基于PLC的SHMFF磁體冷卻水水溫控制系統

仇文君 歐陽崢嶸

(中國科學院強磁場科學中心，合肥 230031)

基于PLC的SHMFF磁體冷卻水水溫控制系統

仇文君 歐陽崢嶸

(中國科學院強磁場科學中心，合肥 230031)

介紹了一種基于PLC的穩態強磁場實驗裝置(SHMFF)磁體冷卻水水溫控制系統。給出系統的硬件構成、軟件功能和組態設計。在分析系統工藝機理的基礎上，針對磁體入口水溫控制超調量較大的問題，提出一種前饋-反饋溫度控制策略。結果表明：系統可以在不同磁體上實現穩態精度約±0.2℃、調節時間約3min的控制性能；磁體出口水溫TE432作為擾動量起到前饋作用，使超調量降到10%以內。

磁體冷卻水水溫控制系統 磁體入口水溫 前饋-反饋控制 S7-300 PLC PID

穩態強磁場實驗裝置(SHMFF)是一個為化學、材料、物理及生命等科學研究和多學科交叉研究提供理想穩態強磁場極端實驗條件的裝置，可最大程度地滿足我國多學科前沿發展對強磁場實驗條件的需求。作為SHMFF技術裝備系統之一的去離子水冷卻系統，通過冷卻后的自來水和磁體冷卻循環水(高純水)換熱，帶走磁體線圈通電運行時釋放的熱量。因此，維持穩定的磁體入口水溫是確保磁體標定參數準確、系統安全穩定運行的重要條件。但由于5臺水冷磁體的最大功率和運行模式不同，產生的熱負荷量及其變化速率也不同，所以采取一種合適的方法對磁體冷卻水水溫進行控制極其重要。

PID控制器是一種應用廣泛的閉環控制器[1]，具有較強的靈活性和適應性，對于無法建立準確數學模型的工業控制對象，使用PID控制器可以得到滿意的控制效果。其控制參數也可以在經驗數據的基礎上，通過被控對象的響應曲線不斷調整，以達到最優。然而，傳統的PID控制器是基于一種假定的一階滯后對象設計的，這種對象很難滿足現場需求，同時實際系統中熱負荷變化大且時延大，傳統的PID控制方法難以取得良好的控制效果[2]，超調量常高達20%～30%。因此，筆者針對磁體入口溫度控制問題，提出一種前饋-反饋控制策略。在對磁體冷卻循環回路工藝機理分析的基礎上，選取磁體出口水溫作為前饋計算模型，以抑制磁體線圈電流上升速率對系統控制產生的影響，最終通過設計PID控制器實現磁體入口水溫的穩定跟蹤控制。

1 工藝機理與溫度控制策略①

1.1 工藝機理

去離子水冷卻系統的單蓄水罐(帶布水器)供冷模式的工藝流程如圖1所示。

圖1 單蓄水罐(帶布水器)供冷模式的工藝流程

蓄水罐的罐體中加裝了可使冷熱水自然分層的布水器，采用夜間蓄冷模式，利用冷水機組制取6℃的冷凍水并存入蓄冷罐中。當磁體實驗時，蓄水罐中的冷凍水由冷凍水泵從罐底抽出，經過板式換熱器換熱后，熱水回到罐頂，經過布水器后，自然分布在冷水上方，冷熱水之間形成約1m高的自然過渡斜溫層，這并不影響斜溫層下冷水的使用。同時，磁體冷卻水由磁體冷卻循環泵輸送到磁體容器處，帶走磁體運行時釋放的熱量，熱水經過板式換熱器和冷凍水換熱后又重新進入磁體進行熱交換。

磁體實驗時，保持磁體入口水溫恒定十分關鍵。若入口水溫過高，對于磁體線圈和高純水的熱對流過程來說，溫差過小必然影響傳熱效果，使磁體線圈溫度升高、局部過熱而燒毀；若入口水溫過低，勢必要消耗較多的冷凍水才能達到較好的效果，但由于蓄水罐容量有限，需盡量節省冷凍水的使用，以延長實驗時間。因此，控制磁體入口水溫直接關系到磁體的運行安全與效率。通過機理分析和經驗總結，將磁體入口水溫控制在10℃。

