基于PLC的泵流量控制系統研究

陳明新 唐鈴鳳 胡 建 王玉勤

（1 安徽工程大學，安徽 蕪湖 241000）

（2 巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

隨著現代工業的不斷發展，對泵的流量控制系統的精度要求越來越高。單純的泵的流量系統由于誤差大，控制精度不高，而且不能實時控制泵的流量，需要大量的勞動力，既不能滿足工廠生產的實際需要又浪費了大量的勞動力。因此，對泵的流量控制系統的研究是十分必要的，本文基于PLC對泵的流量控制系統進行研究。利用PLC對泵進行研究已經有不少先例，例如：徐州貝斯特公司運用PLC控制混凝土輸送泵提高了泵的可靠性；文獻[1]介紹了PLC在船舶泵自動控制系統中的應用以及泵控制系統新功能。上述只是對泵的性能以及泵的控制系統新功能進行研究，但是針對PLC在脫硫除塵中泵的流量控制系統的研究目前還沒有涉及，本文結合工廠具體生產實際問題，基于PLC對泵的流量控制系統研究，利用s7-200 PLC中自帶的PID向導生成PID控制程序，運用PID控制面板實現對泵的流量在線監控，同時采用語句表和梯形圖對泵的流量進行控制，不僅提高了泵的流量控制的精度，滿足工廠的實際需要，而且實現了自動化控制，節約了時間和成本，提高了作業效率。

2 PLC的泵流量閉環控制系統方框圖

西門子產品在國內應用較為廣泛，其中s7-200 PLC性價比較高，結構緊湊，在中小型控制系統中占有一定的地位。基于此本文采用s7-200 PLC，PLC的工作方式是循環掃描，在PLC中按照程序的先后順序執行，CPU從第一條語句開始執行，直到程序結束再次返回到第一條語句，如此周而復始的不斷循環[2]。泵的流量控制系統主要由控制器、變頻器﹑電機、泵和流量傳感器組成。圖1是PLC[3]的泵流量閉環控制系統方框圖。

圖1 PLC的泵流量閉環控制系統方框圖

由圖1可知：給定值SPn與經模數（A/D）轉換后的過程變量PVn相比較形成誤差en，通過控制器的處理，經數模轉換器把數字信號轉換為模擬信號輸送給變頻器，改變變頻器的頻率可以改變電機轉速，通過改變電機轉速改變泵的轉速，不僅可以有效的調節泵的流量，還可以提高電機和泵的使用壽命，通過流量傳感器檢測泵的流量，使過程變量與設定值不斷比較，不斷地對泵的流量進行校正控制，這樣可以提高泵的流量控制系統精度。

3 PID在PLC的泵流量閉環控制系統中的應用

在現代工業生產中，泵的流量控制采用PLC編程結合閉環控制系統實現，現在，很多PLC都自帶PID控制功能，例如：S7-200 PID指令。利用PLC中的PID功能可以對泵的流量進行實時控制和自動控制[4]，提高泵的流量控制性能。PID是比例環節、積分環節和微分環節的縮寫。比例控制是一種最簡單的控制，比例環節P的作用是減少誤差，其控制器的輸出與輸入的誤差信號成比例；當積分環節存在時，積分環節I的主要作用是提高系統的抗干擾能力，消除靜態誤差，其控制器的輸出與輸入的誤差信號的積分成正比；當微分環節存在時，微分環節D的主要作用是反映誤差的變化率，提高系統的動態特性，其控制器的輸入與輸出的信號誤差的微分成正比。圖2是PID 控制結構框圖，圖2 中 r（t）是輸入信號，e（t）是系統誤差，u（t）是控制量，c（t）是輸出信號。

圖2 PID控制結構圖

在連續的控制系統中，模擬量是連續變化的，不妨令SPn是給定值，PVn是過程變量，則系統誤差e（t）=SPn-PVn，PID控制的輸出量=比例環節+積分環節+微分環節+初始值，即：

