PLC和變頻器的冷媒水壓力控制
發(fā)布日期：2022-10-09 點擊率：45
1 引言
冷媒水是工廠公用工程的基本系統(tǒng)。基于plc和變頻器的冷媒水壓力控制系統(tǒng)具有自動化程度高、高效節(jié)能、安全衛(wèi)生、維護方便等優(yōu)點；采用frofibus總線技術(shù)，擴展性高；上位計算機控制系統(tǒng)具有過程畫面動態(tài)顯示、流程管理及打印等先進功能。
2 系統(tǒng)原理設(shè)計
2.1 系統(tǒng)總體
(1) 目標設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計的目標是在生產(chǎn)崗位冷媒用水需求變化的情況下，使用plc自動控制技術(shù)保持管網(wǎng)供水壓力穩(wěn)定，以達到節(jié)能減排，減低成本的目標。
(2) 方案設(shè)計
每臺冷凍機配有2臺泵，正常運行時其中任一臺運行于調(diào)速狀態(tài)，而另一臺泵備用，也可隨時投入狀態(tài)運行。兩臺泵的運行狀態(tài)的切換采用手動方式，并要求兩臺泵互鎖，不能同時投入運行。為使各泵平均工作時間相同，需要設(shè)置定時換泵功能。設(shè)定定時換泵功能后，當一臺泵連續(xù)工作時間超過設(shè)定值后，且備有泵處于“休息”狀態(tài)，則系統(tǒng)提示換泵，以保證各臺水泵運行時間均等，延長水泵使用壽命。當變頻器發(fā)生故障時，能夠自動轉(zhuǎn)換至工頻繼續(xù)運行，以確保供水不間斷。
(3) 功能設(shè)計
系統(tǒng)具備報警功能、實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲等功能。報警顯示包括越限報警和故障報警。當預置監(jiān)視的模擬量超過所規(guī)定的界限值或開關(guān)量狀態(tài)跳至報警位，即產(chǎn)生越限報警。當預置監(jiān)視的設(shè)備或工藝過程發(fā)生故障，控制系統(tǒng)發(fā)生故障即產(chǎn)生故障報警。一旦發(fā)生報警事件，報警信號上傳上位機，同時接入蜂鳴器進行報警，報警記錄顯示不同的顏色。上位工控機對各水泵的開啟、關(guān)閉或故障等實時狀態(tài)，以及溫度、出口壓力、調(diào)節(jié)閥開度和水泵轉(zhuǎn)速等實時數(shù)據(jù)進行存儲，并可進行快速報表查詢及打印。
2.2 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)設(shè)計包括上位機、就地觸摸屏和下位機三部分。上位機顯示工藝流程顯示圖、參數(shù)成組顯示圖、設(shè)備運行狀態(tài)顯示、動態(tài)顯示冷媒水的溫度、壓力和水泵轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。同時具有高速歷史數(shù)據(jù)的存儲和查詢、報警等功能。就地觸摸屏上也可以動態(tài)的顯示冷媒水的溫度、壓力和水泵轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。下位機plc實現(xiàn)冷媒水自動控制過程。
下位機系統(tǒng)采用西門子s-7 200 plc、abb變頻器、壓力傳感器、溫度傳感器、模擬調(diào)節(jié)閥門及其他控制設(shè)備組成。plc控制部分，因系統(tǒng)有6個模擬量輸入，4個模擬量輸出，需使用擴展單元，所以選用主機為cpu224plc一臺，加上兩臺模擬量輸出模塊em232，再擴展一個模擬量i/o模塊em235。采用em277 frofibus-dp 模塊與上位機進行通訊[1]。該模塊用于接受上位機指令并上傳報警信號。
2.3 控制原理
系統(tǒng)采用兩路pid閉環(huán)控制，根據(jù)壓力表測得的數(shù)據(jù)分別調(diào)整比例閥和水泵轉(zhuǎn)速，保證崗位上冷媒水壓力穩(wěn)定，并使整個系統(tǒng)達到最節(jié)能。
在冷凍機開啟運行時，控制系統(tǒng)控制冷媒水循環(huán)泵按照恒流量，此時水泵轉(zhuǎn)速置為最大，壓力傳感器檢測管網(wǎng)壓力，輸出4-20ma的電流信號到plc。該壓力反饋信號與壓力給定信號經(jīng)模糊pid控制程序計算，輸出控制信號給模擬調(diào)節(jié)閥。當壓力不足時，減小模擬調(diào)節(jié)閥的開度，減少冷媒水回流，從而提高出水壓力；反之則增大模擬調(diào)節(jié)閥開度，增加冷媒水回流，降低出口壓力。當冷凍機停止運行即冷媒水溫度達到設(shè)定溫度時，控制系統(tǒng)自動控制冷媒水泵切換到變流量恒壓。此時模擬調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，壓力反饋信號與壓力給定信號經(jīng)plc內(nèi)部另一路模糊pid控制程序計算，輸出一個轉(zhuǎn)速控制信號給變頻器。當壓力不足時，變頻器增大輸出頻率，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量增加，迫使出口壓力上升。反之水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量減小，出口壓力下降，從而保證冷媒水壓力穩(wěn)定。該系統(tǒng)保持出口壓力穩(wěn)定在0.4mpa，從而保證冷凍機的工作效率。壓力調(diào)節(jié)精度為設(shè)定值的±5%，即±0.02mpa，并能在0.5-2秒內(nèi)變化的壓力恢復正常。
