PID控制在集中過濾系統的應用研究

李遠彬，杜書權，高超浪

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

PID控制在集中過濾系統的應用研究

李遠彬，杜書權，高超浪

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

為了滿足集中過濾系統供液時壓力盡量穩定的要求，提出了一種基于PID控制（比例-積分-微分控制）變頻泵的運行系統。較之于傳統工頻啟動電機泵，有效避免了電機啟動/停止過程對管網內部的壓力沖擊。再配合PLC控制（可編程邏輯控制）增加或減少投入運行泵的臺數，拓寬了供應切削液的流量范圍。現已經用于發動機工廠加工中心水基切削液的供應，實踐表明：該系統運行穩定，具有控制效果好，適應能力強等特點，滿足工程上的應用要求。

機械加工；集中過濾系統；PID控制；PLC控制

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.056

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-163-03

引言

隨著工廠對節能減耗要求的不斷提高，給加工機床集中供應切削液的方式逐漸成為主流。與每臺機床都配一套分離循環系統的單機過濾方式相比，集中過濾系統很好地降低投資和運行成本，節省廠房面積，并在減少故障率、節能降耗、改善工作環境等方面具有突出的優勢[1]。但集中過濾系統的工頻供液水泵隨著機床的用液量變化，在啟動/關閉瞬時會對供液管路造成沖擊，而引起供液壓力和流量的大幅變化，進而造成機床加過不穩定。采用PID控制變頻泵的方式能有效降低電機在啟動/停止瞬時對供液管路的沖擊[2]，為滿足機床對恒定供液壓力的需求，提供了技術支撐。再通過增加或減少投入運行的供液泵臺數，極大地擴大了能供應切削液的流量范圍，以滿足一條或多條生產線上多臺機床對切削液的大量用液需求。

1、變頻恒壓功能

集中過濾系統具備變頻恒壓功能，主要是依靠壓力傳感器、模擬量輸入輸出模塊、PLC控制器、變頻器和供液水泵等部件構成一個閉環壓力控制系統。

變頻恒壓集中過濾系統工作過程如下：

壓力傳感器持續監控供液管道的壓力，并將壓力以模擬量信號的形式輸出給模擬量輸入模塊。模擬量輸入模塊將壓力傳感器實時監測的壓力值轉化為PLC可以處理的數字量。PLC控制器采集來自壓力傳感器的模擬量輸入信號，然后對該信號進行分析于處理后，通過模擬量輸出模塊給變頻器一個能連續控制變頻器頻率和電壓的電流信號。變頻器根據控制信號調節供液水泵的轉速和轉矩，實現水泵隨外界負載的變化而隨動。水泵運行工況的變化，進而會影響供液管路的壓力。如此閉環控制，以實現供液管路壓力相對穩定的目的。

可以看出PLC控制器的分析處理能力是變頻恒壓控制系統的核心，而這種分析能力是通過PLC自帶的PID控制功能實現的。

2、PLC實現PID控制

2.1 PID控制

PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個在工業控制應用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。在做出正確的測量和比較后，PID控制器能很好的糾正系統。其輸入e (t）與輸出u (t）的關系為[3]：

它的傳遞函數為：

其中kp為比例系數； TI為積分時間常數； TD為微分時間常數。

PID控制具有不需要精確的控制系統數學模型，較強的靈活性和適應性等特點，非常適用于工程上對模擬量的控制。

2.2 PLC實現PID控制方式

利用PLC對供液壓力進行PID控制時，可以采用PID過程控制模塊、PID功能指令和自編PID程序三種方法來加以實現。PID過程控制模塊是PLC生產廠家設計的，存放在模塊中，使用時只需設置參數，具有使用方便的特點，但是價格較高；一般PLC都自帶PID控制的功能指令塊，如GE的PID IND指令塊，通過與模擬量輸入輸出模塊搭配使用，可以達到PID過程控制模塊的功能，成本上會便宜許多；在沒有自帶PID控制指令或者想采用改進的PID控制算法，用戶可以自己編制PID控制程序[4]。本文著重于研究使用PID控制指令實現PID控制功能。如通用電氣GE的PAC PLC控制系統的自帶PID指令，各操作功能如下表：

表1 PID控制指令描述

PLC PID變頻恒壓供液系統閉環控制原理：當實際供液壓力反饋值小于設定值時，PID模塊通過增加模擬量輸出值（CV）來達到加速水泵電機的運行；當實際供液壓力反饋值大于設定值時，PID模塊通過減小模擬量輸出值（CV）來達到減速水泵電機的運行；PLC PID通過不斷的修正模擬量輸出值的大小來調節水泵電機的轉速，從而讓管網供液壓力穩定。如圖1所示：

圖1 PID控制原理圖

3、PLC控制邏輯

一臺泵能夠提供的供液流量是一定的，為了擴大供液范圍，通常用多泵組合工作的方式，其中每個泵都能工頻和變頻運行。但系統中只有一臺變頻水泵運行，其他泵根據實際需要來決定是否工頻運行。以2個供液水泵為例，其控制邏輯如下圖所示：

圖2 2供液水泵變頻控制原理圖

系統要正常工作的必要條件是箱體里面存儲的切削液必須高于最低標示液位。當低于最低液位時，供液泵會出現吸空現象，此時要求系統立即停機。在液位高于低液位的前提條件下，系統啟動一個變頻泵運行，并實時監控管路壓力。為避免管路壓力變化，導致工頻泵頻繁啟停對管路供液造成沖擊。只有在延時一定的時間內壓力持續低于設定壓力，供液工頻泵才會啟動。工頻泵啟動后，變頻泵會減低轉速以滿足管路設定壓力。若管路壓力經過延時后，一直高于設定壓力，系統則會選擇退出工頻泵。隨著外界供液需求的變化，系統根據設定壓力，自動地不斷反復調節，以保證供液壓力的穩定。

4、結論

通過以上分析和生產現場的使用情況可知，變頻恒壓控制的集中過濾系統能夠滿足工廠對大流量下供液壓力穩定的要求。于單機過濾裝置相比，系統采用了集中供液和變頻控制技術，具有很好的經濟性，較高的可靠性。于工頻控制相比，變頻恒壓控制改變了定量供應方式，降低了管網壓力的波動且在節能降耗上效果顯著。

[1] 李浩,王樹春,王永峰.針對車橋生產的切削液集中過濾系統設計[J].工程建筑與設計,2011,8(3):54-56.

[2] 王宏巖.基于PLC的多泵循環變頻恒壓供水系統[OL].豆丁網（http://www.docin.com） .

[3] 李景志.分布式水利灌溉自動系統的研究與設計[D].蘭州：蘭州理工大學,2008.

[4] 范永勝,王岷.電氣控制于PLC應用[M].中國電力出版社,2004.

PID control application research in the filtration system

Li Yuanbin, Du Shuquan, Gao Chaolang
(SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd, Guangxi Liuzhou 545007)

A system based on PID (Proportional-Integral-Derivative) control of variable frequency pump operation was proposed in order to satisfy requirments for liquid pressure stability as far as possible. Compared with the traditional power frequency start motor pump, effectively avoid the shock pressure when motors start or stop. Combined with PLC (programmable logic control) increases or decreases in pump stations ,the scope of the fluid flow was broaden . Now used for engine factory fluid supply. Practice shows that the system runs stably , has good control effect and characteristics of adaptability, meet the requirements of engineering application.

Mechanical processing; The central filtration system; PID control; PLC control

U463.6

A

1671-7988 (2016)12-163-03

李遠彬（1987-），男，電控工程師，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向電氣自動化。