式中：M（t）—輸出值；

Kc—PID的回路增益；

TI—積分時間；

TD—微分時間；

Mi—PID回路的輸出初始值。

在利用PLC與PID控制相結合對泵的流量進行控制時，需要把連續的PID控制轉化為離散的PID控制，設Ts是采樣時間，在t=0時系統開始運行，對式（1）進行離散化，在第n次采樣時PID控制器的輸出是：

式中：Mn—控制器的輸出值；

en—第n次采樣的誤差；

en-1—第n-1次采樣的誤差；

Kc—PID回路的增益；

KI—PID回路的積分系數；

KD—PID回路的微分系數。

式（2）可以簡化為式（3），在每一次計算時，計算上一次的積分項MX和上一次的誤差en-1即可。

PLC結合PID控制的編程，實際上采用的是改進型的PID，其表達式如式（4）所示：

式中：MPn—比例項；

M In—積分項；

M Dn—微分項。

西門子s7-200 PLC中PID的控制依據是根據改進型的PID算法，即式（4）進行編程，能夠實現對被控對象的控制，提高泵的流量控制精度。

4 泵流量控制的實驗驗證

4.1 流量控制的PLC系統接線原理圖

圖3是PLC系統接線原理圖，當通入三相電源時，閉合開關QF1和KM1，變頻器和電機起動，同時接入的三相電源經變壓器處理給CPU226供電，把編寫好的程序下載到CPU226CN中即可實現對泵的流量控制。

圖3 流量控制的PLC系統接線原理圖

由圖3可知：Q0.0控制變頻器的起停；Q0.1控制KM1繼電器的通、斷電；Q0.2控制工作指示燈泡 （HL2）的通斷；Q0.3控制底限報警燈泡（HL3）的通斷；Q0.4 控制高限報警燈泡（HL4）的通斷。

4.2 PLC的I/O分配表

根據PLC編程的理論知識和泵的流量控制系統接線原理圖，編制PLC的輸入/輸出分配表，具體分配如表1所示：

表1 PLC的I/O分配表

4.3 硬件電路連接

在做PLC硬件電路連接時，需要考慮CPU226自帶的24V直流電源是否能滿足實驗的要求。在本次實驗中，用到的模塊如下：（1）CPU22 6CN/AC/DC/RLY，（2）1個 4輸入的 EM231模擬量擴展模塊，（3）1個2輸出的EM232模擬量擴展模塊。該配置有28個輸入端口，18個輸出端口（其中數字量輸入端口24個，數字量輸出端口16個，模擬量輸入端口4個，模擬量輸出端口2個）。在計算電源的定額時，因為CPU226已經給內部線圈分配了所需要的電源。因此，無需計算內部繼電器線圈所需的電源[5]。泵的流量控制的電源定額計算如表2所示：

表2 泵的流量控制的電源定額計算

當有擴展模塊時，CPU226通過I/O總線為擴展模塊提供5VDC，所有擴展模塊之和不能大于CPU226提供的電源定額。CPU226自帶1個2 4VDC，它可以為本機的輸入點、擴展模塊的輸入點等提供24VDC。當超過電源定額時，可以外接1個24VDC給擴展模塊供電。由表2可知：CPU2 26內部的5VDC提供的電流是1000mA，系統要求5VDC的電流是40mA，剩余960mA；CPU226自帶的24VDC提供的電流是400mA，系統要求24VDC的電流是226mA，剩余174mA。均在提供的電流范圍內，故上述模塊的選擇是合理的。

合理確定電路系統接線原理圖、I/O分配表以及計算電源定額滿足系統要求之后，需要根據系統接線原理圖連接硬件電路，并根據現場情況進行調試和安裝，確保硬件電路連接的正確性。泵的流量控制系統PLC的硬件電路連接圖如圖4所示：

圖4 硬件電路連接圖

4.4 程序編寫

為了減少PID程序編寫的難度，V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6軟件自帶有PID向導生成面板，按照操作步驟即可完成對PID程序的編寫。PID控制程序如圖5所示：PV-I對應的是AIW0模擬量輸入信號，Setpion對應的是設定值 （百分比），Output對應的是AQW0模擬量輸出信號。

