電動閥智能控制的技術(shù)淺議

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摘要：隨著機電一體化的發(fā)展不斷升溫，以及微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信網(wǎng)絡技術(shù)的迅速發(fā)展，電動閥門在工程領(lǐng)域中出現(xiàn)越來越多的問題。這些問題主要以對電動閥門的精準控制、故障檢測、工作模式等工作指標的優(yōu)良性相關(guān)。所以相對于現(xiàn)在精準的工程任務的高控制要求，早期的電動閥已無法適應工業(yè)現(xiàn)代化的要求。基于TIA博途平臺，以西門子S7-1200PLC為主控制器，分別從工藝要求、系統(tǒng)構(gòu)成、軟硬件設(shè)計、仿真調(diào)試進行分析和說明。介紹了PID算法在PLC控制系統(tǒng)中的具體實現(xiàn)方法，構(gòu)建對電動閥智能控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)該電動閥的控制過程計算機化、通訊功能數(shù)字化、監(jiān)測操作遠程化、故障維修透明化。

關(guān)鍵詞：S7-1200PLC；電動閥；PID

PLC以抗干擾、控制能力強的特點為核心快速發(fā)展，到現(xiàn)在已經(jīng)具備高可靠性、使用方便簡單、功耗低、體積小等突出的優(yōu)點，逐漸成長為當代工業(yè)控制的支柱[1]，在工廠和生活中被大量推廣和應用。PLC控制器在流量控制系統(tǒng)中也是很好的選擇，本文在電動調(diào)節(jié)閥控制流量的系統(tǒng)中選用的核心控制器就是PLC。為了解決以往繼電器控制電動調(diào)節(jié)閥的可靠性差、穩(wěn)定性弱、數(shù)據(jù)處理能力差、工作環(huán)節(jié)多等問題，本文對基于西門子S7-1200系列PLC并結(jié)合PID算法對電動調(diào)節(jié)閥的智能控制技術(shù)進行研究開發(fā)。以PLC控制器結(jié)合模擬量擴展模塊作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與控制的核心器件，通過系統(tǒng)各個器件之間數(shù)據(jù)與信號的傳輸實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集、閥門開度控制以及對系統(tǒng)啟動與停止的控制，提高流量控制的精度與穩(wěn)定性，并且采用PID算法來實現(xiàn)對于電動調(diào)節(jié)閥控制流量恒定輸出的控制要求。本文的控制系統(tǒng)主要是控制檢測管道內(nèi)水的流量，被控對象為水的流量，控制量為電動調(diào)節(jié)閥的開度，控制器選用S7-1200PLC，傳感變送器選用流量變送器，執(zhí)行器選用電動調(diào)節(jié)閥。通過渦輪流量計采集管道出口的水流量，再進行PID運算輸出一個信號，然后將輸出的模擬量信號送給電動調(diào)節(jié)閥，來控制閥的開度，從而控制檢測水流量大小并使其穩(wěn)定輸出。該控制系統(tǒng)能更好地滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，實現(xiàn)了實時操作，節(jié)約了成本，減少了工作量，提高了控制水平。

1控制方案確定

在設(shè)計過程中，選擇以S7-1200PLC作為整個控制系統(tǒng)核心用于控制整個生產(chǎn)過程。在實現(xiàn)對系統(tǒng)進行閉環(huán)控制和整定前，首先要對其模擬量進行采集。選擇流量變送器對流量信號進行采集，將物理信號轉(zhuǎn)化為電流或電壓信號，并結(jié)合相關(guān)模擬量輸入輸出擴展模塊或CPU模擬量輸入端口，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，傳輸至PLC中進行相關(guān)整定和運算。系統(tǒng)中要實現(xiàn)的控制要求是：對電動調(diào)節(jié)閥支路管道內(nèi)流量大小的控制有自動調(diào)節(jié)功能，并且能夠穩(wěn)定輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)啟動、停止的手動和自動的轉(zhuǎn)換，還要有必要的保護措施，例如防止水箱內(nèi)水滿溢出。被控量為電動調(diào)節(jié)閥支路的流量，流量變送器作為信號采集器將采集的流量信號作為反饋信號，與給定量比較計算差值，將此差值經(jīng)過控制器運算后，給出數(shù)字量控制信號，該信號由D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬量信號傳送至電動調(diào)節(jié)閥，再通過電動調(diào)節(jié)閥內(nèi)部電機，控制電動調(diào)節(jié)閥的閥門開度增大或是減小，最終達到控制管道流量恒定輸出的目的。系統(tǒng)工藝流程結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：先在儲水箱中儲存一定水量，然后將閥門F1-1、F1-2全開，手閥F1-3主要作用是防止下水箱滿溢，起到保護作用。系統(tǒng)啟動運行后，磁力驅(qū)動泵開始工作，此時管道有水流通過，渦輪流量計將管道內(nèi)水的流量信號轉(zhuǎn)換為電流/電壓信號，然后以此流量信號與設(shè)定的流量信號為基礎(chǔ)，進行PID運算，計算出電動調(diào)節(jié)閥所需要的數(shù)字量輸入信號，接下來由控制器PLC及其擴展模塊給出控制信號，通過電動調(diào)節(jié)閥內(nèi)部電機來驅(qū)動其閥門開度，最終使管內(nèi)實際流量與設(shè)定值相同且穩(wěn)定輸出。

