基于ITCC與PLC的自動化控制系統(tǒng)優(yōu)化設計與實踐應用

吳海翔，盛亞英

(1.浙江省人民醫(yī)院杭州醫(yī)學院附屬人民醫(yī)院，杭州 310000；2.溫州醫(yī)科大學附屬眼視光醫(yī)院，溫州 325027)

0 引言

ITCC控制系統(tǒng)是基于壓縮機性能的，通過控制壓縮機的入口壓力以及喘振，從而產(chǎn)生壓縮機裝置解耦控制指令，實現(xiàn)輔助壓縮機的工況控制。PLC控制過程采用循環(huán)掃描的方式，利用自身程序中斷的工作方式，執(zhí)行裝置或是設備的控制工作。隨著智能化控制工作的深入，提出了多種自動化控制系統(tǒng)。在應用控制過程中，多數(shù)的自動化控制系統(tǒng)硬件采用簡單的電子元器件，為穩(wěn)定運行自動化控制系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的安全隱患[1]，在電路集成技術(shù)的支持下，數(shù)字化處理集成硬件參數(shù)，建立數(shù)字化控制指令能夠優(yōu)化自動化控制系統(tǒng)的性能。整理自動化控制系統(tǒng)的應用環(huán)境，經(jīng)統(tǒng)計分析后，可發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存的自動化控制系統(tǒng)產(chǎn)生了指令響應觸發(fā)時延問題，故采用ITCC與PLC結(jié)構(gòu)聯(lián)合的方式，優(yōu)化自動化控制系統(tǒng)，并設定控制系統(tǒng)的實踐應用環(huán)境，測試優(yōu)化后的自動化控制系統(tǒng)性能。

最初自動化控制系統(tǒng)采用性能簡單的單片機作為核心控制模塊，引用可編程的邏輯器件PLC，實現(xiàn)邏輯結(jié)構(gòu)的控制[2]。所以在設計自動化控制系統(tǒng)時，可從控制系統(tǒng)的硬件與軟件作為優(yōu)化對象。對應優(yōu)化后的硬件結(jié)構(gòu)，調(diào)整控制程序或是指令，實現(xiàn)優(yōu)化控制系統(tǒng)的兼容。在數(shù)字化的進程內(nèi)，自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)化工作是一直行進的。作為優(yōu)化工作的處理環(huán)節(jié)，研究基于ITCC與PLC的自動化控制系統(tǒng)優(yōu)化設計與實踐應用是趨勢所需。

1 優(yōu)化自動化控制系統(tǒng)硬件

1.1 重組PLC邏輯控制裝置

自動化控制系統(tǒng)內(nèi)存在多種邏輯控制裝置，所以在設計PLC邏輯控制裝置時，控制接觸器與電磁體串聯(lián)，并輸出為相同的拓展接口，形成接收傳送口，核心控制芯片采用型號為YTGZ-24500型號的PLC聯(lián)絡，并在核心處理CPU模塊內(nèi)形成交換聯(lián)絡，控制裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 PLC邏輯控制結(jié)構(gòu)

在上圖所示的邏輯控制結(jié)構(gòu)內(nèi)，采用模塊化的形式將接觸器、電磁閥、指示燈與供電電源并聯(lián)，輸出為統(tǒng)一的輸入模塊后，在線路板處處理為輸出接口，連接CPU模塊內(nèi)的通信接口[3]。接口另外一端放置兩種類型的開關，并在選擇開關處并聯(lián)控制結(jié)構(gòu)的控制按鈕。直流電源并聯(lián)限位開關，平衡邏輯控制結(jié)構(gòu)的電壓平衡。擴展CPU模塊內(nèi)存儲器的容量為252K，調(diào)節(jié)PLC控制結(jié)構(gòu)內(nèi)的指令下發(fā)速度。重組PLC邏輯控制裝置結(jié)構(gòu)后，設計ITCC伺服執(zhí)行機構(gòu)。

1.2 設計ITCC伺服執(zhí)行結(jié)構(gòu)