圖5 PID向導生成的PID程序

在用PID向導生成PID控制程序之后，可以用PID調節控制面板監視PID控制回路，圖6是PID自整定過程的波形圖，當點擊開始自動調節按鈕，開始對PID進行自整定，當自整定結束后，會生成自整定之后對應的相關的PID參數。

圖6 PID自整定過程的波形圖

由圖6可知：在自整定的過程中過程變量不斷逼近設定值，直至達到系統要求，實現對泵的流量的在線自整定。上述是用PID控制面板實現在線監控，達到控制泵的流量的效果。在實際操作中，由于設備干擾和配置原因等可能造成上述方法運用不是很理想。下面是通過基本的編程，實現對變頻器頻率的控制，變頻器頻率的改變可以改變電機的轉速，電機轉速的改變，可以改變泵的轉速，進而改變泵的流量。當模擬量輸入時，需要根據實際情況，轉化為對應的泵的流量，這樣便于觀察，同樣模擬量輸出也可按照模擬量的轉化依據進行轉化。具體轉化公式為：

式中：Ov—轉換結果；

Iv—轉換對象；

Osh—轉換結果高限；

Osl—轉換結果低限；

Ish—轉換對象高限；

Isl—轉換對象的低限。

根據式（5）可以把模擬量輸入轉換成對應的實際的流量，這樣更直觀的觀察實驗現象。根據PLC編程中的語句表和式（5）把模擬量輸入轉化成對應的實際值的程序如下所示[6]：

Network 2

LD SM0.0

-R #Osl：LD10,#Osh：LD6

-I#Isl：LW4,#Input：LW0

ITD #Input：LW0,LD18

DTR LD18,LD22

*R LD22,#Osh：LD6

-I#Isl：LW4,#Ish：LW2

ITD #Ish：LW2,LD18

DTR LD18,LD22

/R LD22,#Osh：LD6

+R #Osl：LD10,#Osh：LD6

MOVR #Osh：LD6,#Output：LD14

根據式（5）把變頻器的頻率轉化成對應的模擬量輸出信號數值，具體的轉化語句表如下所示：

Network 2

LD SM0.0

-I#Osl：LW14,#Osh：LW12

ITD #Osh：LW12,LD18

DTR LD18,LD22

-R #Isl：LD8,#Input：LD0

*R #Input：LD0,LD22

-R #IslD8,#Ish：LD4

/R #Ish：LD4,LD22

ROUND LD22,LD18

DTI LD18,LW26

+I#Osl：LW14,LW26

MOVW LW26,#Output：LW16

上述是對模擬量輸入/輸出的轉換，當模擬量輸入在設定值范圍內時，滿足實際工作要求，當不在設定值范圍時，需要通過比較，自動調節變頻器頻率，使實際流量輸出在設定值范圍內。

圖7 流量下限梯形圖

圖8 流量上限梯形圖

圖7和圖8分別是流量下限梯形圖和流量上限梯形圖[7]。此編程使泵的流量在設定范圍內，通過編程和現場調試，兩種方法均能控制泵的流量在允許的范圍內。達到了控制泵的流量的目的。

5 結論

通過PLC的泵流量閉環控制系統方框圖分析，得出流量控制的 PLC系統接線原理圖，根據系統接線原理圖對硬件進行連接、編程和現場調試。結果表明：基于PLC編程的兩種方法對泵的流量控制是可行的，不僅提高了泵的流量控制的精度，滿足工廠的實際需要，而且實現了自動化控制，節約了時間和成本，提高了生產效率。

[1] 曹京生.PLC在泵自動控制系統中的應用[J].電工技術與自動化，2003，（4）：77-79.

[2] 王曙光，魏秋月，張高記.S7-200PLC應用基礎與實例[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3] 蔡濱，吳祿慎.基于PLC雙閉環控制供水系統的研究[J].計算機與現代化，2010，（2）：124-126.

[4] 廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2002.

[5] S7-200可編程序控制器系統手冊[Z].北京西門子培訓中心，2004.

[6] 苗濤，曹云東.利用 PLC 模擬量控制伺服電機轉速[J].科技信息，2008，（7）：82-82.

[7] 肖麗仙.順序控制設計法在PLC編程中的應用[J].動化技術與應用，2013，（2）：42-45.