基于PLC的流量与压力控制系统的研究应用.pdf

自动化 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 3 ． 0 6 ． 0 0 6 基于P L C的流量与压力控制系统的研究应用 吴云飞，冯开平，黎康泰 广东工业大学， 广东广州 5 1 0 0 0 6 摘要提m了在P L C控制的中小型系统中，监测模拟量过程的闭环控制的算法 ；阐述 P L C中P I D指令的控制原 理 、三菱 P L C中P I D的算法；在实际应用中，实现P I D 指令程序对流量、压力模拟量的闭环过程控制的使用，该 控制系统在生产调试中得到较稳定的控制。 关键词三菱P L C；P I D控制 ；闭环控制 中图分类号 T P 2 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 3 0 60 0 2 2 0 3 F l o w a n d P r e s s u r e Co n t r o l S y s t e m Re s e a r c h a n d Ap p l i c a t i o n Ba s e d o n P LC WU Yu n - i ，F E NG Ka i p i n g ， L I K a n g t a i G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s t e x t p u t s f o r w a r d a me t h o d t o r e a l i z e c o n t r o l o f a n a l o g me a s u r a n d i n mo d e r a t e a n d s ma l l c l o s e d- l o o p s y s t e m b y d i g i t i z i n g a d j u s t e r , a n d c l o s e d - l o o p c o n t r o l a l g o r i t h m f o r d e t e c t i o n a n alo g p r o c e s s ． E l a b o r a t e s t h e p r i n c i p l e o f c o n t r o l o f t h e P L C P I D i n s t r u c t i o n ， a n d Mi t s u b i s h i PL C P I D a l g o r i t h m． I n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s ，t h e s y s t e m t o a c h i e v e t h e t h e PI D i n s t r uc t i o n p r o g r a m o n t h e f l o w a n d p r e s s u r e a n a l o g c l o s e d - l o o p p r o c e s s c o n t r o l i s u s e d， t h e c o n t r o l s y s t e m t o o b t a i n a mo r e s t a b l e c o n t r o l i n t h e p r o d u c t i o n d e b u g g i n g ． Ke y wo r dS t Mi t s u b i s h i P LC；PI D c o n t r o l ； c l o s e d l o o p c o n t r o l 0前序 在工业生产控制中 ，尤其是连续性的生产过 程中，常常要采集一些物理量如电量参数 、压 力 、流量 、温度等进行生产 中的分析。拟量模块 通过扩展接 口与P L C 主机相连，一般用电缆连接 在主单元 的右边。使用温度 、压力等传感器和变 送器完成对模拟量的采集输 人。依据控制要求设 计编写 P L C 控制程序 ，再进行联机调试 。 P L C作 为一 种工 业 控制 装 置 ，在科 研 、生 产、社会生活的诸多领域得到了越来越广泛的应 用。大型 的P L C配备过程控制模块可 同时控制几 十路模 拟量 ，但 成本 昂贵。 中小 型 P L C控制系统仅对一路或几路模 拟量 进行闭环 控制 。硬 件上 只需 配备数模及模数转换模块 ，可使 用 P I D编程功能模块 ，只需设定好 P I D参数 ，运 用 P I D控制指令 ，就 能求得输 出控制值 。而厂 家仅提 收稿 日期 2 0 1 21 21 8 供标准 P I D算法，灵活性和适应性相对较差 ，如 根据被控对象 的具体情况不同 ，采用各种 P I D控 制 的变种 ，如积分 分离 P I D 、不完 全微 分 P I D、 P I 、P D等 ，这时用户可根据控制的算法 ，自行设 计梯形图程序川 。 1 P L C模拟量的闭环控制 在工业控制过程 中，不管发生什么干扰 ，导 致输 出值变化后 ，总是想通过其 自调性 回到设定 值对应的输 出控制值上 ，使偏差等于零。 在 图 1 的无静差控制 中看出 ，在控制方法 中 采取 的逐 步累加 累减 的算法 才能达 到无静 图1 无静差控制框架图 吴云飞 等基于P L C的流量与压力控制 系统的研 究应用 工业 自 差 ，累加 的过程就相当于积分环节 ，其积分的量 不因累加 的停止而停止 ，所 以系统仍有输 出口 。 应用最为广泛的调节器控制规律为 比例 、积 分 、微分控制 ，简称 P I D控制 。图2 为本系统 的闭 环控制流程图，在闭环控制中P I D解决了其所需 的本项 目主要 由P L C、变频器 、压力变送器 、电 磁流量计 和水泵等组成。