)用研究有著重要意義。

1 PLC控制系統(tǒng)與PID系統(tǒng)相關(guān)闡述

1.1 PLC系統(tǒng)

PLC是一種可編程控制器，其核心是微處理器，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一項(xiàng)新技術(shù)。作為微機(jī)技術(shù)的衍生品，PLC不僅邏輯功能強(qiáng)，同時(shí)還具有數(shù)據(jù)傳輸功能、數(shù)據(jù)處理功能。很多工業(yè)生產(chǎn)都是采用水泵控制電機(jī)啟停操作，但是實(shí)際控制精度較低。在傳統(tǒng)繼電器邏輯控制當(dāng)中，多數(shù)都是采用手動(dòng)完成，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，難以處理系統(tǒng)模擬量，再加上電氣結(jié)構(gòu)設(shè)置較為復(fù)雜、可靠性不足、缺乏穩(wěn)定性，不利于檢修和維護(hù)。

現(xiàn)代化PLC設(shè)備具有體積小、性價(jià)比高、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，可以安裝到很多標(biāo)準(zhǔn)尺寸空間內(nèi)。應(yīng)用I/O連接器有助于降低接線成本，可以騰出更多的接線空間。再者，I/O可以擴(kuò)展到256個(gè)點(diǎn)，可以連接4個(gè)以上特殊功能模塊?；赑LC控制流量與壓力的控制系統(tǒng)主要包括控制器、變頻器、傳感器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、接口等部分。

1.2 PID系統(tǒng)

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，應(yīng)用作為廣泛的調(diào)節(jié)器就是以比例、積分、微分的控制系統(tǒng)，也就是PID系統(tǒng)。利用PID運(yùn)算、調(diào)節(jié)功能，可以更好的對參數(shù)輸出信號(hào)整定，輸送到變頻器當(dāng)中，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。如今PID控制器在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，具有PID參數(shù)自整定功能，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，從而對壓力、流量、溫度、液位監(jiān)控。

新時(shí)期下，PID控制器也得到了發(fā)展，結(jié)合控制理論、智能控制理論等優(yōu)勢，也推出了多個(gè)新型的PID控制器，如自矯正PID、專家自適應(yīng)PID、非線性PID等，讓PID控制超出了線性、非時(shí)性范圍。

2 基于PLC的流量與壓力控制系統(tǒng)運(yùn)用

PLC流量與壓力控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，主要是應(yīng)用了PID、比值控制，從而實(shí)現(xiàn)流量與壓力的自動(dòng)化控制，保證控制精度。其主要表現(xiàn)在：

2.1 PID流量與壓力控制

PID是指比例積分微分控制，具有可靠性高、計(jì)算簡單等優(yōu)勢，在工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，適合構(gòu)建精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，提升控制系統(tǒng)的功能。工業(yè)生產(chǎn)中的流量具有非線性、時(shí)變性特點(diǎn)，因此難以構(gòu)建精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，應(yīng)用PID可以有效解決自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)流量與壓力控制問題。

通過應(yīng)用電磁流量計(jì)來實(shí)時(shí)獲取供液流量信息，在整個(gè)信息采集過程中，可以同時(shí)對數(shù)據(jù)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換操作，之后PLC讀入處理后的數(shù)據(jù)，PLC系統(tǒng)將實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)信息和額定流量數(shù)據(jù)（預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)）信息進(jìn)行對比，通過PID運(yùn)算即可得出目標(biāo)控制值，并將控制值進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換之后應(yīng)用到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥可以結(jié)合給定控制值做出相應(yīng)的動(dòng)作，自動(dòng)化調(diào)節(jié)閥門開啟度。整個(gè)操作流程可以劃分為比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)，分別對應(yīng)“P”、“I”、“D”。

（1）比例環(huán)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行誤差可以通過比例形式直接反應(yīng)出來，如果系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生了偏差問題，則會(huì)根據(jù)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制器立刻發(fā)送命令作出動(dòng)作，從而減少系統(tǒng)偏差。

（2）積分環(huán)節(jié)。針對系統(tǒng)的靜誤差主要是在積分環(huán)節(jié)消除或縮小，對系統(tǒng)誤差率進(jìn)行改善。積分環(huán)節(jié)運(yùn)行和積分時(shí)間常數(shù)有著直接關(guān)聯(lián)，積分常數(shù)越大，則積分作用越弱;反之，積分常數(shù)越小，積分作用越強(qiáng)。

（3）微分環(huán)節(jié)。誤差信號(hào)比變化度在微分環(huán)節(jié)中顯示，同時(shí)可以在誤差信號(hào)變大前，在系統(tǒng)中引出一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，縮短整個(gè)調(diào)節(jié)流程的周期。

在實(shí)際應(yīng)用中，要結(jié)合對象實(shí)際情況選定PID參數(shù)，也可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)確定。幅值振蕩系數(shù)通過比例系數(shù)控制，一旦比例系數(shù)增加也會(huì)提升振蕩系數(shù)，通過降低振蕩頻率計(jì)可以有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)間。響應(yīng)速度快慢主要是決定于積分系數(shù)，如果積分系數(shù)增加則會(huì)降低響應(yīng)速度，反之則會(huì)增加相應(yīng)速度;微分系數(shù)可以消除靜態(tài)誤差，通常在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)將靜態(tài)誤差設(shè)置小一些，這樣可以減少對系統(tǒng)干擾。

