一种基于PLC的高压超高压控压系统设计.pdf

第 2 期 总第 1 7 7期 2 0 1 3年 4月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHAN1 CAL ENGI NEERI NG AUT MATI N NO ．2 Apr ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 3 0 2 0 1 4 5 0 3 一 种基于 P L C的高压超高压控压系统设计 李 刚，张冬梅 ，尚春 民，叶仁虎 长春理 工大 学 机 电工程学院 。吉林 长春 1 3 0 0 2 2 摘要 基 于对高压 超高压技术 的研 究。建立 了小容 腔的高压 超高压控压系统 ，并对 系统 的增压部分和控制部 分进 行 了设 计。系统的升压采用二次增压 的方式，在 二次增压 时建立 了小容腔 内气体升压 的数学模型 ，利用 MAT L AB软件仿真后得到 了比较理想 的曲线 ，并进行 了误差分析。 关键词 高压 超高 压；小容腔 ；增压 ；控压系统；P L C 中图分类号 TP 2 7 3 文献标识码 A 0 引言 近年来随着科学技术 的飞速发展 ， 高压超高压技 术 的发展应用也越来越广泛 ， 同时也在不断地由大型 化 向小型化发展 ， 从而促使 了小容腔高压超高压技术 的应用研究 。如在小型轻武器弹膛受压检测过程中， 由于弹膛是 比较小的容腔 ， 对其进行爆破压力 的模拟 就涉及了高压超高压的升压控压技术。为了能够较真 实地模拟爆破的环境 ， 准确地控制升压的压力， 因此 ， 就需要一个 能够 实现对小容积高压超高 压的控 压系 统 。 1 增压 系统 的工 作原 理和 组成 本系统采用隔膜压缩机压缩气体 ， 并采取二级增 压的方式 ， 每级 的最高压缩 比可达 1 51 ， 其最大容积 排量为 1 1 ． 3 1 T I 。 ／ mi n ， 可实现连续的压缩气体 的输 出； 与此同时控制系统通过输入信号和检测元件的反馈数 据之差来综合控制各类元器件 ， 从 而确保了在二次增 压后小容腔内的气体达到所需压力。其最大输出压力 为 1 8 0 MP a ， 压力控制精度≤ - - 0 ． 2 F S 量程 。气 压控制原理 图如图 1所示 ， 其 中， 实线为管路 ， 虚线为 P L C控 制线 。 整个压力控制系统主要 由 3部分组成 ①增压系 统主要 由隔膜 压缩机、 气控 阀、 单 向阀、 减压 阀、 电磁 阀、 流量控制器、 微调气路、 小容腔等组成 ； ②控制系统 主要由压力传感器、 温度传感器 、 P C机、 数据采集器、 P L C控制器、 传输 电缆 等组成； ③辅助元 件主要有高 压管道、 爆破片、 过滤器 、 温度表 、 压力表、 回收气罐等。 2系统压 力控 制原理 在整个压力控制 系统 中， 压力设定值从人机接 口 输入给 P L C控制系统 ， 控制系统综合控制各类元件和 执行机构对小容腔进行充气， 并与压力传感器反馈的 实时气压值进行比较 ， 将二者相减得 出的实时偏差作 为控制器的输人信号。为防止小容腔内的气体压力超 调 ， 采用气体质量流量控制器精确控制充入到小容腔 内的气体 ， 考虑到泄漏 问题 ， 在计算流量时， 应乘以一 个修正系数 A， A 的取值范围为 1 ～2 。 1 一气源 ， 2 一减压阅 ； 3 一单 向阀} 4 一过滤器 ； 5 ， 1 4 一压力表 ； 6 ， 1 3 --电磁阀 } 7 一压力传感 器 } 8 一气控阀 1 9 --隔膜压缩机 ； 1 0 一消音器 ； 1 1 一流量控制器 I 1 2 一爆破片 ， 1 5 --一级气罐 ； 1 6 一温度表 l 1 7 一蓄能器 ； 1 8 一微调气路 ； 1 9 一小容腔 ； 2 O 一温度传感器 ； 2 1 一稳压器 l 2 2 一快速 泄压 阀； 2 3 ， 2 4 一回收气罐 图 1 气压控制原理图 微调气路主要 由两个不同公称直径的双脉冲电磁 阀组成， 大范围调压时 ， 采用双管道工作 ； 小范围调压 时， 采用单管道独立工作的方式 ， 再结合特定 的控制策 略， 这样既达到快速调节的作用 ， 又可以满足较高精度 的压力控制要求 ， 如图 2所示。 另外， 本 系 统 在 二 次增 压 气 路 上 带 有 安 全 装 收稿 日期2 0 1 2 0 9 2 4 }修 回 日期 2 0 1 2 1 0 一 l 1 作 者简介 李 刚 1 9 8 5 一 ，男 ，吉林辽源人 ，在读硕士研究生 ，主要从事精密 、超精密加工 、检测及装备方 向的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 4 6 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 3 年 第 2期 置爆破 片， 可以保证系统在极限的压力和温度下 工作 ， 从而也保证了设备和操作人员的安全。 图 2微 调 气 路 3 系统控 制部 分 的设计 控制系统主要是以 P C机结合 P L C可编程控 制 器 ， 根据输入信号 、 传感器的反馈信号实现对流量控制 器、 隔膜压缩机 、 微调气路和各类阀件 的控制。控制系 统结构框图如图 3所示 ， 主要分为上 、 下两级控制。 图 3控 制 系统 结 构 框 图 上位机采用 P C机 ， 利用 C 结合 MA T L A B来编 写整个控 制系统 的控制程序 。MA T L A B拥 有经 大量优 化后的数学函数的函数库， 同时提供了 对 C 语言的 函数接 口，可以方便地在 C 的集成开发中调用。但 MA T L AB的应用程序接口不是很强大，它只能传输数 值数据 ， 而 c 进行复杂计算的能力差， 因此， 将两者 结合起来协同工作 ， 可提高软件的开发效率 ， 并通过串 口通信完成对 下位机 的指令控制 。下位机采用 P L C 来实现对传感器 的数据采集和各类 阀件的自动控制。 3 ． 