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电动阀智能控制的技术浅议

摘要:随着机电一体化的发展不断升温,以及微电子技术、计算机技术、通信网络技术的迅速发展,电动阀门在工程领域中出现越来越多的问题。这些问题主要以对电动阀门的精准控制、故障检测、工作模式等工作指标的优良性相关。所以相对于现在精准的工程任务的高控制要求,早期的电动阀已无法适应工业现代化的要求。基于TIA博途平台,以西门子S7-1200PLC为主控制器,分别从工艺要求、系统构成、软硬件设计、仿真调试进行分析和说明。介绍了PID算法在PLC控制系统中的具体实现方法,构建对电动阀智能控制系统,最终实现该电动阀的控制过程计算机化、通讯功能数字化、监测操作远程化、故障维修透明化。

关键词:S7-1200PLC;电动阀;PID

PLC以抗干扰、控制能力强的特点为核心快速发展,到现在已经具备高可靠性、使用方便简单、功耗低、体积小等突出的优点,逐渐成长为当代工业控制的支柱[1],在工厂和生活中被大量推广和应用。PLC控制器在流量控制系统中也是很好的选择,本文在电动调节阀控制流量的系统中选用的核心控制器就是PLC。为了解决以往继电器控制电动调节阀的可靠性差、稳定性弱、数据处理能力差、工作环节多等问题,本文对基于西门子S7-1200系列PLC并结合PID算法对电动调节阀的智能控制技术进行研究开发。以PLC控制器结合模拟量扩展模块作为数据转换与控制的核心器件,通过系统各个器件之间数据与信号的传输实现了数据自动采集、阀门开度控制以及对系统启动与停止的控制,提高流量控制的精度与稳定性,并且采用PID算法来实现对于电动调节阀控制流量恒定输出的控制要求。本文的控制系统主要是控制检测管道内水的流量,被控对象为水的流量,控制量为电动调节阀的开度,控制器选用S7-1200PLC,传感变送器选用流量变送器,执行器选用电动调节阀。通过涡轮流量计采集管道出口的水流量,再进行PID运算输出一个信号,然后将输出的模拟量信号送给电动调节阀,来控制阀的开度,从而控制检测水流量大小并使其稳定输出。该控制系统能更好地满足工业生产的需求,实现了实时操作,节约了成本,减少了工作量,提高了控制水平。

1控制方案确定

在设计过程中,选择以S7-1200PLC作为整个控制系统核心用于控制整个生产过程。在实现对系统进行闭环控制和整定前,首先要对其模拟量进行采集。选择流量变送器对流量信号进行采集,将物理信号转化为电流或电压信号,并结合相关模拟量输入输出扩展模块或CPU模拟量输入端口,将模拟量转化为数字量,传输至PLC中进行相关整定和运算。系统中要实现的控制要求是:对电动调节阀支路管道内流量大小的控制有自动调节功能,并且能够稳定输出,实现系统启动、停止的手动和自动的转换,还要有必要的保护措施,例如防止水箱内水满溢出。被控量为电动调节阀支路的流量,流量变送器作为信号采集器将采集的流量信号作为反馈信号,与给定量比较计算差值,将此差值经过控制器运算后,给出数字量控制信号,该信号由D/A模块转换为模拟量信号传送至电动调节阀,再通过电动调节阀内部电机,控制电动调节阀的阀门开度增大或是减小,最终达到控制管道流量恒定输出的目的。系统工艺流程结构图如图1所示:先在储水箱中储存一定水量,然后将阀门F1-1、F1-2全开,手阀F1-3主要作用是防止下水箱满溢,起到保护作用。系统启动运行后,磁力驱动泵开始工作,此时管道有水流通过,涡轮流量计将管道内水的流量信号转换为电流/电压信号,然后以此流量信号与设定的流量信号为基础,进行PID运算,计算出电动调节阀所需要的数字量输入信号,接下来由控制器PLC及其扩展模块给出控制信号,通过电动调节阀内部电机来驱动其阀门开度,最终使管内实际流量与设定值相同且稳定输出。

