全自動無守候動態模擬試驗裝置控制系統的設計與應用

陳小亮，羅益民，梁宇峰

(南京工業大學 自動化與電氣工程學院，南京 210009)

0 引言

隨著我國工業技術的不斷發展，淡水消耗量急速增加，水資源的浪費與污染越來越嚴重。因此，提高工業冷卻水的循環利用率，節約資源，減少污水的排放已成為我國面臨的一個嚴重問題。動態模擬試驗裝置的出現，為藥劑的研發、配方提供了方便，對水質的處理有著重要的作用。冷卻水動態模擬試驗裝置是用于評價工業循環水水質的專業裝置，模擬生產現場的流速、流態水質、金屬材質和循環水經過換熱器的進口溫度，出口溫度等主要參數，對于水質的質量進行綜合的評價（水質的配方、阻垢的效果），來尋求相應的操作工藝條件。實現在冷卻水動態模擬試驗過程中對水中一些參數的精確監控，對于現場采集的數據實現自動判斷與分析，操作的界面方便，便于觀察。在目前工業水處理行業中有著廣泛的應用[1,2]。

1 動態模擬試驗裝置的控制系統

1.1 裝置工藝介紹

圖1 冷卻水動態模擬實驗裝置流程圖

動態模擬試驗裝置的主要流程如圖1所示，左下方的水箱里的水經水泵，進入到試驗管，在加熱爐中實現熱量傳遞，使加熱水部分熱量傳遞給試驗管中水，使試管中水的溫度保持恒定，試管中升溫后的水流進冷卻塔頂部，經過冷卻塔中的填充材料實現水的冷卻，從冷卻塔中流到水箱，再由水泵實現循環。流量計可調節并觀察水的流速，此裝置為雙水路循環系統，各自獨立。兩邊的水路可以同時進行試驗，也可以單獨進行試驗。本系統中PH，電導率通過探頭檢測，經過信號線傳輸4mA～20mA的模擬信號給PLC，在PLC中實現A/D轉換，使PH，電導率實際值顯示在觸摸屏和上位機WinCC上，便于監測和調節。

1.2 工作原理

圖2從整體上介紹了控制系統的工作原理。當電導率值大于所設的回差上限值時，排污閥自動打開，開始排污。此時，補水閥也會自動開啟，進行補水，直到電導率的值小于回差下限值，排污閥停止工作，補水加到一定的量，補水閥也會關閉。這樣的不斷循環，使其電導率值保持在一定的范圍之內。在系統工作的過程中，當進口溫度值大于所設的回差上限值時，冷卻風機會自動運行，運行過程中變頻器可以調節風機的轉速；直到進口溫度值小于回差下限值時，冷卻風機才會停止運行。然而，蒸汽溫度值小于所設回差下限值時，加熱棒開始加熱；當蒸汽溫度值大于所設回差上限值時，加熱棒停止加熱。保持水的溫度恒定。系統中測量冷凝溫度起保護作用，防止設備中沒有冷凝水的流入，導致設備出現故障。PH值控制加酸泵的開啟與關閉，控制要求也是根據回差控制，來實現此功能。

圖2 控制系統的結構圖

1.3 自動補水加藥控制

由于以前都是采用人工進行補水加藥，來不停的觀察水質的改善情況，這樣不僅耗時又耗力，本文設計進行全自動補水加藥，在系統工藝流程中的水箱上安裝一個液位計，在裝置旁邊裝一個容積大的水箱，把藥劑和水混合加入到這個水箱里，并在兩個水箱之間裝一臺泵，然后連接好。檢測到裝置中水箱液位的信號，通過PLC來控制水泵的開啟與關閉。當液位低于所設下限值時，自動開啟水泵進行補水，直到液位高于所設的上限值時，自動關閉水泵，停止補水。實現補水與加藥的自動化控制。

2 控制系統的硬件配置和軟件設計

2.1 硬件配置

本系統采用德國西門子S7-200 PLC，包括中央處理器CPU 224 XP，模擬量輸入模塊采用EM231，EM231RTD模塊，模擬量輸出使用CPU 224 XP自帶的一路模擬量輸出，該主機具有14個輸入點，10個輸出點。現場的儀器采用美國米特羅公司生產的流量計，PH計，電導率檢測儀表，輸出端器件有補水控制電磁閥，排污控制電磁閥，水泵，加熱控制器件等。

2.2 軟件設計

下位機編程采用西門子公司的STEP7-MicroWIN，它的編程簡潔，功能塊相互獨立，結構清晰，方便實用，學習起來也比較容易。本系統中通過使用梯形圖和結構化編程方法設計各個功能，實現泵自動控制，電導率，PH值的回差控制，對加熱溫度的PID調節，冷卻風機的自動與手動的開啟與關閉。對電導率，PH值，進口溫度，出口溫度，冷凝溫度設置上下限值，實現報警功能。在編程過程中，把一些功能生成塊，以便調用，遇到問題與故障時，也便于檢查與排除。

