基于OMRON_PLC 的PID 恒壓控制，實(shí)現(xiàn)壓機(jī)冷卻循環(huán)系統(tǒng)的控制

程碧峰，龍海仁，招偉培，黃帥

（重慶市東鵬智能家居有限公司，重慶 402160）

1 前言

一般根據(jù)水的恒壓控制理論，水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即kW=K×n3,KW：為水泵消耗功率；n：為水泵運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速；K 為比例系數(shù)，水泵的轉(zhuǎn)速用變頻器來調(diào)節(jié)，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比傳統(tǒng)工頻轉(zhuǎn)速降低20%，從而達(dá)到降低能耗的目的，節(jié)能率可達(dá)20%-30%。本廠使用的變頻器是安川變頻器，可視化控制界面是威綸通品牌的觸摸屏控制裝置，通過后者實(shí)現(xiàn)OMRON(歐姆龍)_PLC 機(jī)對(duì)變頻器的控制，以達(dá)到降低壓機(jī)冷卻水用量的目的。

2 冷卻水流量計(jì)算及管道設(shè)備設(shè)計(jì)

本生產(chǎn)基地共有16 臺(tái)自動(dòng)液壓壓磚機(jī)PHC4300，壓機(jī)正常工作時(shí)，一般需要保證液壓油油溫在45℃左右。為了保證正常工作，每臺(tái)自動(dòng)液壓壓機(jī)都配有其獨(dú)立冷卻水系統(tǒng)（熱交換系統(tǒng)），單臺(tái)壓機(jī)的冷卻水一般需求量在15-20m3/h 左右，總冷卻水量約240-320m3/h 左右，根據(jù)系統(tǒng)的用水量每小時(shí)240-320m3/h 左右，我們選擇DN250 鍍鋅管道（當(dāng)壓力為2.5kg·f/cm2時(shí)，管道流量為440m3/h 左右），這樣有一定余量方便以后新增設(shè)備。循環(huán)水泵選擇單級(jí)泵KQW250/350-75/4(流量450M3/小時(shí)，揚(yáng)程41M)。

日常使用過程中，可根據(jù)氣溫的變化及自動(dòng)液壓壓磚的工作頻率的變化，為了節(jié)約能源自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用PID 恒壓控制。

3 循環(huán)水控制系統(tǒng)的布局圖及所需設(shè)備

3.1 應(yīng)用布局圖

應(yīng)用布局圖,如圖1 所示。

圖1 布局圖

3.2 系統(tǒng)所需設(shè)備

設(shè)備包括工程系統(tǒng)用的電器OMRON_PLC_CP1H_CP1H-XA40DR-A、安川變頻器A1000 1 臺(tái)、威綸通觸摸屏1 個(gè)、麥克MPM/MDM484C 型壓力控制器1 個(gè)、75kW 水泵2 臺(tái)、兩芯屏蔽電纜線、西門子接觸器、OMRON 中間繼電器、工業(yè)用電柜、銅芯電纜線3×70m2+1×35 m2等材料。

4 OMRON(歐姆龍)_PLC 的PID 控制原理及實(shí)例簡介

4.1 控制原理

OMRON_PLC_CP1H_CP1H-XA40DR-A 自帶4 路模擬量輸出和2 路的模擬量輸出，其模擬量輸入和輸出都可以按標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)接入（接入標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)需在編程軟件里設(shè)置相關(guān)對(duì)應(yīng)的參數(shù)），接入模擬量的值通過PLC 運(yùn)算轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量（反饋值）給PID 指令，PID 指令根據(jù)反饋值與設(shè)定值的識(shí)差運(yùn)算后的輸出值去控制變頻器頻率，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。

4.2 實(shí)例簡介

（1）本案例中模擬量輸入需用到2 路模擬量輸入和1 路模擬量輸出，模擬量輸入的1 路來自測(cè)量循環(huán)水管的壓力傳感器（測(cè)量的壓力值0-1MPa，模擬量輸出為4-20ma）模擬量輸入，另1 路模擬量輸入來自A1000 變頻器的多功能輸出監(jiān)視1（FM輸出端子），變頻器的實(shí)際輸出頻率通過模擬量輸出端子傳送到PLC 中。模擬量輸出1 路是通過PLC 的PID 指令運(yùn)算后數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量后通過模擬量輸出端子去控制變頻器的頻率。