1 基 于 C 的 P L C与 P C机 之 间的通 信 本系统采用 自由通信 口模式 ， P L C为 S 7 2 0 0系 列的 C P U2 2 4 X P， 其 自带的通信 口 RS 4 8 5采用半双工 通信 ， 只需两根数据线 TX D和 R XD来发送和接收数 据 ， 采用软件握手的通信方式保持数据的同步传输； 整 个通信 由上位机开始 ， P C机通过 C O M 口发送指令到 P L C的 P OR T0 或 P OR T1 口， P L C通 过 R C V 接 收 指令 ， 然后对指令进行译码 ， 并调用相应 的读／ 写程序 实现指令要求的操作 ， 回馈指令执行的状态信息 。 下位机在通信前， 应将 P L C端通过改写 S MB 3 0或 S M1 3 0来选择通信模式， 设定波特率以及数据长度和校 验位 ； 在通信过程中， 采用专用的数据接收和发送指令， 并利用中断来实现数据的接收和发送之间的转换。 上位机 的软件 部分 利用 C提供 的通信 控 件 MS C o mm， 该控件封装了使用 R S 2 3 2开发串行通信软 件的细节 ， 使用事件驱动方式来解决开发通信软件 中 遇到的问题 。对事件发生的跟踪和处理在通信控件中 用 o n C o mm来实现 ， 其作用包括检测和处理通信错误 以及数据的处理显示等 。 3 ． 2控制 方 法 的选择 本控制系统主要是通过 电磁阀 、 气体质量流量控 制器等元件综合控制气体 的流量和质量， 经隔膜压缩 机二次增压后 ， 利用微调气路实现对小容腔内气体压 力的精确控制 ， 其控制 系统原 理如 图 4所示 。其 中， r 为输入信号 ， ” 、 为数字信号 ， e ， 2 为输入 信号与反馈信号之差， P 、 Y f 为模拟信号， z ￡ 为 输出信号 。 图 4压 力 控 制 原 理 图 压力控制 回路采用模糊 P I D与 P WM 相 结合的 控制方式 ， 模糊 P I D在运行 中， 通过不断检测偏差和 偏差变化率 ， 根据模糊控制原理对 P I D参数进行在线 修改 ， 以满足不 同的要求 ， 从而使被控对象 有 良好 的 动 、 静 态性 能 。而 P WM 利用 占空 比控制 阀门的开 关 ， 且 占空 比的大小可以不 断调整 ， 从而 改变脉冲电磁 的 开关时间。将二者结合 起来 ， 可以实现对微调气路分 阶段的控制 ， 达到对小容腔 内气体压力实时精确调节 的 目的 。 4动态模 型 的建 立与 仿真 假设气体流经节流 口为等熵流动 ， 容腔 内气 体压 力 、 密度分 布 均匀 ， 且 为绝 热容腔 。以小容 腔为研 究对 象建立升压时小容腔内气体压力 的数学模型 警 一 [ 一 器 ] -- b 十 出 V 一 6 V 。 、 。 V 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 C 。 ⋯ 厂 一 Q 一A √2 -- C v p v ／ v。⋯⋯⋯⋯⋯ 2 其中 A 为节流 口的有效面积 ； P为压力 ； T为温度 ； a 、 b为范德瓦尔常数 ； Q 为流量 ； V 为小容腔体 积； 为气体 比体积 ； 为气体 内能； h 。为气体的初始焓 ； C v 为气体定容比容 ； R为气体常数。 运用 MATL AB软件对式 1 的压力动态模型进 行仿真 ， 模 型的主要参数 为 容腔 的体积为 5 1 0 m 。 ，孔 口流通直径为 2 1 0 一 m， 节流 口收缩系数为 0 ． 7 ， 初 始 温 度 为 2 9 8 K， R 为 2 8 7 ． 1 J ／ k gK ， C v 为 7 4 1 J ／ k g K ， “一 1 0 8 ．9 MP a m ／ k g ， b一 1 ． 0 9 m。 ／ k g 。当 目标 压力 分别 为 5 0 MP a和 1 8 0 MP a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 第 2 期 机 械 工 程 与 自 动 化 1 4 7 时的仿真如图 5 、 图 6 所示。 田 生 ＼ t ／ s 图 5 5 0 MP a 仿真图 t ／ s 图 6 1 8 0 MP a 仿真图 由图 5 、 图 6可知 ， 压力随时间逐渐递增 ， 不同压 力所需的时间也不 同。初始阶段小容腔 内气体较少 ， 压力上升较快 ， 当小容腔 内压力达到一定值后 ， 压力随 时间缓慢增加 ， 并逐渐达到平稳 ， 即所需 目标压力。以 上是单纯的对数学模型的仿真 ， 实际 中的充气时间会 比理论时间长一点， 这就需要在具体的实际操作中来 校 正 。 5 结论 本控压系统可 以实现高压超高压气体的压缩和输 出， 利用 MA TL A B软件对小容腔内气体升压的数学模 型仿真后得到的曲线与实际预期 的基本吻合 ， 即初始 时压力快速上升， 之后随时间增长压力逐渐达到平衡 。 在增压过程 中， 采用气体质量流量控制器控制隔膜压 缩机二次增压时输出气体的质量 ， 可防止小容腔 内气 体的超调 ； 在充气过程中采取模糊 P I D结合 P WM 的 控制方式 ， 达到对小容腔内气体压力的准确控制。 参 考文献 [ 1 ] 李娟， 刘鸿飞． 高压气体压力及流量控制系统[ j 1 ． 仪表技 术与传感器 ， 2 0 0 7 5 3 5 3 6 ． [ 2 ] 甘才军． MA TL A B c 应用开发[ M] ． 北京 清华大学出 版社 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 许勇． 计算机控制技术[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ] 王积伟， 章宏甲． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ． 2 0 0 8 ． I s ] 王福生 ， 孟 晓风． 一种气体压 力控制方法及应用 [ J ] ． 测控 技 术 。 2 0 01 ， 2 0 4 2 6 2 8 ， 3 1 ． De s i g n o f Hi g h - - p r e s s u r e a nd Ul t r a hi g h 。 