通过 P L C采集流量计与 压力传感器的模拟信号，进行其设定值与检测设 备 的反 馈值 的 比较 ，运用 P I D运算 的调节功 能 ， 通过 整定 好 的参 数输 出控制 信号 ，输入 到变频 器进 而控 制变频 器 的频率 ，最终 达到控 制 电机 的转速 。 图2 系统闭环控制示意图 2 P L C的 P I D控制 就 目前而言 ，在工业控制领域尤其是控制系 统 的底层 ，P I D控制器仍 然是应用最广 泛的工业 控制器 。具有 P I D控制器 的产 品已在工程实际 中 得到 了广泛 的开发与应用 ，有 P I D参数的 自整定 功 能 的智 能调 节器 ，有 利用 P I D控 制实 现 的压 力 、流量 、温度 、液位控制器 ，有能实现 P I D控 制 功能 的可编程 控制器 P L C ，还有 可 以实 现 P I D控制 的P C系统等 。 P I D控制本身也在与 时俱进 ，结合 现代控制 理论 、智能控制理论和其他控制规律的优点 ，出 现了诸多新颖的 P I D控制器 ，如 自校正 P I D、专家 自适 应 P I D，预 估 P I D，模 糊 P I D，神 经 网 络 P I D 、非线性P I D控制器等，使P I D控制应用远远 超过了线性 、非时变的范 围。 下 在模 拟量控制 中，P I D控制 的数学 表达式如 ㈨ 了 1 t r ] 其中 为被控制量；P为比例系数 ； ， 为积 分系数常数 ；D为微分 时间常数 ；U 0 为偏差 为零 时被控制 量 ；e 为偏差 设定值与被控制值 之差 。 P I D控制是 由偏差 、偏差对时 间的积分和偏 差对时间的微分所叠加 而成 。比例控制为偏差与 比例参数 的乘积组成。这是 P I D控制中最基本 的 控制 。图 3 是过渡过程质量指标示意图 ，也是 阶 跃信号干扰作用影响下的过渡过程曲线图。常用 的指标有 上升时 间 t 、过渡 时间 t 、衰减 比凡 、 静差 、震荡周期与次数等。在 P I D控制参数整定 时 ，以能得 到 m m 4 l的衰 减过 渡过程 为最 好 ，这时的P I D控制参数可称为最佳参数 。 图 3 过渡过程质量指标不 意图 比例控制可减少偏差 ，但无法 消除偏差 ，控 制结果会产生余差。积分作用于偏差对时间的积 分以及积分时间有关 。加入积分作用 ，系统波动 加大 ，动态响应慢 ，但却能使系统最终消除余 差 ，使控制精度得到提高。微分输出与偏差对 时 间的微分以及微分时间有关 。它对 比例控制起 补 偿作用，能够抑制超调、减少波动、减少调节时 间 ，使 系统保 持稳定 。P I D控制 系统框 图如 图4 所示 。 图4 P I D控制 系统框 图 自动化 三菱系列 P L C采用的算法 采用数字递推增 量式 P I D控制算法 ，综合 了一 阶惯性 数字滤波 、 不完全微分和微分先行等措施 正动作△ ㈣ k { e k - e k 一 1 而1 e D } e ㈣ P V f K - S V D 丽 I t2【 _ 2 P V f k 1 P V f k P V f k 一 2 } D k 1 其中e k 为本次采样偏差；e 一 1 为 一 个周期前 的偏差 ；S V 为设定值 ；P E k 为滤 波后本次采样测定值 ；PE 一 1 为一个 周期 前 的滤波后的测定值 ；P 一 2 为二个周期前 的滤波后的测定值；△ 为输出变化量；U k 为本次输 出值 ；D k 为本次微分值 ；D 一 1 为一个周期前微分值；k 为比例增益；T 为采样周 期 ； 为积分 时间 ； 为微分时 间 ；仅 为微分增 益 。 3 应 用 本项 目采用 P L C控制器通过触摸屏进行人机 对话操作，可设置各参数的上下限阀值、试验次 数和时间，能 自动或人工控制各部分动作的执 行 ，自动控制为水压可以自动从高压到低压或低 压到高压 自动执行 ，每给检测水压力点能保持稳 定 1 分钟。 系统使用的模拟量输入模块是F X 一 2 A D 。用 模拟量输人模块进行模拟量输入一般都要先把模 拟量通过相应的传感器和变送器变换为标准的电 压 O 1 O V ，一 1 O ～ l O V等 和电流 0 2 O m A ， 4 ～ 2 0 mA才能介入模块通道。P L C 也可采集脉冲 方式输人的模拟量信号 。系统主要采用周期采样 的方式采取流量 、压力两个 电流模拟量 ，系统要 求 以额定的压力情况下 ，监测流量 的参数 ，在开 启 测 试 时 ，启 动时 管 内压力 未 达 到设定 值 时 ， P L C控制变频器 的频率输出 ，进而改变水泵的输 出的转数。在三菱P L C 指令下，使用F R O M和T O 语句读取 出模拟量模块采集的数据 ，进行数据的 量化等处理，采用了三菱P L C中正动作的算法， 与事先设定 的值 比较 ，从而判断 P L C 对变频器的 模拟量输出值的大小。存储器分配如表 1 所示 。 P I D参数设定用 M O V语句对寄存器写人数 值 。根据表 1 的参数设定 ，P I D指令执行部分程序 如图5 所示。 通过本系统调试 ，在恒压0 ． 6 MP a 下对参数 的 几次调整，基本上能找到合适的值，得出理想的 控制效果 。参数的对比如表 2 所示。 表 1 存储器分配表 图5 P I D指令部分程序 经过多次的对 图5 中P I D的参数整定 ，现场调 试后，采用第 rt 次的参数能达到项目要求。得出 表 2 数据 ，利用变频调速器无级调节水压力 ，能 在 0～1 5 L ／ m i n 流量范围内调节 ，最高压强可达到 1 ．5 M P a ，在低压强输出时同样保证流量1 5 L ／ m in ， 最低可达到 0 ． 0 2 MP a 。 4结论 目前 ，该控制系统 已经在 电器厂洗碗机的流 下转第 7 5页