（2）兩路模擬量輸入信號(hào)及轉(zhuǎn)換量程的設(shè)定。壓力傳感器（測(cè)量的壓力值0-1MPa，模擬量輸出為4-20ma）各變頻器的FM端頻率輸出（頻率值0-50Hz,模擬量輸出0-10V 信號(hào)），即模擬量輸入1 路為4-20ma 輸入、另1 路模擬量輸入為0-10V 輸入。

圖3 自帶的模擬量輸入輸出

1）模擬量輸入的電壓或電流信號(hào)通過PLC 的前端模擬電壓/電流輸入的切換開關(guān)進(jìn)行設(shè)置如圖2 所示。

圖2 示意圖

即模擬量輸入1 開關(guān)撥至ON（電流信號(hào)輸入），模擬量輸入2 的開關(guān)撥至OFF（電壓信號(hào)輸入）。

2）模擬量輸入后轉(zhuǎn)換量程通過PLC 的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定如下圖4：

圖4 參數(shù)設(shè)定

3）模擬量輸入轉(zhuǎn)工程量（AD 轉(zhuǎn)換）

模擬量信號(hào)的轉(zhuǎn)換成工程量值是根據(jù)它們的量程范圍大小進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，如模擬量輸入4-20ma 輸入轉(zhuǎn)換成0-10KPa 的壓力，0-10v 的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成0HZ-50Hz 的頻率信號(hào)，其轉(zhuǎn)換過程如下圖5：

圖5 轉(zhuǎn)換過程

4）模擬量的轉(zhuǎn)換工程量的程序，用ST 語言編寫如下

OMRON 編程軟件里的功能塊-新建數(shù)據(jù)為結(jié)構(gòu)文本-新建的數(shù)據(jù)的類型如下：

圖7 輸入變量

圖8 輸出變量

ST 語言編程如下：

PID 指令的參數(shù)

S：測(cè)定值輸入CH 編號(hào)

C：PID 參數(shù)保存低位CH 編號(hào)

D：操作量輸出CH 編號(hào)D 參數(shù)為輸出量給模擬量輸出的MV 值輸出通道

1）S：測(cè)定值輸入CH 編號(hào)其參數(shù)為壓力傳感器的反饋值；

2）C：PID 參數(shù)5 zv 保存低位CH 編號(hào)，C 參數(shù)為PID 的控制參數(shù)群；

C0 通道_C[0]、SV 為設(shè)定值；

C1 通道_C[1]、比例P 為手動(dòng)設(shè)定輸入值；

C2 通道_C[2]、積分I 為手動(dòng)設(shè)定輸入值；

C3 通道_C[3]、微分D 手動(dòng)設(shè)定輸入值；

C4 通道_C[4]、時(shí)間周期T＝#64 固定值；

C5 通道_C{5}、為2-PID 參數(shù)（α）、操作量輸出指定、PID 反應(yīng)定時(shí)指令、操作量的動(dòng)作方向；

注：C5 通道的具體參數(shù)設(shè)置如下：

1、C5 通道、第4-15 位設(shè)為000H 即@=0.65；

2、C5 通道、第3 位：決定操作量的輸出指定，當(dāng)測(cè)定值=設(shè)定值，操作量MV 如何輸出設(shè)為0 表示輸出為0%。寫1 表示輸出50%；

3、C5 通道、第2 位：設(shè)為0；

4、C5 通道、第1 位：表示寫入或更新后的P I D 參數(shù)何時(shí)被反映到PID 運(yùn)算中，寫0 表示僅在輸入條件上升時(shí)生效，寫1 表示輸入條件上升或每個(gè)取樣周期時(shí)皆能生效；

5、C5 通道、第0 位、設(shè)為0 時(shí) 為反向動(dòng)作 設(shè)為1 時(shí)為正向動(dòng)作。

C6 通道_C[6]、為操作是限位控制指定、輸入范圍、微分積分單位、輸出范圍，

注：C6 通道的具體參數(shù)設(shè)置如下：

1、C6 通道的第13-15 位：固定為0；

2、C6 通道的第12 位：操作量的上下限進(jìn)行限制；寫0 表示不限制，限輸出范圍為多少輸出量就能達(dá)到多少，寫1 表示對(duì)操作量進(jìn)行限制，上下限數(shù)據(jù)在C+7,C+8中設(shè)置；

