基于PLC的多台冷却设备逐级启停控制算法.pdf

基于P L C 的多台冷却设备逐级启停控制算法 St ar t - s t op cont r oI al gor i t hm of m ul t i pl e cool i n g de vi ces 刘长青，李明海，席巍，李军 L l U Ch a n g ． qi n g，L I Mi n g ． h a i ，XI Wei ，L l J u n 北京联合大学 机电学院，北京 1 0 0 0 2 0 摘要文章从提高设备寿命和稳定控制水温的角度 ，提出了一种基于P L C 的多台同类冷却设备逐级启 停的控制算法。该算法精确统计每台冷却设备启动前的累计运行时间和当前运行时间，并在 设备需要启动或停止时进行排序 ，同时记录排序后运行时间所对应的设备编号。根据排序后 的设备编号，可准确实现启动级数增；0 0 8 ，优先启动累计运行时间短的设备，启动级数减少 时，优先停止当前运行时间长的设备。为将温度平稳地控制在设定温度附近，将离散的级数 归一化至连续浮点格式的级数，并应用P ID 算法输出连续控制级数 ， 然后再转变成实际级数， 逐级启／ 停相应编号的冷却设备。本算法成功应用于北京奔驰汽车公司某车间焊接和冲压冷却 水循环系统的1 3 台闭式冷却塔的风机和喷淋泵1 4 级逐级启停控制。 关键词 冷却水循环系统；闭式塔；启停；PID 中图分类号T P 2 7 3 ；T P3 1 1 文献标识码A 文章编号 1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 5 0 2 下 -O l 0 9 -0 2 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． I s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． 0 2 下 ． 3 3 O 引言 在热力发电、金属冶炼、钢铁加工和汽车制造等行 业，许多工序需要冷却水进行降温控制，这类降温控制 通常采用冷却水循环系统实现。冷却水循环系统是指冷 却水换热并经降温 ，再循环使用的给水系统，主要由冷 却设备、水泵、蝶阀和管道组成。目前，许多厂家使用各 类常规仪表和设备对水温、泵机转速等参数变化情况，凭 经验对冷却水循环系统的设备进行人工手动控制。 冷却水循环 系统的人工控制虽然在一 定程度 上达 到了工艺要求，但操作人员需要在现场进行手工操作 ， 工作环境差，工作效率低，尤其是对故障的发现、诊断 及处理费时费力 ，不仅影响生产 ，还存在很多不安全因 素。为了提高工作效率、提高 自动化程度，改善操作人 员的工作环境，降低不安全因素，可使用P L C 实现冷却 水循环系统的 自动控制” q】 。 本文针对奔驰汽车生产线的焊接和冲压工序的冷却 水循环系统的恒温控制提出闭式塔冷却设备的 自 动启停 控制算法。 1 控制方案 在焊接和冲压工序的冷却水循环系统包括 闭式塔、 蝶 阀、水泵机组、变频器和管道等，其结构简图如图1 所示。闭式塔共有1 3 台，每台闭式塔 中都有风机和喷淋 泵两种冷却设备。在闭式塔出口及生产线进 口管道处装 有温度传感器和压力传感器。 冷却水 循环控制系统 主要包括P L C 控制 器主站 、 图 1 冷 却 水 循 环 系统 框 图 从站和上位监控系统 。主站系统采用西 门子 的S 7 。 3 0 0 P L C 实现控制功能，C P U 型号为C P U 3 1 5 ． 2 P N ／ D P ，I ／ O 模块连接水泵机组及蝶 阀等 设备 ；从站系 统使用 西门 子的E T 2 0 0 M，接 口模块为I M1 5 3 ． 1 ，I ／ O 模块连接闭式 塔 中设备等 应用西 门子 的上位监控组态软件wi n C C V 7 ．0 实现过程监控及报警等功能。主站与从站系统使用 P R O B U S D P 网络进行通信 ，主站与上位监控系统使 用P R OF I NE T 网络进行通信。 冷却水循环系统分为就地和远程控制，如果系统处 于远程控制，则系统可由操作人员在Wi n C C上位监控系 统执行 自动启动操作 。在远程 自动启动后，开启水泵机 组，并保持压差在规定的范围内。如果出水温度超过设 定值 ，则根据水温变化逐级启动风机和喷淋泵。启动顺 序分为1 4 级，依次启动1 台风机、2 台风机、2 台风机 ， 直至1 3 台风机全部启动，然后启动1 台喷淋泵、2 台喷淋 泵 、2 台喷淋泵 ，直至1 3 台喷淋泵全部启动 。停止顺序 收稿日期2 0 1 4 - 0 8 2 0 作者简介刘长青 1 9 7 4一 ，女，辽宁庄河人，讲师，博士，研究方向为工业 自动化、机器视觉及图像处理。 