基于PLC间通信的高压气流量系统闭环控制.pdf

观 弋 M o d e r n mM a c n 基于 P L C间通信的高压气流量系统 闭环控制 王嘉炜 ， 索双富 ， 孟国营 ， 杨杰。 ( 1 中国矿业大学， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 清华大学摩擦学国家重点实验室， 北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘要 ： 基 于干 气密封 高压 气恒流量供气 系统设计 了一种西 门子 s 73 0 0型 P L C间通信的 闭环控 制方案。主要从 系统组成、 主站与从站的程序编写， 控制 目标的实现等方面进行介绍。为开发相似的工程闭环控制系统提供参考实 例 。 关键词 ： P L C通信闭环控制 高压 气流量 中图分类 号 ： T P 2 7 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 26 8 8 6 ( 2 0 1 6 ) 0 4 0 0 8 8 0 3 The cl o s e d - lo o p co nt r o l o f h ig h - p r e s s ur e g a s s up ply s y s t e m ba s e d on PLC co mm u nica t io n WANG J ia wci，S UO S h u a n g f u，MENG Gu o y i n g，YANG J i e Ab s t r a ct ：I n t h is p a p e r ， we d e s ig n e d a clo s e dlo o p co n t r o l s o lu t io n f o r t h e h ig hp r e s s u r e ，co n s t a n t fl o w g a s s u p p ly s y s t e rn u s in g S ie me n s S 73 0 0 P L C co mmu n ica t io na n d in t r o d u ce d it f r o m t h e a s p e ct s o f s y s t e m co mp o s it io np r o g r a mmin g o f t h e ma in s t a t io n a n d t h e s la v e s t a t io n，a n d t h e r e a liz a t io n o f t h e co n t r o l g o a ls ，e r e T h is s t u d y p r o v id e d a r e f e r e n ce for t h e d e v e l o p m e n t o f s i m i la r p r o j e ct s o f cl o s e dl o o p co n t r o l s y s t e m Ke y wo r d s ： P L C， co mmu n ica t io n， clo s e dlo o p co n t r o l， h ig h p r e s s u r e g a s ， fl o w O 引言 干气密封是在密封两端面之间动环上开设流体 动压槽 ， 开始旋转时， 动压槽把外径侧的高压隔离气 泵入密封端面 ， 这样用气体形成一层滑膜 ， 使密封端 面之间不发生 接触 并达到密封 的效果 J 。目前在 工业现场 ， 仍较广泛地应 用开环式 的供气 系统 J ， 但其 已不能满足工作和系统 的可靠性。高压条件下 的端面密封是一个发展的方 向。高压密封气的稳定 供给 ， 对提高干气密封的可靠性有直接影响。因此 ， 将密封气流量的闭环 反馈引入供 气系统 ， 可 以有效 克服外部干扰 ， 提高密封可靠性。 在高压供气的工业现场， 进气气路的屏风与排气 气路屏风分别独立 ， 自成系统。由于整个系统连接多 条气路 ， 比较复杂 ( 进气气路将高压大流量试验气体 通进实验系统中， 实现供气功能。排气气路将废气或 泄漏气处理排出， 同时监测系统腔内的压力与流量) 。 因此进气气路 和排气气路 两个屏风分别连 接两个 P L C， 用来进行系统参数监测和控制。由于数据分别 8 8 由两个 P L C采集和控制， 因此需要依靠 P L C进行通 讯， 进而对整条气路进行流量闭环控制。 本设计采用当前较为成熟的闭环控制策略 P I D控制 ， 针对高压气恒流量供气系统进行设计 ， 具 有可靠性高、 通用性强等优点。 供气系统引入流量反馈， 通过读取气路的流量监 测信息， 经过控制器处理后 ， 输出阀位信息， 使阀位达 到一定开度 ， 以保持所需的气体流量。以 P I D控制器 为核心， 配合传感器、 阀门进行逻辑控制和闭环反馈， 对控制系统的动态特性进行补偿和校正 ， 再通过将系 统的被控变量反馈到输入端并和参考输入进行 比较 ， 将产生的一个误差信号加到控制器上， 从而改变输 出， 使系统误差减小 ， 达到实现精确控制的 目的_ 3 J 。 1 系统构成 1 1 硬件部分 系统构成如图 1所示 ， 整个 系统主要 由两 台西 门子 S 73 0 0 P L C 、 两 台 C P 3 4 31通信 模块 、 交换 机、 截止阀、 电控气动调压阀、 远传压力表、 温度计和 远传流量计组成。其 中高压气 的输入 、 截止阀、 电控 气动调压阀、 压力表连接在 P L C 1 上， 温度计和流量 计连接在 P L C 2上 ， 2个 P L C通过 交换机与工控机 相连接 ， 在上位机显示 和存储数据 。 