帶壓力保護的PID流量控制器

摘 要:工業生產中的流量控制一般采用通用的PID控制器，這種方式的缺點是在控制流量的同時無法控制壓力。為了能在控制流量的同時保證壓力在允許的范圍內，設計了一款帶壓力保護的流量控制器。該控制器同時采集流量和壓力信號，當壓力在允許范圍內時，進行正常的流量控制。而當壓力超標時，降低流量，從而降低壓力，以保護設備。詳細闡述了控制器的接口電路，并給出了PID算法和控制策略。

關鍵詞:流量控制器; 壓力保護; PID; 控制策略

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0187-02

PID Flow Controller with Pressure Protection

LAN Ruo-ming

(Shandong Normal University， Ji’nan 250014， China)

Abstract: Since the general PID controller commonly used for the flow control in industrial production is unable to control the pressurer， PID flow controller with pressure protection is designed to control the flow while maintaining the pressure within the permissible range. The controller acquisits both of the flow and pressure signals， and works for the normal flow control when the pressure is within the allowable range， but reduces the flow to thus remit the pressure and protect the equipment when the pressure becomes excessive. The interface circuit of the controller is elaborated. The PID algorithm and control strategy are presented.

Keywords: flow controller; pressure protection; PID; control strategy

收稿日期:2010-03-30

在鋼廠鋼材的穿水淬火處理中，鋼材需要穿過充滿冷卻水的水箱，為了保證淬火效果，水泵以一定的流量向水箱中供給冷卻水，同時淬火后的溫水從出口流出。正常情況下，將流量控制在工藝設定值時，水箱壓力不會超壓，但如果發生水箱出口堵塞等故障，正常的流量控制就會造成水箱壓力超壓，淬火效果也會大大降低。針對這一實際情況，這里設計了一款帶壓力保護的PID流量控制器。該控制器以PIC16F877A單片機為核心[1]，在水箱允許的壓力范圍內對流量進行控制。如果發生管道堵塞等意外情況，則可以自動降低流量，以防止壓力過高而達到保護設備的目的，同時報警停止鋼材淬火處理。

1 控制器組成及功能

控制器的硬件組成如圖1所示。

首先，壓力傳感器將設備壓力送入PIC16F877A單片機，并與設定壓力值進行比較，若設備壓力超過設定壓力則報警，并通過D/A轉換控制變頻器[2]，進而控制水泵降低流量，以降低設備壓力，保護設備。再次，流量控制采用閉環控制，若設備壓力未超過設定壓力，流量計將檢測到的流量送入單片機，與設定值進行比較得出偏差，對此偏差按PID算法進行修正，并通過變頻器控制水泵轉速，實現對流量的控制。本控制器不包含壓力和流量的顯示，顯示由儀器柜上單獨的儀表完成。

圖1 控制器的硬件組成

2 接口電路

2.1 流量檢測電路

本控制器的流量檢測電路如圖2所示[3]。

流量檢測采用的是具有脈沖輸出的電磁流量計，其單位時間內輸出的脈沖數與流量成正比。

圖2 流量信號光電隔離電路

流量計輸出的脈沖信號經過光電隔離后送入PIC16F877A的RC0引腳，RC0引腳是單片機內部計數器1的輸入引腳[4]。通過將計數單位時間內的脈沖數[5]代入換算公式，即可以計算出相應的流量值。

2.2 壓力變換電路

控制器的壓力信號變換電路如圖3所示[6]。電路中的運算放大器采用LM358，它是單電源供電，使用方便。

圖3 壓力信號變換電路

壓力傳感器輸出的是4~20 mA電流信號，經變換電路變換為1~5 V電壓信號，送入PIC單片機的A/D轉換器。

2.3 壓力和流量設定

壓力和流量的設定采用帶刻度的旋鈕式電位器分壓得到，然后送入PIC16F877A的A/D轉換器。

2.4 A/D轉換

PIC16F877A內部包含8路10位A/D轉換器，分別將壓力變換電路的輸出、壓力和流量設定電路的輸出接PIC16F877A的AN0，AN1，AN2引腳，即可完成相應的A/D轉換。

2.5 D/A轉換電路

D/A轉換電路如圖4所示。

D/A轉換電路采用MAX5154芯片。MAX5154 是12 位雙路電壓輸出數據轉換器件， 單端+5 V工作電源，帶有SPI串行外圍接口。

PIC16F877A單片機本身具有SPI接口[7]，可以方便地與MAX5154連接。單片機輸出的串行數字量經MAX5154轉換為1~5 V電壓信號，LM358組成電壓-電流轉換電路，將1~5 V轉換為4~20 mA，進而實現對變頻器控制。

圖4 D/A轉換電路

3 PID控制算法

本控制器是一個閉環控制系統。首先單片機對被控量(流量)進行采樣，并與設定值比較，再經過控制算法算出控制量，以此控制量作為輸出控制變頻器，進而控制水泵實現對流量的控制，控制框圖如圖5所示。

圖5 控制器閉環控制框圖

PID的調節規律按照離散化后的位置式PID 算法近似計算[8]:

ui=KP[Δfi+TTI∑ij=0Δfj+TDT(Δfi-Δfi-1)]+u0

式中:ui為控制量;fi為第i次實際輸出值; T為采樣周期;KP為比例系數;TI為積分時間;TD為微分時間;u0是偏差為零時的控制電壓;Δfi=f0-fi，f0為設定值。為了保證控制精度，采用周期應足夠的小。

4 控制器軟件組成

控制器軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

軟件采用C語言[9]書寫，主要完成壓力保護、流量控制兩大部分功能。其中，壓力保護包括壓力檢測、 壓

力報警和壓力故障復位;流量控制包括流量檢測[10]、PID運算和控制量輸出。控制器的控制策略是，當壓力在設備允許范圍內時，單片機進行正常的流量控制;當壓力超出設備設定壓力時，單片機控制變頻器降低流量，以降低設備壓力并報警，檢修人員排除故障后，進行壓力故障復位，單片機重新開始流量控制。

5 結 語

該控制器采用單片機作為控制核心，運用PID算法，對流量進行連續自動調整，從實際應用來看，精度和可靠性都很高。此外，在控制過程中加入了壓力保護，大大提高了設備運行的安全性。

參考文獻

[1]美國微芯科技有限公司.PIC16F87X數據手冊[M].劉和平，譯.北京:北京航空航天大學出版社，2001.

[2]盧慶林.DAC，ADC電路的仿真實驗研究[J].現代電子技術，2006，29(23):131-133.

[3]張睿，趙艷華，劉志剛.精通Protel DXP 2004電路設計[M].北京:電子工業出版社，2006.

[4]李榮正，劉啟中，陳學軍.PIC單片機原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2006.

[5]閻石.數字電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社，2006.

[6]康華光.電子技術基礎(模擬部分)[M].北京:高等教育出版社，2006.

[7]李海濤，儀維.PIC單片機應用開發典型模塊[M].北京:人民郵電出版社，2007.

[8]陶永華，伊怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應用[M].北京:機械工業出版社，2000.

[9]武鋒，陳新建.PIC單片機C語言開發入門[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.

[10]馬明建.數據采集與處理技術[M].2版.西安:西安交通大學出版社，2005.