磁體入口水溫的控制是通過調節冷凍水泵的頻率改變冷凍水流量來實現的。對于板式換熱器來說，當換熱面積和溫差一定時，冷凍水流量越大，帶走的熱量越多，磁體側出口水溫就越低。而磁體側出口水溫直接影響到磁體入口水溫。

1.2原溫度控制策略

為了避免大純滯后過程對系統穩定性的影響[3]，原溫度控制策略選用板式換熱器磁體側出口水溫TIC401作為控制目標，采用常規PID控制，通過調節冷凍水泵的頻率，改變冷凍水流量使控制目標值穩定。根據磁體入口水溫TE430和TIC401的溫差，手動改變TIC401的設定值，來實現TE430的穩定。此種控制策略可以使調節時間不大于4min，穩態精度在±0.3℃，但超調量高達30%。若減少控制器增益，延長微分時間，超調量略微下降，但犧牲了調節時間。

對于換熱器左側的冷凍水來說，在磁體實驗開始前，蓄水罐中保存的是6℃冷凍水，從罐底流出的冷凍水水溫基本是恒定的。隨著實驗的進行，冷熱水斜溫層逐漸下移，冷凍水的出水溫度略有抬升，此時冷凍水流量也會隨之加大。但由于冷凍水出水溫度變化是一個緩慢漸變的過程，所以對整個系統來說不會造成大的擾動。

當磁體線圈通電時，磁體產生的熱負荷是兆瓦級的。不同水冷磁體的最大功率設計值(10～25MW)不同。對于每個磁體來說，在運行時，磁體冷卻循環水的流量值是根據該磁體最大功率和板式換熱器冷熱水最大設計溫差值計算得到的。為了安全起見，該流量值在磁體運行過程中需保持恒定，避免對溫度控制造成干擾。

磁體線圈通電時釋放的熱量對于系統來說是主要擾動，其值體現在磁體出口水溫的變化中。閉環反饋控制系統的特點是當被控過程受到擾動后，必須等到被控變量出現偏差時，控制器才開始動作以補償擾動對被控變量的影響。對照圖1可見，磁體出口水溫的變化需經過時間T才能傳輸到換熱器的入口側，且T值取決于磁體冷卻循環水的流速。在擾動量變換率相等的條件下，T越大，引起的超調就越大。

1.3前饋-反饋溫度控制策略

前饋控制的基本思想是根據過程的擾動量(外界擾動和設定值變化)產生合適的控制作用，使被控量不發生偏差。相對于反饋控制，前饋控制是及時的，因此，對于時延大、擾動大且頻繁的過程有顯著的控制效果[4,5]。

磁體冷卻水水溫控制系統中，由于磁體出口水溫可以實時反映擾動量的變化，且可實現準確測量，所以選取磁體出口水溫TE432作為前饋量，控制回路結構示意圖如圖2所示。經過實驗的不斷測試，當前饋控制模型選取TE432測量值的60%時可以較好地補償擾動的影響。

圖2 磁體冷卻水水溫控制回路結構示意圖

2 基于PLC的PID控制器

基于PLC的PID控制器設計是以連續系統的PID控制規律為基礎，將它數字化寫成離散形式的PID控制方程后[6]，再根據離散方程進行控制程序設計的。典型的基于PLC的PID模擬量閉環控制系統如圖3所示，虛線部分即使用PLC實現的。

圖3 基于PLC的PID模擬量閉環控制系統框圖

PID控制的輸入輸出關系為：

(1)

式中ev(t)——誤差信號，ev(t)=sp(t)-pv(t)；

KP、TI、TD——比例系數、積分時間常數、微分時間常數；

M——積分部分的初始值；

mv(t)——控制器的輸出信號。

式(1)中等號右邊的前3項分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差、誤差積分、誤差微分成正比。

假設采樣周期為Ts，系統開始時刻t=0，用矩形積分近似精確積分，用差分近似精確微分，將式(1)離散化，則第n次采樣時控制器的輸出mv(n)為：

ev(n-1))]+M

(2)