一u v 三 r 一 功 电气联动阀门定位器 图 1 流量 系统 图 这里将 P L C 1设 为主站 ， P L C 2作 为从 站 ， 从 站 将流量计数值和温度信号发送给主站， 主站在监测 压力表数据和调节 阀开度 的同时 ， 实现 系统 的控制 操作 、 截止阀的控制 、 电控气动调压阀的开度控制 、 接受从站数据及控制过程的计算 。 在系统 中用节流阀来模拟实际工况下的压力损 失和机械本体 阻力。系统 P L C中的变量 及地 址表 ( 表 1 ， 表 2 ) 。 表 1 P L C I变量及地址表 表 2 P L C 2变量及地址表 1 2软件部分 软件部分主要分 ： 硬件组态 、 通讯设 置 、 模拟量 处理 、 控制程序 、 P I D控制和辅助程序等部分。 硬件组态 ： 分别组态两套 P L C的硬件模块。 通信 ： 对两 P L C建 立以太网连接 ， 分别 设置合 适的在 同一 网段的 I P地址 ， 并进 行设置 和软件编 制 s j 。然后将从站中的流量发送到主站 中， 主站接 收数据 。 模拟量处理： 将各模拟量信号按照其量程进行 自动控制I 2 0 1 6 J Aut oco nt r ol I 第 期 _ _ 转换， 将阀门的电流信号转换为 0 1 0 0 的百分比 形式 。 控制程序部分主要在主站 中编制 ， 实现系统启 停 、 阀门开度的手 自动控制 、 设置 目标流量值并与来 自从站 的流量值进行 比较并基于 P I D模块 的流量闭 环控制 。除此之 外还包括循 环、 异步 中断、 错误处 理、 停机报警等功能块。 2 控制策略 P I D控制是工业 中应用 最广 泛的 闭环 控制策 略， 它根据系统的误差 ， 利用比例、 积分 、 微分计算出 控制量来进行控制 J 。原理如图 2所示。 圈 2 I D 利 原 埋 圈 P I D控制器的传递函数形式为： c ( s ) = ( 1 + 1 + s ) ( 1 ) P I D控制器输入信号与输出信号的关系为： ( ) ： e ( ) + T I f o e ( ) d + f 2 ) 其 中 ( t ) 、 e ( t )为输出和输入 偏差信 ， 为 比例系数； ， 为积分微分时间常数 。 P I D调 节 器 的传 递 函数 为 ： D( S )= = 【 + 去+ 5 ( 3 ) 控制流程图如图 3 。 3 控 制试验 为了实现稳定 的供气 ， 保 证高压气流量的稳 定 ， 对系统 ( = = 图 3 系统 P I D控 制 流程 图 观代衍摘 lM o d e r n M 嫡a c h 唧 进行试验。改变试验入口气体压力和目标输出流量 观察控制效果 。 3 1 系统参数调节 1 ) 设置 P I D参数 ， 确定 比例增益 P、 积分时间常 数 以及微分时 间常数 。对 系统 空载、 带 载联 调， 再对参数进行微调， 直至满足要求。对于气体流 量调节系统 ， 根据经验一般 P取 0 21范 围， 取 4 0 s 1 0 0 s 范围， 不设置 。 2 ) 设置合适 的采样频率。气体 流量系统本身 具有滞后性， 对于本系统又有 P L C间的通信延迟， 如果采样时间太短 ， 前一次调整还没有进行 ， 结果又 发生了变化 ； 采样时间太长则达到稳定时间又太长 。 因此采样时间设置为0 5 S 1 S 较为合适。设定合 适的采样频率对快速 、 准确达到预定 目标具有重要 意义。 3 2 试验结果 首先设定人 口压力 为 6 M P a ， 目标流量为 1 0 0 N L m in ， 观察控制效果。 时间 s 图4 P I D 调节下的流量随时间变化 9 0 图 5 P I D调节下的流量 随时间变化 2 中， 在经过 2 0 S 左右 的波动后 ， 系统输 出跟踪至期 望输 出， 图 5中， 经过 1 8 S 左右 的波动 ， 系统输 出流 量 自动调整至期望输出， 误差在 1 以下。这说明， 系统参数已达到足够 的精度， 实现了系统流量 的闭 环 自动调整控制。从 图 4 、 5中的控制过程看到， 实 验系统的流量闭环控制可以迅速达到期望流量， 能 够满足工程中对恒定流量控制的要求。 4 结论 通过 P L C间的数据通信实现了分离系统的 P I D 闭环控制 ， 通过系统 闭环参数的合理配置 ， 实现了高 压气系统的恒流量控制。本系统通过相关控制阀门 的数据采样周期和增益参数的合理设定调试 ， 实现 的恒流量控制精度和速度达到工程应用要求 。该系 统为工业 中大流量 的闭环 控制提供 了一个实例参 考。 参考文献 杨惠霞，王玉明泵用干气密封技术及应用研究 J 流体机械 ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 2 ) ： 1 4 王树术 ，刘春艳离心压缩机干 气密封损坏原 因分析 J 风机技术 ， 2 0 0 9 ( 0 2 ) ： 7 3 7 4 陈建鑫，杨林娟机械密封技术最新进展 J 南通 职业大学学报 ， 2 0 0 5 ，1 8 ( 4 ) ： 6 0 6 4 漆海霞，张铁民，魏德仙， 等基于 P L C间通信的步 进电机远程 闭环控制 J 微计算机信息，2 0 0 8 ， 2 4 ( 2)： 4 95 0 杨森s 73 0 0系列 P L C间的以太网通信 J 可编 程控 制 器与 工厂 自动化 ( P L C F A) ，2 0 1 5( 5 ) ： 8 1 8 3 吴宏鑫，沈少萍P I D控制的应用与理论依据 J 控 制工程 ， 2 0 0 3