2.2 流量與壓力比值控制

在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)當(dāng)中，流量與壓力比值控制是指將兩種或兩種以上物料量自動(dòng)按照相關(guān)比例控制系統(tǒng)，也就是比值控制系統(tǒng)。比值控制法可以劃分為開環(huán)比值控制、閉環(huán)比值控制，其中閉環(huán)比值控制還可以劃分為單閉環(huán)、雙閉環(huán)。最簡單的方法就是開環(huán)控制，而單閉環(huán)控制可以有效對開環(huán)系統(tǒng)完善，但該方案也有不足之處，即只有一個(gè)副流量、壓力閉環(huán)控制，缺少主流量閉環(huán)控制。

結(jié)合比值控制原理可知，在流量和壓力閉環(huán)控制中，首個(gè)閉環(huán)控制就是主流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，在完成了主流量設(shè)置之后，借助閉環(huán)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，最大程度上消除擾動(dòng)誤差帶來的影響，這樣即可提高主流量的穩(wěn)定性，維持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，整體上主流量閉環(huán)控制是一種恒值（范圍）控制系統(tǒng)。第二個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)是副流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，副流量輸入量是根據(jù)檢測、變送后流量信號(hào)與比值系數(shù)的乘積。整個(gè)副流量閉環(huán)控制系統(tǒng)主要包括副控制器、變送器、泵變頻器、檢測點(diǎn)等。

3 基于PLC的流量與壓力報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)

報(bào)警系統(tǒng)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括PLC、流量傳感器、壓力傳感器、語音電路、揚(yáng)聲器等。

選擇最新的PLC，確?？梢詽M足項(xiàng)目要求，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際使用要求實(shí)現(xiàn)多個(gè)量擴(kuò)展。流量傳感器采用插入式渦街流量計(jì)，該流量計(jì)具有壓力損失小、量程范圍大，實(shí)際應(yīng)用中受溫度、密度、介質(zhì)粘度、壓力等參數(shù)影響小，甚至可以忽略不計(jì)，可靠性非常強(qiáng)，維護(hù)工作量小。模擬量傳輸距離為1000m、脈沖輸出量為500m，可以直接和PLC接口連接，無需人工編寫程序，可以帶動(dòng)256個(gè)負(fù)載。該儀器可以保證長期穩(wěn)定運(yùn)行，并且適應(yīng)性非常強(qiáng)。選擇高精度壓力傳感器，同時(shí)滿足穩(wěn)定、精度、體積、可靠等要求，并且選擇端面密封形式。高精度壓力傳感器采用了恒流源、恒壓源供電，內(nèi)部采用了標(biāo)準(zhǔn)的螺紋引壓測量方法。在高精度壓力傳感器應(yīng)用中，應(yīng)采用密封的齊平膜片，避免安裝應(yīng)力對產(chǎn)品造成負(fù)面影響，并配置安全柵。采用智能（AI）語音芯片，具有操作靈活、音質(zhì)好、分段多等優(yōu)勢。PWM級別D揚(yáng)聲器放大器，可以直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，具有MIDI電子音樂處理能力，放映操作更加靈活，輸出指示量多，可以采用多個(gè)封裝方法，擴(kuò)展性能較好，工作電壓控制在2.7-3.6V之間，音頻輸出電流在20-120mA之間，適用范圍更廣。

3.2 軟件系統(tǒng)

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)與硬件特性，編寫自動(dòng)控制報(bào)警的系統(tǒng)編寫。在物理量編寫過程中，很多量程序段存在相同部分。為了降低工作量、確保程序更加直觀，針對相同部分程序采取模塊化設(shè)計(jì)方法。根據(jù)物理量相似特性，可以采用子程序?qū)?shù)據(jù)量轉(zhuǎn)化、運(yùn)算程序段進(jìn)行編程。子程序編寫中，要定義符合條件的輸入量、輸出量、中間變量數(shù)據(jù)模型，將相關(guān)的量轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一運(yùn)算的模型，對子程序中的量進(jìn)行加、減、乘、除數(shù)學(xué)運(yùn)算。并在主程序中調(diào)用子程序，并賦予子程序運(yùn)行的額定數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)兩次調(diào)用。

在程序運(yùn)行前要先進(jìn)行初始化設(shè)定，包括流量傳感器管腳定義、壓力傳感器管腳定義、語音系統(tǒng)初始化。在完成初始化操作后，可以設(shè)置流量、壓力參數(shù)，主要包括流量報(bào)警和壓力報(bào)警的上限、下限以及報(bào)警次數(shù)、音量等。在上述內(nèi)容調(diào)整完畢之后，即可正常運(yùn)行控制報(bào)警系統(tǒng)，首先對流量傳感器、壓力傳感器通電，并采集流量和壓力數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為電壓值、電流值，并傳輸給模擬量輸入模塊，最終轉(zhuǎn)化為PLC可以識(shí)別的數(shù)字量，根據(jù)PLC數(shù)值與接口傳輸類型，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)算、對比等操作，從而在PLC可以達(dá)到報(bào)警限值數(shù)字量傳輸給模擬量輸出模塊，輸出模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電流、電壓信號(hào)傳遞給語音模塊，即可實(shí)現(xiàn)語音段尋址功能，生成控制信號(hào)，最后將語音系統(tǒng)中設(shè)定的語音報(bào)警在揚(yáng)聲器中播放出來。

4 結(jié)束語

綜上所述，為了能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，基于PLC編程的PID、比值控制方法在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)應(yīng)用中有著重要意義，不僅能夠有效提升流量控制精度、滿足自動(dòng)化生產(chǎn)要求、保證工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量、降低資源成本、提高生產(chǎn)效率。此外，借助PLC的流量、壓力控制警報(bào)系統(tǒng)，如果流量、壓力運(yùn)行參數(shù)超標(biāo)無法控制，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出語音警報(bào)，從而快速解決系統(tǒng)問題。這樣才能夠充分發(fā)揮PLC的應(yīng)用效果。

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