2控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

在本控制系統(tǒng)設(shè)計中主要的硬件設(shè)備有電動調(diào)節(jié)閥、流量計、磁力驅(qū)動泵、S7-1200PLC及其擴展模塊。本系統(tǒng)采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其支路管道內(nèi)水的流量。選擇的電動調(diào)節(jié)閥型號為QSTP-16K，其流量特性為從0～100%任意變化，且配備了PSL智能型直行程電動執(zhí)行機構(gòu)[2]，該機構(gòu)的作用是可以自行檢測故障并報警，在信號中斷或停止時可使閥門保持全開或全關(guān)狀態(tài)，可以滿足控制系統(tǒng)需求。它的輸出方式為直線行程，閥芯結(jié)構(gòu)為上導向柱塞型單閥芯，法蘭按JB79-94標準進行連接。流量計選用渦輪流量計，產(chǎn)品型號為LWA-11，其測量范圍為0～1.2m3/h，供電電壓為直流24V，輸出信號4~20mA，傳輸方式為兩線制。主控制器選用的是西門子公司的S7-1200系列的PLC，該型號是西門子的一款基本型模塊化的小型PLC，依靠Profinet接口可實現(xiàn)強大的網(wǎng)絡通信功能，同時其可擴展性極高，滿足本次設(shè)計要求。在S7-1200系列PLC中又具有多個細分類型的CPU，如CPU1215、CPU1212、CPU1214等，供電形式上也不同。經(jīng)過綜合比較，采用CPU1212CDC/DC/DC型號的CPU作為主要控制中心。CPU1212C模擬量接線以及電動調(diào)節(jié)閥輸入/輸出接線圖如圖2所示：本機模擬量輸入第一通道地址IW64，第二通道地址IW66。信號板模擬量輸出第一通道地址QW80。使用博途軟件對系統(tǒng)進行編程調(diào)試[3]，其系統(tǒng)和時鐘寄存器設(shè)置界面、模擬量輸入輸出設(shè)置界面如圖3所示：系統(tǒng)根據(jù)要求對通過電動調(diào)節(jié)閥的流量進行調(diào)節(jié)，使其達到設(shè)定值且能夠穩(wěn)定不變[4]。過程變量由渦輪流量計提供，渦輪流量計的量程為0～1.2m3/h，輸出值是電動調(diào)節(jié)閥開度，可在允許最大值的0～100%之間變化。由于流量計已知可測最大流量為1.2m3/h，所以在0.0到1.0之間每個單位（0.1）所表示的流量數(shù)值為0.12m3/h。在編寫程序給目標流量賦初值時，給定值乘以1.2即為實際流量。使用S7-1200系列PLC進行PID調(diào)節(jié)時，在循環(huán)中斷組織塊（OB塊）中調(diào)用PID_Compact指令用于進行PID算法調(diào)節(jié)。PID控制器使用以下公式來計算PID_Compact指令的輸出值：y=KP（b•w-x）+1s•TI（w-x）+TD•sa•TD•s+1（c•w-x[]）其中，y為輸出值，x為過程值，w為設(shè)定值，s為拉普拉斯算子，KP為比例增益，a為微分延時系數(shù)，TI為積分作用時間，b為比例作用加權(quán)，TD為微分作用時間，c為微分作用加權(quán)。在調(diào)節(jié)過程中先進行比例調(diào)節(jié)，如果選用的比例增益過小，則會導致調(diào)整過程過長、力度較小，無法達到要求的狀態(tài)；若增益太大，則會調(diào)節(jié)過度，產(chǎn)生振動現(xiàn)象。積分部分用于提高控制精度，需要做的是減小甚至消除比例控制帶來的穩(wěn)態(tài)誤差。在設(shè)置完成后需要對其進行自整定，初步確定PID的參數(shù)為積分時間3s，微分時間為0s，采樣時間0.3s，增益2.5；然后在上機調(diào)試時可以對其進行反復修改，直到輸出的反饋值更好。第一步進行調(diào)節(jié)前的參數(shù)設(shè)置；第二步對系統(tǒng)進行預調(diào)節(jié)，從系統(tǒng)上看到過程量與設(shè)定量基本重合，則證明預調(diào)節(jié)完成；第三步對系統(tǒng)進行精確調(diào)節(jié)，通過輸出值的不斷變化使過程量和設(shè)定量之間的差值保持在較小范圍內(nèi)。在精確調(diào)節(jié)完成后，在測試時對設(shè)定量定期調(diào)整，以確保精確調(diào)節(jié)后參數(shù)的準確性。精確調(diào)節(jié)后的系統(tǒng)曲線如圖4所示：程序現(xiàn)場調(diào)試與監(jiān)控如圖5所示。整個現(xiàn)場調(diào)試與運行大致分為兩步：第一步，將編好的程序下載到PLC，監(jiān)視其上機運行是否能夠通過，并分析數(shù)據(jù)判斷是否達到控制要求，在調(diào)試之前先將啟動按鈕I0.0、停止按鈕I0.1及磁力驅(qū)動泵輸出Q0.0接入電路；第二步，程序運行通過后，進行現(xiàn)場設(shè)備的連接和監(jiān)控。通過現(xiàn)場運行監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，設(shè)備能夠滿足控制要求。

3結(jié)束語

通過啟動、停止按鈕控制磁力驅(qū)動泵的啟/停，實現(xiàn)了對電動調(diào)節(jié)閥的閥門開度以及其支路管道流量的控制；通過硬件和軟件的設(shè)計以及現(xiàn)場設(shè)備調(diào)試，實現(xiàn)了電動閥可靠的智能控制。

參考文獻

［1］成成，王洪強，李陽，等.基于S7-1200和WinCC的坩堝冷卻水循環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.真空，2021，58（5）：85-88

［2］王海榮.電動執(zhí)行機構(gòu)的智能控制研究［D］.廣州：華南理工大學，2011

［3］康凱，李明.一種智能電動閥控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.工業(yè)控制計算機，2019，32（4）：35-37

［4］譚罕.西門子S7-200的PID控制用于流量控制應用［J］.液壓氣動與密封，2015，35（1）：62-64

作者:井玉霏 單位:西安石油大學電子工程學院