基于PLC的流量與壓力控制系統的研究應用

吳云飛，馮開平，黎康泰

（廣東工業大學，廣東廣州 510006）

0 前序

在工業生產控制中，尤其是連續性的生產過程中，常常要采集一些物理量如電量參數、壓力、流量、溫度等進行生產中的分析。擬量模塊通過擴展接口與PLC 主機相連，一般用電纜連接在主單元的右邊。使用溫度、壓力等傳感器和變送器完成對模擬量的采集輸人。依據控制要求設計編寫PLC控制程序，再進行聯機調試。

PLC 作為一種工業控制裝置，在科研、生產、社會生活的諸多領域得到了越來越廣泛的應用。大型的PLC 配備過程控制模塊可同時控制幾十路模擬量，但成本昂貴。中小型PLC控制系統僅對一路或幾路模擬量進行閉環控制。硬件上只需配備數模及模數轉換模塊，可使用PID編程功能模塊，只需設定好PID 參數，運用PID 控制指令，就能求得輸出控制值。而廠家僅提供標準PID 算法，靈活性和適應性相對較差，如根據被控對象的具體情況不同，采用各種PID 控制的變種，如積分分離PID 、不完全微分PID、PI、PD等，這時用戶可根據控制的算法，自行設計梯形圖程序[1]。

1 PLC模擬量的閉環控制

在工業控制過程中，不管發生什么干擾，導致輸出值變化后，總是想通過其自調性回到設定值對應的輸出控制值上，使偏差等于零。

圖1 無靜差控制框架圖[2]

在圖1 的無靜差控制中看出，在控制方法中采取的逐步累加（累減）的算法才能達到無靜差，累加的過程就相當于積分環節，其積分的量不因累加的停止而停止，所以系統仍有輸出[2]。

應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。圖2為本系統的閉環控制流程圖，在閉環控制中PID 解決了其所需的本項目主要由PLC、變頻器、壓力變送器、電磁流量計和水泵等組成。通過PLC 采集流量計與壓力傳感器的模擬信號，進行其設定值與檢測設備的反饋值的比較，運用PID 運算的調節功能，通過整定好的參數輸出控制信號，輸入到變頻器進而控制變頻器的頻率，最終達到控制電機的轉速。

圖2 系統閉環控制示意圖

2 PLC的PID控制

就目前而言，在工業控制領域尤其是控制系統的底層，PID 控制器仍然是應用最廣泛的工業控制器。具有PID 控制器的產品已在工程實際中得到了廣泛的開發與應用，有PID 參數的自整定功能的智能調節器，有利用PID 控制實現的壓力、流量、溫度、液位控制器，有能實現PID 控制功能的可編程控制器（PLC），還有可以實現PID控制的PC系統等。

PID 控制本身也在與時俱進，結合現代控制理論、智能控制理論和其他控制規律的優點，出現了諸多新穎的PID控制器，如自校正PID、專家自適應PID，預估PID，模糊PID，神經網絡PID、非線性PID控制器等，使PID控制應用遠遠超過了線性、非時變的范圍。

在模擬量控制中，PID 控制的數學表達式如下：

其中：U 為被控制量；P 為比例系數；I 為積分系數常數；D 為微分時間常數；U（0）為偏差為零時被控制量；e 為偏差（設定值與被控制值之差）。

PID 控制是由偏差、偏差對時間的積分和偏差對時間的微分所疊加而成。比例控制為偏差與比例參數的乘積組成。這是PID 控制中最基本的控制。圖3 是過渡過程質量指標示意圖，也是階躍信號干擾作用影響下的過渡過程曲線圖。常用的指標有：上升時間tr、過渡時間ts、衰減比n、靜差、震蕩周期與次數等。在PID 控制參數整定時，以能得到m1∶m2=4∶1 的衰減過渡過程為最好，這時的PID控制參數可稱為最佳參數。

圖3 過渡過程質量指標示意圖

比例控制可減少偏差，但無法消除偏差，控制結果會產生余差。積分作用于偏差對時間的積分以及積分時間有關。加入積分作用，系統波動加大，動態響應慢，但卻能使系統最終消除余差，使控制精度得到提高。微分輸出與偏差對時間的微分以及微分時間有關。它對比例控制起補償作用，能夠抑制超調、減少波動、減少調節時間，使系統保持穩定。PID 控制系統框圖如圖4所示。