第3 7 卷第2 期2 0 1 5 ～ 0 2 下 [ 1 0 9 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 与启动顺序正好相反。到底需要启动几级设备，依据水 温 的变化而定，最终 目的是使 出水温度保持在设定值的 适宜范围内。 在冷却水循环系统中，为了提高闭式塔冷却设备的 使用寿命 ，启动级数增加时，对未启动的设备优先启动 累计运行时间短的设备；启动级数减少时，对正在运行 的设备优先停止当前运行时间长的设备 。因此，控制闭 式塔冷却设备的逐级启停，首先需要实时统计1 3 台风机 和 1 3 台喷淋泵的启动前 的累计运行时间和当前正在运行 的时间。然后根据每台冷却设备的运行时间和出水温度 的变化对风机和喷淋泵进行逐级启停控制。 2 逐级启停控制算法 本文使用S T E P 7 编程软件设计控制算法。本文设计 一 个 用户程序块F B2 0 完成对运行时间的统计 。由于单 个定时器最大定时时间不足3 d x 时，本文利用 定时器指 令实现每2 个小时生成一个脉冲，利用3 2 位浮 点数加法 指令对脉冲进行统计 ，统计的小时数与定时器 当前已定 时的时间相加，从而实现大范 围的运行时间统计。为累 计设备运行时间，算法中记录了设备上一次运行时已运 行的小时数和定时器定时的剩余时间，以便于设备下一 次运行时从该时间点继续累计运行时间。 设计用户程序块F C1 0 ，对F B 2 0 进行2 6 次调用 ，每 次调用使用一个不同的背景数据块，分别对应1 3 台风机 与1 3 台喷淋泵的运行时间统计，然后计算当前运行时间 和启前 累计 运行时间。以1 {f } 闭式塔风机运行时间统 计为例 ，在F C1 0 中程序如 图2 所示。 在 图2 所示的程序中，其中，DB1 5 为1 挣 塔风机运行 时间统计 的背景数据块 ，s t a r t 参数为启动运行 时间统计 的条件 ，t i me r l 参数为使用的定时器 ，h o u r h e a d 参数为 运 行时间的小时数，t i me l e f t 参数为定 时器上一次定 时 的剩余时间，Wo r k t i m e 参数为所统计的设备运行时间。 当l 样 塔风机运行时，其运行时间累计值与启前 累计 运行时间之差 即为风机当前运行时间1 塔风机不运行 时，其运行时间累计值即为风机下一次启前 累计 运 行时间。当前运行时间和启前 累计 运行时间分别依 次存在数据块D B 1 1 1 和D B 1 1 2 中。 由于热交换具有滞后效应，为了使温度维持在恒定 值 的适宜范围内，本文将闭式塔 的0 --1 4 级启停输出归 一 化至0 ～1 0 0 ． 0 范围，使用P I D 控制算法，根据 出水温 度与设定温度之差，实现 闭式塔风机和喷淋泵的逐级启 停控制 ，从而实现出水温度的恒温控制 。 选择变量MD3 6 0 存储归一化启动级数。使用S T E P 7 编 程软件 自带的P I D控制程序块F B 4 1 ，其P V I N参数 输入设定温度 与出水温度之差 ，S P I N T 参数为0 ． 0 ， LM N HL M参数为1 0 0 ．0 ，L MN_ L L M参数为0 ． 0 ，L MN 1 1 1 0 1 第3 7 卷第2 期2 0 1 5 - 0 2 下 序冉 2 Ⅸ l t 塔 ------ I - - - - - - - 一 佩 机 风机当前 时间景计 ． 运行时间存 ．储 ． d a t I l 风机启前 运行时间存 锚 ． d 虹一 图2 风机1 启前运行时间和当前运行时间统计程 序 参数输 出至MD3 6 0 中。根据MD 3 6 0 ，可判断当前启停 需要的级数。 如果该需要级数大于实际级数 ，则根据设备启前 运行时间，保持 已运行设备状态不变，对未运行设备的 启前运行时间进行排序 ，优先启动累计运行时间短的设 备，直至达到需要的级数 。如果该需要级数小于实际级 数 ，则对 已运行设备的当前运行时间排序，优先停止当 前运行时间长的设备 ，直至达到需要的级数。为了准确 判断待启， 停风机和喷淋泵 的闭式塔编 号，在对风机和 喷淋泵的启前运行时间或 当前运行时间进行排序时，同 时也将存在相应 的数据块 中的风机和喷淋泵的编号 初 始顺序 1 ～1 3 按启前运行时间或当前运行时间大小参 与排序，保证排序后的启前或当前运行时间和设备编号 一一 对应，从而可准确启停对应闭式塔编号的风机和喷 淋泵。 3 结论 本文从提高设备寿命的角度，提出了多台冷却设备 逐级启停 的算法 ，实现了循环水的恒温控制。在该算法 中，通过定时器和加法指令进行长定时，实现冷却设备 启前累计运行 时间和当前运行时间的统计；对冷却设备 【 下转第1 2 2 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m