在上述PLC控制裝置結(jié)構(gòu)影響下，在設計ITCC伺服執(zhí)行結(jié)構(gòu)時，將壓縮機伺服執(zhí)行結(jié)構(gòu)劃分為伺服供應裝置以及伺服放大器兩種組成部分，采用脈沖發(fā)生模塊與脈沖編碼器結(jié)合處理為控制組件，調(diào)用SEMA系列伺服放大器的通信接口連接上位機自配USB接口，并控制RS422通訊接口連接接觸器，直接串聯(lián)處理至硬件電路結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成的伺服控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 設計的伺服執(zhí)行結(jié)構(gòu)

在設計的伺服執(zhí)行結(jié)構(gòu)內(nèi)，連接ITCC內(nèi)的接線端子，并將放大器CN1模塊內(nèi)的伺服端子連接到QD70P8模塊上，定位電機的軸向位移控制壓縮機電動機，形成聯(lián)合伺服控制組。在實際調(diào)節(jié)過程中，不斷變換脈沖的處理順序，并調(diào)和伺服電機的轉(zhuǎn)向量，在電機內(nèi)部形成一個對沖，擴大原有控制組件的控制結(jié)構(gòu)范圍[4]。優(yōu)化自動化控制硬件結(jié)構(gòu)后，優(yōu)化支持硬件結(jié)構(gòu)運行的軟件。

2 優(yōu)化自動化控制系統(tǒng)軟件

2.1 設定ITCC喘振極限運行參數(shù)

在上述硬件結(jié)構(gòu)支持下，ITCC控制模塊內(nèi)產(chǎn)生了回流式的喘振區(qū)，故以區(qū)域內(nèi)的伺服電機轉(zhuǎn)速數(shù)值作為數(shù)值處理對象，聯(lián)合流量變送器的測量值，建立數(shù)值控制過程，數(shù)值關系可表示為：

其中，P表示數(shù)值控制函數(shù)，a表示壓縮機性能參數(shù)，Q表示可控制的壓縮空氣量，v表示氣介參數(shù)，k表示壓縮比熱容，R表示壓縮介質(zhì)的壓力均值，T1表示進口溫度。在壓縮機測量出口處換算壓縮量數(shù)值差，換算處理孔板壓差，數(shù)值關系可表示為：

上述數(shù)值關系中，Qv表示換算形成的數(shù)值關系，β表示壓縮流量系數(shù)，T2表示出口溫度，△P2表示出口壓力。整合上述數(shù)值關系，得到ITCC喘振區(qū)內(nèi)的均衡運行條件，數(shù)值關系可表示為：

其中，Cd表示形成的均衡運行條件，a表示簡化系數(shù)，其余參數(shù)保持原有含義不變。在上述簡化系數(shù)的影響下，調(diào)節(jié)均衡運行數(shù)值關系中參數(shù)的數(shù)值大小，并調(diào)節(jié)進出口溫度為補償模式，待重復替換簡化系數(shù)中的測量值后，將該測量數(shù)值輸出為極限數(shù)值，控制ITCC喘振區(qū)域的運載平衡。

2.2 設置控制關聯(lián)機理

軟件調(diào)試機組正常運行后，采用納維-斯托克斯方程確定觸發(fā)響應的壓縮邊界量，數(shù)值關系可表示為：

上述數(shù)值關系內(nèi)，μ表示獨立觸發(fā)系數(shù)，μ'表示徑向響應系數(shù)，v'表示壓縮徑向速度，y表示壓縮分子行程參數(shù)，z表示調(diào)節(jié)參數(shù)。指令觸發(fā)壓縮量并在壓縮機的軸承位置產(chǎn)生離心作用，形成徑向的壓縮力，數(shù)值關系可表示為：

其中，△F表示徑向的壓縮力數(shù)值，ρ表示壓縮后的空間密度，n表示軸承的轉(zhuǎn)速，其余參數(shù)保持原有含義不變。結(jié)合壓縮機的環(huán)境參數(shù)，整合不同壓力數(shù)值條件下各個基本參數(shù)的標準系數(shù)[5]，參照壓縮力形成的反作用力，建立控制指令形成的作用量矢量，數(shù)值關系可表示為：

其中，aT表示構(gòu)建的關聯(lián)數(shù)值關系，其余參數(shù)保持原有含義不變。通過調(diào)節(jié)各部分關聯(lián)參數(shù)數(shù)值大小，通過上述建立的關聯(lián)數(shù)值關系，引起控制系統(tǒng)內(nèi)其他功能的變化，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制。綜合上述研究，最終完成對基于ITCC與PLC的自動化控制系統(tǒng)優(yōu)化設計研究。以上述優(yōu)化處理過程作為處理基礎，開展實踐應用測試過程。