圖4 PID控制系統框圖

三菱系列PLC 采用的算法（采用數字遞推增量式PID 控制算法，綜合了一階慣性數字濾波、不完全微分和微分先行等措施）[2]：

其中：e（k）為本次采樣偏差；e（k-1）為一個周期前的偏差；SV為設定值；PVf（k）為濾波后本次采樣測定值；PVf（k-1）為一個周期前的濾波后的測定值；PVf（k-2）為二個周期前的濾波后的測定值；ΔU 為輸出變化量；U（k）為本次輸出值；D（k）為本次微分值；D（k-1）為一個周期前微分值；k為比例增益；T為采樣周期；Ti為積分時間；Td為微分時間；αd為微分增益。

3 應用

本項目采用PLC 控制器通過觸摸屏進行人機對話操作，可設置各參數的上下限閥值、試驗次數和時間，能自動或人工控制各部分動作的執行，自動控制為水壓可以自動從高壓到低壓或低壓到高壓自動執行，每給檢測水壓力點能保持穩定1分鐘。

系統使用的模擬量輸入模塊是FX2n-2AD。用模擬量輸入模塊進行模擬量輸入一般都要先把模擬量通過相應的傳感器和變送器變換為標準的電壓（0～10 V，-10～10 V 等）和電流（0～20 mA，4～20 mA）才能介入模塊通道。PLC也可采集脈沖方式輸入的模擬量信號。系統主要采用周期采樣的方式采取流量、壓力兩個電流模擬量，系統要求以額定的壓力情況下，監測流量的參數，在開啟測試時，啟動時管內壓力未達到設定值時，PLC 控制變頻器的頻率輸出，進而改變水泵的輸出的轉數。在三菱PLC指令下，使用FROM和TO語句讀取出模擬量模塊采集的數據，進行數據的量化等處理，采用了三菱PLC 中正動作的算法，與事先設定的值比較，從而判斷PLC 對變頻器的模擬量輸出值的大小。存儲器分配如表1所示[3-4]。

PID 參數設定用MOV 語句對寄存器寫入數值。根據表1的參數設定，PID指令執行部分程序如圖5所示。

通過本系統調試，在恒壓0.6 MPa下對參數的幾次調整，基本上能找到合適的值，得出理想的控制效果[7-8]。參數的對比如表2所示。

表1 存儲器分配表

圖5 PID指令部分程序[5-6]

經過多次的對圖5中PID的參數整定，現場調試后，采用第n 次的參數能達到項目要求。得出表2 數據，利用變頻調速器無級調節水壓力，能在0～15 L/min 流量范圍內調節，最高壓強可達到1.5 MPa，在低壓強輸出時同樣保證流量15 L/min，最低可達到0.02 MPa。

4 結論

目前，該控制系統已經在電器廠洗碗機的流量、壓力特性測試機控制中得到了成功應用，現場運行效果良好。因此，利用PLC 實現的電機速度閉環控制，不僅可以獲得與工控機相當的控制精度，而且還可以獲得較工控機更高的可靠性和更強的抗干擾能力，值得大力推廣應用。

表2 參數對比表

［1］任俊杰，李永霞，李媛.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（4）：1-4.

［2］李金城.PLC 模擬量與通信控制應用實踐［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［3］姚福強，高正中，姚福安.基于PLC 和變頻器串行通訊的變頻恒壓供水系統［J］.微計算機信息，2004（8）：2-4.

［4］張文慶.PID 算法在PLC 模擬量閉環控制中的實現［J］.信息技術，2003（1）：1-3.

［5］三菱電機.FX1S，FX1N，FX2N，FX2NC 系列編程手冊［Z］.2005.

［6］三菱電機.FX 系列特殊功能模塊用戶手冊［Z］.2005.

［7］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）：3-6.

［8］高文華，崔海，張素妍.基于PLC 的變頻恒壓供水系統的研究［J］.西部大開發：中旬刊，2011（1）：3-5.