2控制系统软硬件设计

在本控制系统设计中主要的硬件设备有电动调节阀、流量计、磁力驱动泵、S7-1200PLC及其扩展模块。本系统采用智能直行程电动调节阀来调节其支路管道内水的流量。选择的电动调节阀型号为QSTP-16K,其流量特性为从0~100%任意变化,且配备了PSL智能型直行程电动执行机构[2],该机构的作用是可以自行检测故障并报警,在信号中断或停止时可使阀门保持全开或全关状态,可以满足控制系统需求。它的输出方式为直线行程,阀芯结构为上导向柱塞型单阀芯,法兰按JB79-94标准进行连接。流量计选用涡轮流量计,产品型号为LWA-11,其测量范围为0~1.2m3/h,供电电压为直流24V,输出信号4~20mA,传输方式为两线制。主控制器选用的是西门子公司的S7-1200系列的PLC,该型号是西门子的一款基本型模块化的小型PLC,依靠Profinet接口可实现强大的网络通信功能,同时其可扩展性极高,满足本次设计要求。在S7-1200系列PLC中又具有多个细分类型的CPU,如CPU1215、CPU1212、CPU1214等,供电形式上也不同。经过综合比较,采用CPU1212CDC/DC/DC型号的CPU作为主要控制中心。CPU1212C模拟量接线以及电动调节阀输入/输出接线图如图2所示:本机模拟量输入第一通道地址IW64,第二通道地址IW66。信号板模拟量输出第一通道地址QW80。使用博途软件对系统进行编程调试[3],其系统和时钟寄存器设置界面、模拟量输入输出设置界面如图3所示:系统根据要求对通过电动调节阀的流量进行调节,使其达到设定值且能够稳定不变[4]。过程变量由涡轮流量计提供,涡轮流量计的量程为0~1.2m3/h,输出值是电动调节阀开度,可在允许最大值的0~100%之间变化。由于流量计已知可测最大流量为1.2m3/h,所以在0.0到1.0之间每个单位(0.1)所表示的流量数值为0.12m3/h。在编写程序给目标流量赋初值时,给定值乘以1.2即为实际流量。使用S7-1200系列PLC进行PID调节时,在循环中断组织块(OB块)中调用PID_Compact指令用于进行PID算法调节。PID控制器使用以下公式来计算PID_Compact指令的输出值:y=KP(b•w-x)+1s•TI(w-x)+TD•sa•TD•s+1(c•w-x[])其中,y为输出值,x为过程值,w为设定值,s为拉普拉斯算子,KP为比例增益,a为微分延时系数,TI为积分作用时间,b为比例作用加权,TD为微分作用时间,c为微分作用加权。在调节过程中先进行比例调节,如果选用的比例增益过小,则会导致调整过程过长、力度较小,无法达到要求的状态;若增益太大,则会调节过度,产生振动现象。积分部分用于提高控制精度,需要做的是减小甚至消除比例控制带来的稳态误差。在设置完成后需要对其进行自整定,初步确定PID的参数为积分时间3s,微分时间为0s,采样时间0.3s,增益2.5;然后在上机调试时可以对其进行反复修改,直到输出的反馈值更好。第一步进行调节前的参数设置;第二步对系统进行预调节,从系统上看到过程量与设定量基本重合,则证明预调节完成;第三步对系统进行精确调节,通过输出值的不断变化使过程量和设定量之间的差值保持在较小范围内。在精确调节完成后,在测试时对设定量定期调整,以确保精确调节后参数的准确性。精确调节后的系统曲线如图4所示:程序现场调试与监控如图5所示。整个现场调试与运行大致分为两步:第一步,将编好的程序下载到PLC,监视其上机运行是否能够通过,并分析数据判断是否达到控制要求,在调试之前先将启动按钮I0.0、停止按钮I0.1及磁力驱动泵输出Q0.0接入电路;第二步,程序运行通过后,进行现场设备的连接和监控。通过现场运行监控发现,设备能够满足控制要求。

3结束语

通过启动、停止按钮控制磁力驱动泵的启/停,实现了对电动调节阀的阀门开度以及其支路管道流量的控制;通过硬件和软件的设计以及现场设备调试,实现了电动阀可靠的智能控制。

参考文献

[1]成成,王洪强,李阳,等.基于S7-1200和WinCC的坩埚冷却水循环监控系统[J].真空,2021,58(5):85-88

[2]王海荣.电动执行机构的智能控制研究[D].广州:华南理工大学,2011

[3]康凯,李明.一种智能电动阀控制系统的设计[J].工业控制计算机,2019,32(4):35-37

[4]谭罕.西门子S7-200的PID控制用于流量控制应用[J].液压气动与密封,2015,35(1):62-64

作者:井玉霏 单位:西安石油大学电子工程学院

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