3 實踐應用測試

3.1 搭建系統(tǒng)測試環(huán)境

選用型號為ZLS 05A的壓縮機組作為系統(tǒng)優(yōu)化對象，配置壓縮機組的額定功率為1300kW，標定壓縮機組的轉(zhuǎn)數(shù)為8000rpm，在壓縮機入口處設置壓力為0.9Bar(A)，控制壓縮機穩(wěn)定運行，按照優(yōu)化設計的優(yōu)化訴求，將壓縮機的功能劃分為兩個區(qū)段，區(qū)段運行性能參數(shù)如表1所示：

表1 壓縮機組的區(qū)段功能參數(shù)

根據(jù)上圖設定的功能區(qū)段功能參數(shù)，采用故障安全型的冗余容錯PLC控制壓縮機的往復，最終搭建形成的系統(tǒng)測試環(huán)境如圖3所示。

圖3 搭建形成的系統(tǒng)測試環(huán)境

在上圖搭建形成的系統(tǒng)測試環(huán)境內(nèi)，控制通用I/O站為ET200分布式，并采用雙冗余的DP總線，控制測試環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至支持系統(tǒng)實踐的上位機中，在開放式的組件結(jié)構(gòu)內(nèi)，設定獨立的處理器，負責轉(zhuǎn)換不同控制系統(tǒng)產(chǎn)生的編程兼容，消除轉(zhuǎn)換不同運行系統(tǒng)時產(chǎn)生的運行延時。按照壓縮機的性能指數(shù)，在開關輸出范圍內(nèi)串聯(lián)一個繼電器，增強測試環(huán)境的安全保護等級，消除測試環(huán)境外部對系統(tǒng)性能參數(shù)產(chǎn)生的干擾。搭建系統(tǒng)測試環(huán)境后，配置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)。

3.2 配置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運行組態(tài)

在配置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)時，調(diào)用系統(tǒng)的全局結(jié)構(gòu)軟件，設置同步控制定義單位，結(jié)構(gòu)內(nèi)設置3臺負責冗余控制的操作站，并控制操作站為唯一的IP地址，調(diào)節(jié)I/O點組態(tài)參數(shù)為均衡波動的數(shù)值上下限，采用低聯(lián)鎖形式控制壓縮機運行，并在徑向軸承結(jié)構(gòu)內(nèi)控 制高報數(shù)值為80，調(diào)用測試環(huán)境中上位機的組態(tài)管理軟件程序，參照上述整理的參數(shù)，建立一個空白程序頁，形成組態(tài)管理程序頁。為了控制標定壓縮機組的PID回路，在出入口的手操器程序內(nèi)輸出一個調(diào)節(jié)回路，控制機組的導葉處于小開度狀態(tài)，此時高選器與手操器低開度輸出調(diào)節(jié)回路組，形成了標定的出口壓力，并給定壓縮量的數(shù)值，形成分程數(shù)值控制過程，數(shù)值關系可表示為：

上述數(shù)值關系中，SV1、SV2分別表示分程控制函數(shù)，P表示給定的PID控制參數(shù)，Ph表示壓縮機的出口壓力上限參數(shù)，Pi表示壓縮機的下限控制參數(shù)，N表示數(shù)值轉(zhuǎn)換參數(shù)，x表示放空高選參數(shù)。將上述標定的參數(shù)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換壓縮機的參數(shù)為百分數(shù)的形式，并在系統(tǒng)內(nèi)置的固定控制模塊內(nèi)實現(xiàn)控制指令的調(diào)試。設定一個HMI操作站，監(jiān)控壓縮機的運行狀態(tài)以及機組的工作控制點，在硬件通訊接口的支持下，實現(xiàn)控制組態(tài)數(shù)據(jù)的同步傳輸。