其中，ev(n-1)是第n-1次采樣時的誤差值。

S7-300 PLC為用戶提供了多種PID控制功能塊來實現PID控制，其中系統功能塊SFB41“CONT_C”(連續控制器)中，KP、TI、TD和M分別對應于輸入參數GAIN、TI、TD和積分初值I_ITLVAL。

3 系統硬件與軟件功能

3.1系統硬件

磁體冷卻水水溫控制系統是一個典型的閉環溫度控制系統，執行機構是冷凍水的變頻泵，控制對象是磁體冷卻循環水，控制目標是磁體板式換熱器出口溫度TIC401，測溫元件是Pt100一體化溫度變送器，PID調節器、A/D和D/A轉換器用S7-300 PLC實現。水溫值由Pt100一體化溫度變送器測量并轉換成4～20mA電流信號，然后通過模擬量輸入模塊采集到PLC中。PLC與變頻器之間通過Profibus-DP總線通信，上位機中安裝了STEP7 V5.5編程軟件和WinCC V7.0組態軟件，通過工業以太網與PLC通信。

3.2PID程序

S7-300 PLC為用戶提供了PID控制功能塊SFB41。該功能塊以式(2)為理論依據，通過系統過程值PV_INT與設定值SP_INT得到有效偏差，再對偏差進行PID運算，格式處理后最終得到輸出量LMN。啟動時，在執行的組織塊OB1中和在定時循環OB35中調用FB41，調用時應指定相應的背景數據塊。其中用STL形式編寫的部分程序如下：

A "FCData".CHP2_2UOR3U.Start//置1，啟動PID

JNB_010

CALL "CONT_C","CHP2_2UOR3UDB_PID"http://調用PID功能塊

COM_RST:=FALSE

MAN_ON:=FALSE

PVPER_ON:=FALSE

P_SEL:=TRUE

I_SEL:=TRUE

D_SEL:=TRUE

CYCLE:=T#100MS//設定采樣時間

SP_INT:="PID_Set".CHP2_2UOR3U_PID.Setpoint//設定值

PV_IN:="Inputs".TIC401.Value//系統過程值

GAIN:="PID_Set".CHP2_2UOR3U_PID.P_Input//比例設定值

TI:="PID_Set".CHP2_2UOR3U_PID.I_Input//積分設定值

TD:="PID_Set".CHP2_2UOR3U_PID.D_Input//微分設定值

LMN_HLM:=4.900000e+001//輸出值頻率上限

LMN_LLM:=6.000000e+000//輸出值頻率下限

DISV:="TE432 percent".TE432_percent//前饋值

LMN:=#TEMP_PID_OUT//輸出值為頻率值

該PID程序中，設定值、采樣時間與3個PID參數值需要自行設定。另外，程序中還設定了以磁體出口水溫TE432作為擾動量DISV，起前饋作用。

3.3其他功能模塊

變頻器的DP通信與控制功能模塊可實現兩用一備運行模式下，3臺變頻泵的啟停、控制邏輯、頻率設定與反饋、故障報警與響應以及聯鎖保護等。此程序塊在OB1中調用。

輸入輸出變量量程轉換模塊中，在調用PID功能塊時，給定值(SP_INT)通過所指定的地址由內部給出。過程值(PV_INT)是被控量的實際值，要得到過程實際值，首先應從外圍設備(AI模塊)讀取A/D轉換后的數字量(范圍為0～27 648)，然后將它進行處理并轉換為過程值(實數)。對于PID功能塊的輸出操作值(實數)，經過實數轉整數的處理后，通過DP通信直接發送給變頻器。此功能塊也在OB1中調用。

4 工控組態軟件WinCC的設計

創建項目與通信設置。打開WinCC Explorer窗口，創建一個WinCC單用戶項目[7]。在變量管理器添加新的驅動程序SIMATIC S7 Protocol，在TCP/IP下，建立名為“CPU315-2DP”的驅動程序連接。設置IP地址為192.168.100.1，機架號0，插槽號2，這樣就建立了WinCC項目與PLC的連接。