上位機監控采用SMATIC WinCC組態軟件，該軟件功能強大，具有非常好的實用性，可以實現對現場整個系統進行實時監控。觸摸屏軟件使用Flexible 2008，此軟件使用方便，非常適合現代工業越來越龐大的工作量及功能的需要，可以完成指示，開關，數據輸入，數據顯示，動態圖表，靜態顯示，報警等功能，是一個非常好的人機界面設計軟件。上位機界面流程圖如圖3所示。

圖3 上位機界面流程圖

3 模糊PID控制器的設計

在本系統中對進口溫度的控制是一個非常重要的環節。進口溫度的偏高或者偏低，都會影響模擬試驗的結果，導致試驗數據測量的誤差較高，而溫度受外界的干擾影響比較大，并且控制對象往往具有非線性，大滯后，大慣性和時變性的特點[8]。用傳統的控制理論和方法很難達到較好控制效果，因此本文采用模糊PID控制器對其進口溫度實現調控。

采用二維模糊控制,進口溫度給定值與實際測量值偏差為e，偏差變化率為ec,E和EC分別為e和ec模糊化后的模糊量。控制器結構圖如圖4所示。

圖4 控制器結構圖

當系統正常運行情況下，輸入輸出量都有一個基本的變化范圍，e=實際輸出（r0）-輸入(ri)，設定偏差e的變化范圍是[-0.3，+0.3]；偏差變化率ec的變化范圍是[-0.02，+0.02]；控制輸出量u的變化范圍是[0，50]，模糊變量E、EC、U的模糊論域都取為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，則根據工藝的要求，偏差e的量化因子Ke=3/0.3=10，偏差變化率ec的量化因子Kec=3/0.02=150，輸出u的比例因子Ku=0.5。在論域E、EC、和U上定義7個模糊子集分別對應7個語言變量，語言變量分別為負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，根據控制經驗得到語言變量的賦值表。

經過試驗，e、ec和u均取三角形隸屬函數，選用“若a且b則c”的形式(其中a、b、c均為輸出、輸入語言變量中的元素)，并根據現場所要設定溫度的控制經驗和控制要求得出控制規則表[6]。運用得到的語言變量賦值表和控制規則表，由模糊推理法求出對應的模糊關系矩陣R，并做相應的調整，進行模糊判決，最后得出模糊控制查詢表，如表1所示。

表1 模糊查詢表

把模糊PID算法在S7-200 PLC中實現，首先，將量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的初始值依次存入數據塊DB1中；根據采樣時間計算e和ec并存入DB1中；將模糊化后得到的E和EC也存入DB1中。其次，把模糊查詢表中的各個元素按從上到下依次放入數據存儲區中，同時通過將模糊論域[-3、-2、-1、0、1、2、3]轉化為[0、1、2、3、4、5、6、7]，可以為查詢過程提供極大的便利。最后根據算式并采用間接尋址方式查表，即得到模糊控制量U，在與比例因子Ku相乘去模糊化，得到實際輸出量u。最終通過將u送給PID控制器來對變頻器進行調控，從而實現模糊PID對冷卻風機的變頻調控。模糊PID在PLC中的流程如圖4所示。

4 遠距離通信設計

無線遠程通信由GPRS技術實現，GPRS技術是在GSM通信技術的基礎上發展起來的，它基于移動分組數據業務，無需布線，具有永遠在線、自由切換、傳輸速率教高、計費靈活等優點。系統采用MD-309GDTU與PLC200通過485串口連接，在PLC-200中寫人支持Modbus slave程序，實現GPRS無線通信在MD-309G中設置數據中心的IP和端口后，MD-309G利用GPRS無線網絡撥號連上Internet，隨后發起對所配置的IP和端口的連接。另外，當數據送到MD-309G之后，便通過GPRS Internet傳到中心計算機上，在中心的計算機上先由mserver接收到，之后通過mserver虛擬出來的串口發出送到opcserver上，之后傳到作為opcclient端的Wincc上。

圖5 模糊PID在PLC中的流程圖

MD-309G和opcserver中參數設計：波特率9600bps；數據位8bit；奇偶效驗N；停止位1；流控N。

圖6 數據遠程傳輸結構圖

5 結束語

本系統通過利用西門子S7-200 PLC、Wincc和觸摸屏對冷卻水動態模擬試驗裝置進行控制系統的設計，模擬現場的實際條件，對水質進行監測與調節，并實現系統補水和加藥的自動化控制，設計無線通信與遠程監控，滿足系統的全自動和無守候控制。另外，通過設計模糊PID控制器對冷卻風機變頻調節控制裝置中的進口溫度，提高了控制精度，解決溫度控制受大慣性和外界干擾的影響，使其系統更加的穩定，試驗結果更加準確。目前，此裝置已經運用到企業當中，使用效果良好，達到了預期目標，節約能源。

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