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自动控制系统与装置 皇 里 兰 竺 兰竺 A u t o ma t i c Co n t r o l S y s te ms＆ E qu ip me n t s 基 于 P L C的双 液体 分层控制 系统设计 秦海 瑞 ， 毛亦存 ，郑治 上海市东方海事工程技术有限公司， 上海2 0 0 0 1 1 摘要 介绍 了一种基 于 P L C的双液体分层控制系统 。通过西 门子 C P U 2 2 4 X P可编程 控制器 ， 配以变频器 、 电动 阀和流量计实 现双液 体的分层控制。重点介绍系统的硬件结构设计及系统的控制方法。可促进系统在工业生产中的广泛应用。 关键词 P L C； MM 4 2 0 ； 电动调节阀 ； 流量计 ； 工控机 ； 液位_i 1 ‘ D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 03 8 8 6 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 3 2 [ 中图分类号]T P 2 7 3 ／ 2 7 8 [ 文献标志码 ]A [ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 5 0 2 0 0 9 5 0 2 De s ig n O f a PL C- b a s e d Du a l li q u i d Hie r a c h ic a I Co n t r o l Sy s t e m Q I N Ha i ． r u i ，M A 0 Y i ． c u n ， Z H E N G Z h i S h a n g h a i O r i e n t a l Ma r i t i m e E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 0 0 1 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s a P L C b a s e d d u a l l i q u i d h i e r a c h i c a l c o n t r o l s y s t e m ，r e a l i z e d t h r o u g h S I EME NS C P U 2 2 4 XP P r o g r a mma b l e Lo g i c Co nt r o l l e r i n c o mbi n a t i o n wi t h a e qu e n cy c o n v e e r，a n e l e c t r i c a l l y o pe r a t e d v a l v e a n d a f l o w me t e r ，wi t h e mp h a s i s o n t h e d e s i g n o f t h e h a r d w a r e s t r u c t u r e a s w e l l a s s y s t e m c o n t r o l m e t h o d ． T h i s r e s e a r c h p r o j e c t c a n p r o m o t e w i d e a p p l i c a t i o n o f t h e s y s t e m i n i nd us t r i a l pr o d u c t i o n． Ke y wo r d s P L C，MM4 2 0；e l e c t ri c a l l y o p e r a t e d v a l v e ；fl o w me t e r ；i n d u s t ria l p e r s o n al c o mp u t e r ； c o n t e n t g a u g e 0 引 言 随着化工 、 海工行业的发展， 越来越多的场合需要进行两种 液体的分层控制 ， 本文所述系统涉及的硬件均为工业领域常用的 成熟产品， 两种液体的分层控制方式 分别为 跃变分层和线性 分层 。 l 系统总体概述 整个系统 由上 位机 研 华工 控机 、 可编程 控制 器 P I C C P U 2 2 4 X P 、 变频器 、 水泵 、 电动调节阀、 流量计 、 液位汁 、 液体 A 箱 、 液体 B箱和试验箱组成。分层系统示意图如图 1所示。 图 1 分层 系统示意 图 2 系统 实现 上位机用于人机对话⋯ ； 可编程控制器 P L C为系统控制核 心； 水泵 、 电动调节阀作为系统执行机构 ； 流量计作为信号反馈装 置 ； P L C和上位机之 间采用 MP I 通讯 ， P L C和 变频器 间采用 Mo d 一 定稿 日期 2 0 1 4 0 61 7 b u s 通讯 ， P L C输出 4 m A～2 0 mA信号控制电动调 节阀的开 角， 流量计将测量值转化为4 m A一 2 0 m A信号输出至 P L C 。