在建立的新驅動連接中創建系統所涉及到的所有過程變量，需要注意的是，地址屬性對話框中的地址設置必須與PLC中的DB塊地址相對應。

磁體冷卻水水溫控制系統的WinCC監控畫面如圖4所示，其中左上是磁體冷卻水循環界面，左下是實時趨勢圖界面，右側是冷凍水循環界面。可以根據趨勢圖上水溫的變化曲線，設定并調整PID參數；在冷凍水循環和磁體冷卻循環界面上，可以監測水泵的運行狀態和儀表參數。

圖4 WinCC監控畫面

5 系統控制效果

PID參數整定采用經驗法，即在經驗值的基礎上，根據系統特征做精確調整。磁體線圈的升流速度和磁體冷卻循環水的流速都會影響PID的控制性能。實驗證明，在相同的磁體熱負荷變化率下，冷卻水流量較低的磁體回路比例環節大、慣性環節時間常數大，所以PID控制器宜采用較小的KP和較大的TI，以符合PID串聯校正的工程設計方法。

圖5為系統實際運行時的磁體冷卻水水溫監控曲線，隨著磁體電流的上升，出口水溫越來越高，入口水溫通過PID加前饋控制得以保持穩定。系統可以在不同磁體上實現穩態精度約±0.2℃、調節時間約3min的控制性能。另外，磁體出口水溫TE432作為擾動量起到前饋作用，使超調量降低到10%以內。

6 結束語

磁體冷卻水水溫控制系統采用基于S7-300 PLC的PID功能塊，對磁體入口水溫進行實時控制，以滿足磁體運行的控制要求。該系統具有良好的人機界面，能方便地在線修改參數，可以實現對整個磁體冷卻循環系統工藝流程的控制。通過設置不同的PID參數，可應對不同工況的磁體冷卻回路，獲得較為滿意的動靜態控制效果。前饋控制的加入很好地抑制了大擾動給系統造成的影響，當磁體出口水溫出現波動時，控制系統能夠通過前饋環節快速響應，減小出口水溫對系統造成的影響。該系統的不足之處是沒有實現磁體入口水溫的直接控制，且PID算法是固定的。為了適應磁體運行工況的變化，在今后的實踐中可以考慮設計一種可在線修改的自適應控制或模糊控制算法，以獲得更理想的控制效果。

圖5 磁體冷卻水水溫監控曲線

[1] 任俊杰,李永霞,李媛,等.基于PLC的閉環控制系統PID控制器的實現[J].制造業自動化,2009,31(4):20～23.

[2] Gungor A,Eskin N.Two-dimensional Coal Combustion Modeling of CFB[J].International Journal of Thermal Sciences, 2008,47(2):157～174.

[3] 呂群,于標.大純滯后系統的一種PID預估控制方法[J].武漢職業技術學院學報,2007,6(5):87～90.

[4] 馬良玉,閻秦,王兵樹,等.過熱汽溫內模自適應控制方案設計及仿真[J].微計算機信息,2007,23(10):32～33.

[5] 陳以,楊啟偉.模糊Smith智能溫度控制器的設計與仿真[J].控制工程,2007,14(4):422～425.

[6] 廖常初.S7-300/400 PLC應用教程[M].北京:機械工業出版社,2009.

[7] 蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

(Continued from Page 1238)

lyzing their working principles and development, both service conditions and relative merits of these instruments were summarized.

Keywordsinterface measurement, oil-water phase,measurement technology

CoolingWaterTemperatureControlSystemofSteadyHighMagneticFieldFacilitiesBasedonPLC

QIU Wen-jun, OUYANG Zheng-rong

(HighMagneticFieldLaboratory,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China)

A PLC-based control system for cooling water temperature control of steady high magnetic field facilities was introduced, including the system’s structure and software functions and configuration design. Basing on analyzing its mechanism and considering obvious inlet temperature’s overshoot existed in the magnetic facility cooling water, a control strategy with feed-forward-feedback control for magnetic outlet temperature was proposed. Results show that, the system can realize a ±0.2℃ steady accuracy, 3min settling time in various magnetic facilities; and the outlet water temperature TE432 as disturbance variable has feed-forward action which can reduce the overshoot to less than 10%.

temperature control system for magnetic cooling water, inlet water temperature at magnetic facility, feed-forward-feedback control, S7-300 PLC, PID

TH862

A

1000-3932(2016)12-1248-05

2016-07-11(修改稿)