p r e s s u r e Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n PLC LI Ga n g，ZHANG Do ng - me i ，SHANG Ch un - m i n，YE Re n- hu S c h o ol o f Me c h a ni c a l a n d El e c t r i c a l En gi n e e r i n g，Ch a n gc h un Uni v e r s i t y o f S c i e nc e a n d Te c h n o l o g y，Ch a n gc h u n 1 3 0 0 2 2，Ch i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，a h i g h - p r e s s u r e a n d u l t r a h i g h - p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m f o r fl s ma l l c a p a c i t y c a v i t y i s s e t u p，wh i c h i s b a s e d o n t h e s t u d y o n h i g h p r e s s u r e a n d u l t r a h i g h p r e s s u r e t e c h n o l o g y ． An d t h e p r e s s u r i z a t i o n a n d c o n t r o l s e c t i o n o f t h e s y s t e m i s d e s i g n e d ． P r e s s u r i z a t i o n o f t h e s y s t e m i s r e a l i z e d，a n d a ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e s ma l l c a p a c i t y c a v i t y g a s b o o s t i n t h e s e c o n d p r e s s u r i z a t i o n i s e s t a b l i s h e d ．An i d e a l p r e s s u r e c u r v e i s o b t a i n e d b y MATLAB s i mu l a t i o n，a n d t h e e r r o r a n a l y s i s i s c a r r i e d O U t ． Ke y wo r d s h i g h p r e s s u r e a n d u l t r a h i g h p r e s s u r e ；s ma l l c a p a c i t y c a v i t y；p r e s s u r i z a t i o n；c o n t r o l p r e s s u r e s y s t e m；P LC 上 接 第 1 4 4页 De s i g n f o r Au t o ma t i c C o n t r o l S y s t e m o f B l a s t F u r n a c e C o a l I n j e c t i o n MEI Xi a o - l o n g LI ANG Ha Ho n g B AI Qi a o - f e n g S c h o o l of Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g a n d Au t o ma t io n，No r t h Uni v e r s i t y o f Ch i n a ，Ta i y u a n 03 0 05 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t By s t u d i n g t h e b l a s t f u r n a c e c o a l i n j e c t i o n t e c h n o l o g y，t h i s p a p e r d e s i g n e d a n a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n P L C f o r b l a s t f u r n a c e c o a l i n j e c t i o n ． i n c l u d i n g t h e h o s t c o mp u t e r ，P L C a n d f i e l d c o n t r o l e q u i p me n t ．Th e h a r d wa r e s y s t e m o f t h e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m i s b u i l t b y t h e S i e me n s S 7 3 0 0 s e r i e s o f P LC。a n d t h e s o f t wa r e d e s i g n i s c o mp l e t e d b y u s i n g S I MATI C S TEP 7 V5 ． 4 a n d W i n C C． Ke y w o r d s b l a s t f u r n a c e c o a l i n } e c t i o n ； P L C； Wi n C C H 8 4 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m