3 冷媒水溫度模糊pid控制器
3.1 模糊pid控制特點
經(jīng)典pid閉環(huán)算法難于實現(xiàn)冷媒水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制收斂。模糊pid控制利用當前的控制偏差，結(jié)合被控過程動態(tài)特性的變化，并針對具體過程的實際經(jīng)驗，根據(jù)一定的控制要求或目標函數(shù)，通過模糊規(guī)則推理確定控制參數(shù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。
模糊控制對數(shù)學模型的依賴性弱，不需要建立過程的精確數(shù)學模型。模糊控制對系統(tǒng)動態(tài)過程有較好的控制作用，但對系統(tǒng)的靜態(tài)誤差無法消除。因此針對模糊控制和pid控制的各自特點，應用pid控制結(jié)合模糊控制的方法實現(xiàn)對系統(tǒng)的階梯分段控制將會取得良好的控制效果。
3.2 模糊pid控制過程
本系統(tǒng)由于用戶用水需求不確定，管網(wǎng)水壓波動較大，數(shù)學模型很難確定，而模糊控制不需要精確的數(shù)學模型，因此壓力控制算法采用模糊pid控制方式[2]-[4]進行設(shè)計。
模糊pid控制以誤差e和誤差變化ec作為輸入，經(jīng)模糊化后用模糊語言描述，利用模糊控制規(guī)則來判斷控制量的真實值, 輸出變量為u，為4～20ma的控制電流。模糊控制器的工作過程可以描述為：首先將模糊控制器的輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量，以供模糊控制邏輯決策系統(tǒng)用,模糊決策器根據(jù)控制規(guī)則決定模糊關(guān)系r，應用模糊邏輯推理算法得出控制器的模糊輸出量,最后經(jīng)精確計算得出控制量控制被控對象。
對壓差e、壓差變化率ec和控制量u的模糊語言變量分別為e、ec和u，其模糊語言變量的模糊語言值均為：{nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb}，表示{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}。一般模糊論域中所含元素個數(shù)為模糊語言詞集的2倍，所以模糊論域為{-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6}。根據(jù)比例因子ke和kec將e和ec模糊化。
其中n=6，管網(wǎng)壓力變化范圍為0. 3～0.5mpa ,而設(shè)定值為0.4 mpa，得出誤差的基本論域e∈[ - 0. 1、0.1]；由經(jīng)驗得知，在正常情況下壓力變化不會超過0.05 mpa/s，故誤差變化量的基本論域ec∈[ - 0. 05、0.05]；因此可得誤差e和誤差的增量ec的比例因子分別為60和120。考慮對論域的覆蓋程度、靈敏度和魯棒性原則，本系統(tǒng)隸屬函數(shù)選擇為三角形隸屬函數(shù)。
模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心，它能夠模擬人的基于模糊概念的推理能力，也就是利用語言歸納手動控制策略的過程。模糊控制的確定，實質(zhì)上是將控制經(jīng)驗加以總結(jié)而得出一條條模糊條件語句。用復合條件語句表示為：if
e=nl andec=nl
then u=nl，從而使系統(tǒng)輸出響應的動態(tài)特性和靜態(tài)特性都達到最佳。本系統(tǒng)中，由于e和ec各有7個語言輸入值,故共有7×7=49條if-then語句，可歸納為模糊控制規(guī)則表，具體如附表所示。
4 結(jié)束語
本文設(shè)計一種基于plc和變頻器的且具有遠程監(jiān)控功能的冷媒水自動控制系統(tǒng)，具有響應快速、準確，操作方便，維護便利，高效節(jié)能等特點。將模糊pid控制器應用于該恒壓控制系統(tǒng)，彌補了傳統(tǒng)pid控制的不足，改善了系統(tǒng)的非線性、大滯后性等特征，提高了系統(tǒng)的魯棒性。