控制 系统框图如图 2所示 。 图 2 控制系统框 图 2 ． 1 硬件设计 本系统选用的是西门子 C P U 2 2 4 X P， 该 C P U内置 1 4个 D I 和 1 0个 D O， 6个 H S C输入， 2个脉冲输出 1 0 0 k H z ， 2个 A I 和 1 个 A O， 程序存储器 1 2 2 8 8 B， 数据存储器 1 0 2 4 0 B， 2个通讯接 口 R S 4 8 5 。变频器 MM4 2 0供电电压为三相交流 或单相交流 ， 具有现场总线接口选件， 可以用于传送带 ， 材料运输机， 泵类， 风 机和机床 的驱动 一 。 2 ． 2控 制方 法 2 ． 2 ． 1 跃变分层 跃变分层分为两层 ， 一层为液体 A层， 另一层为液体 B层 A 层的浓度大于 B层的浓度 。跃变分层开始时， 首先注液体 B， 将 电动调节阀 B全开， 变频器控制水泵启动， 以一定转速运行 转 速可设定 ， 此时液体 B的瞬时流量为 Q 。 t ， Q 。 t 以 l s 为周 期进行累加得到液体 B的总体积 ， 当液体 B的总体积 等于 E le c t r i c a I Au t o ma t i o n 9 5 电气 自动化 2 0 1 5年第 3 7卷 第 2期 一自动控制 系统与装置 Au t o ma t i c Co n t roI S y s t e ms＆ E q u ip me n 液体 B的体积设定值时， 跃变分层液体 B注人过程结束， 此时关 闭水泵， 然后关闭电动调节阀B 。 跃变分层液体 A注入过程原理同液体 B注入过程。 2 ． 2 ． 2 线性分 层 线性分层过程与跃变分层过程相比较为复杂， 液体的总体积 为 V， 总液体流量设定值为 Q ￡ ， 总液体流量实际值为 Q 。 t ， 液 体 A的流量设定值为 Q t ， 液体 的实际流量值为 Q 。 t ， 液 体 B的流量设定值为 Q t ， 液体 B的实际流量值为 Q t 。 Q J 2 Q f 一Q 2 2 ； Q 2 2 f Q t t ／ V ； Q t ； Q 0 t Q 1 l t Q t 。 。 考虑到液位高度等因素对流量的影响， 从如下几步来实现控 制 见图 3 首先 、 要找到 Q t 与电机转速 R之间的关系。 如果以 Q t 为输入量， 以 Q 。 t 为反馈量 ， 以 R t 为输出量 进行 过程建模 。 图 3 P I D调节原理图 P I D控制器 的输入输出关系为 f K l』 ， d f K o 相应的传递函数为 G s 但在 实际应用 中 Q t 与 Q 。 t 偏 差较 大 ， 无 法 满足技 术 指 标 ， 为此采用如下方法提高控制精度 1 在 0 ～ T时间范围内， 选取若干个时间点， 、 、 ⋯ ， 分别 手动测 出对应 时间点保证 流量为 Q t 时的电机转速 。 2 R 、 R 、 R ⋯R 建立折线关系， 得出转速基础值 t 。 3 进行过程 建模 如图 4所示 。 图 4 线性分层 P I D调节原理图 4 Q t 与 Q t 偏差值经实际测试， 满足技术要求。 其次 、 电动调节阀B开度的控制 按照流量方程 Q t Q t t ／ V ， 算 出液体 B流量设定 值 Q t ， 以流量计 B的输出信号 Q t 为反馈量， 以 Q t 为 输 入量 ， 以电动调节 阀 B开度为输 出量 ， 进行过程建模 。 再次、 电动调节阀A开度的控制 按照流量 方程 Q t Q t 一Q t ， 算出液体 A流量设定 值 Q t ， 以流量计 A的输出信号 Q 。 t 为反馈量 ， 以 Q t 为 输入量 ， 以电动调节阀 A开度为输 出量 ， 进行过程建 模。 9 6 E l e c t r ic a I A u t o ma t io n 当分层时间到或者试验箱内水位达到要求高度后 ， 系统就自 动完成了线性分层过程。 2 ． 3消除随机干扰的措施 2 ． 3 ． 1 硬 件处 理 1 所有模拟量电缆均采用屏蔽双绞线并可靠接地。 2 控制电源经三重滤波。 3 所有模拟量电缆均加装磁环。 2 ． 3 ． 2软件处理 1 平均值法 ， 、 e l 2 八 e 8 n 一 2 几个采样时刻的采样值求平均代替当次的采样值 一 e n e 1 1, 一1 e n一2 e I1 , 一3 ‘ 一 3 将矩形积分改 为梯形积分 窆 c 一 窆 4 四点 中心 差分法 如图 5所示 图 5 中心差分图 n 7 3 5 微分项 - [ e n T - e n 1 】 i 2一 e n一 e ， en 一 1 一 e ．ee ／7 , 一2 ． ee n一3 1 ． 5T 。0． 57 ’ ’0． 5T ’ 1 ． 5T 4 e [ e n 一e n一3 3 e n1 一3 e n一2 ] 本控制系统采用此种措施消除随机干扰。 3 系统运行性能分析 由于篇幅有限， 在这里仅给出线性分层实际运行效果图如图 6所示， 流量调节精确达到 0 ． 0 5 ％。 图 6 线性分层 实际运行效果图 下转 第 1 1 0页
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