3、C6 通道的第8-11 位：表示控制字S 測(cè)定值（PV）的數(shù)據(jù)范圍，同時(shí)也影響設(shè)定值；

（SV）的輸入范圍最大值。設(shè)定為0-8H,0H=8 位，1H=9 位，2H=10 位3H=11 位，4H=12 位，5H=13 位，6H=14 位，7H=14 位，8H=15 位；

4、C6 通道的第4-7 位：表示積分常數(shù)與微分常數(shù)的時(shí)間單位，設(shè)為#1 表示以C4CH 設(shè)定的取樣周期為時(shí)間單位，設(shè)為#9 則表示時(shí)間單位為100ms

5、C6 通道的第0-3 位：決定的控制字D 限操作量（MV）的數(shù)據(jù)范圍，填寫范圍可參考控制S 測(cè)定值（PV）的數(shù)據(jù)范圍。

C7 通道_C[7]、為操作量下限值；

C8 通道_C[8]、為操作量上限值；

C9-C38 通道為工作區(qū)域，用戶不可指定。

3）PLC 程序的PID 程序（用功能塊程序）如下：

OMRON 編程軟件里的功能塊-新建數(shù)據(jù)為梯形圖-新建數(shù)據(jù)的類型如下：

圖9 功能塊的內(nèi)部數(shù)據(jù)

圖10 功能塊的輸入數(shù)據(jù)

圖11 功能塊的輸出數(shù)據(jù)

圖12 梯形圖程序

4）PLC 程序的PID 程序（主程序）

見圖13 所示。

圖13 PLC 程序的PID 程序（主程序）

5）PLC 的模擬量輸出：

PLC 執(zhí)行PID 指令后的輸出數(shù)據(jù)MV 值直接傳送到模擬量輸出通道210CH，210CH 的通道是數(shù)字量，PLC自動(dòng)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換模擬量輸出到端子。其內(nèi)部轉(zhuǎn)換過程如圖14。

圖14 內(nèi)部轉(zhuǎn)換過程

6）安川A1000 變頻器的參數(shù)設(shè)置及控制如圖15：

圖15 安川A1000 變頻器的參數(shù)設(shè)置及控制

變頻器A1000 的控制模式，運(yùn)行控制由控制端子提供，頻率指令由外部的模擬量提供，參數(shù)設(shè)定如下：

1、頻率指令選擇b-01=1 控制回路端子（模擬量輸入）;

2、運(yùn)行指令選擇b1-02=2 控制回路端子；

3、端子S1 的功能選擇H1-01=40 正轉(zhuǎn)運(yùn)行指令（2線制順控）;

4、端子S2 的功能選擇H1-02=41 反轉(zhuǎn)運(yùn)行指令（2線制順控）;

5、端子A2 信號(hào)電平選擇H3-09=2 輸入4～20mA的信號(hào);

6、模擬量輸入端子有效H3-14=02 僅端子A2 有效;

7、端子A2 輸入增益H3-11=100 增益值；

8、端子A2 輸入偏置H3-12=0 偏置值；

9、端子FM監(jiān)視選擇H4-01=102

10、端子FM 信號(hào)電平選擇H4-07=0 輸出為0～10V 的電壓信號(hào)；

5 應(yīng)用場(chǎng)景

75KW 循環(huán)水泵一用一備，如下圖16

圖1675 KW 循環(huán)水泵一用一備

控制電柜，如下圖17。

圖17 控制電柜

自動(dòng)液壓壓磚機(jī)，如下圖18。

圖18 自動(dòng)液壓壓磚機(jī)

可視化控制器，如下圖19。

圖19 可視化控制器

6 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其經(jīng)濟(jì)體量越來越大，帶來的能源浪費(fèi)問題，也日益顯著。特別是隨著雙碳目標(biāo)的提出，國家加強(qiáng)了對(duì)能源消耗大戶陶瓷企業(yè)的管控，逐步淘汰能源消耗末尾企業(yè)。

陶瓷企業(yè)的節(jié)能降耗需要從日常工作當(dāng)中挖掘，通過PID 方式對(duì)各種生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制，而PID 控制具備了自動(dòng)控制所要求的靈活性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在其實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化的同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)省用電、用氣的目標(biāo)。