在ITCC上設置儀表控制指令，設定指令代號并標定其管理功能。控制AI類型的需求表Ps、Pd、Ts，并分別控制壓縮機的進出口壓力以及入口溫度，控制AO類型控制機器的防喘閥，標定AO類型的控制指令的代號為SOA，聯(lián)合功能DI與DO的裝置形成裝置聯(lián)鎖的形式。對應上述設定的接口功能，在調(diào)試PLC組態(tài)時，在上位機控制組件視圖內(nèi)增添一個PC站，并在PC站的架槽內(nèi)插入Wince應用程序，配置PC站的支持協(xié)議后，并配置支持通信的TCP協(xié)議，此時，在PC站與插入的Wince應用程序的影響下，壓縮機內(nèi)形成聯(lián)鎖控制邏輯。準備基于DCS的自動化控制系統(tǒng)、基于DNN的自動化控制系統(tǒng)以及所優(yōu)化的自動化設計系統(tǒng)參與實踐應用測試，選定性能指標，對比三種自動化控制系統(tǒng)的性能。

3.3 測試結(jié)果及分析

基于上述測試準備，控制自動化控制系統(tǒng)安裝接線后，控制ITCC內(nèi)的模擬量參數(shù)保持一致，調(diào)整控制系統(tǒng)內(nèi)的連鎖信號后，控制連鎖指令的信號發(fā)出頻率為20Hz～200Hz，并在每20Hz后變換控制指令內(nèi)容，以承載運行自動化控制系統(tǒng)上位機產(chǎn)生的指令觸發(fā)響應時間作為統(tǒng)計對象，三種自動化控制系統(tǒng)的響應時間結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種自動化控制系統(tǒng)指令觸發(fā)響應時間

在變換控制指令的傳輸頻率后，根據(jù)上位機統(tǒng)計得到的響應時間，取不同控制指令間的響應時間均值，作為觸發(fā)響應結(jié)果。由上圖整理得到的響應時間結(jié)果可知，基于DCS的自動化控制系統(tǒng)消耗的指令觸發(fā)響應均值為200ms，控制系統(tǒng)接收控制指令消耗的時間最長。基于DNN的自動化控制系統(tǒng)消耗的平均響應時間為110ms，該種自動化控制系統(tǒng)產(chǎn)生的觸發(fā)響應時間較短。而優(yōu)化后的自動化控制系統(tǒng)產(chǎn)生的指令觸發(fā)響應時間為40ms，與兩種參與測試的自動化控制系統(tǒng)相比，優(yōu)化后的控制系統(tǒng)消耗的觸發(fā)響應時間最短。

調(diào)用頻率為100Hz的控制指令，并在該觸發(fā)響應時間范圍內(nèi)運行三種自動化控制系統(tǒng)，調(diào)整壓縮機的工作點保持固定的設定值，并在裝置的徘徊線處設定一個工作點，標定控制器工作量程的工作點，調(diào)用壓縮機為PD工作狀態(tài)，在固定的PD值范圍內(nèi)，以控制壓縮機的吸入流量作為評定控制系統(tǒng)的性能指標，整理三種自動化控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制徘徊線，如圖5所示。

圖5 三種自動化控制系統(tǒng)流量控制差異變化曲線

在相同的控制指環(huán)境內(nèi)，設定可控制徘徊測試點，并以該測量點對應的吸入流量作為控制截止點，重復觸發(fā)發(fā)送控制指令后，繪制三種自動化控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制徘徊線，以測量點與設定的測量點之間的吸入流量差作為控制系統(tǒng)的控制能力指標，根據(jù)流量數(shù)值差結(jié)果可知，基于DCS的自動控制系統(tǒng)可徘徊控制的吸入流量在5m3左右，該種自動化控制系統(tǒng)的控制能力較弱。基于DNN的自動化控制系統(tǒng)可控制的吸入流量在17m3左右，該種自動化控制系統(tǒng)可控制壓縮機吸入流量較多。而所優(yōu)化的自動化控制系統(tǒng)得到的徘徊吸入流量在20m3左右，與兩種參與測試的自動化控制系統(tǒng)相比，優(yōu)化設計的自動化控制系統(tǒng)可控制的壓縮吸入流量最大，實際的控制效果最佳。

4 結(jié)語

結(jié)合自動化控制系統(tǒng)的實際應用需求，以ITCC與PLC作為技術(shù)支持，優(yōu)化自動化控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)。通過設定的實踐應用測試可知，優(yōu)化后的自動化控制系統(tǒng)的控制量最大，改善了原有控制系統(tǒng)的不足。在未來研究工作中，希望所優(yōu)化的自動化控制系統(tǒng)能夠為其提供理論支持。