靜葉調節執行機構PLC控制系統設計

摘" 要：為準確及時調控風機靜葉角度，設計一種基于電液控制技術的靜葉調節執行機構。首先介紹靜葉調節執行機構的液壓系統，然后重點介紹PLC控制系統硬件結構和軟件編程要點，通過增加積分項權值方法，改進經典PID控制方法的缺陷，提高系統的響應速度和穩定性。

關鍵詞：PLC控制；PID調節；比例閥；液壓系統；控制方法

中圖分類號：TP273" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）33-0034-04

Abstract： In order to accurately and promptly adjust the fan stator blade angle， a stator blade adjustment actuator based on electro-hydraulic control technology is designed. First， the hydraulic system of the stationary blade adjusting actuator is introduced， and then the hardware structure and software programming points of the PLC control system are introduced. By adding the weight of the integral term， the defects of the classic PID control method are improved and the response speed and stability of the system are improved.

Keywords： PLC control; PID regulation; proportional valve; hydraulic system; control method

石油裂化催化裝置的核心動力裝備是主風機。為了保障主風機的正常作業，需要有靜葉調節機構對風機的各級靜葉角度進行調整，一般采取電動或電液方式實現。九江環球科技股份有限公司研制的ZFJJY-BLF-IIIB型主風機靜葉電液控制執行機構，以電流信號（4～20 mA）作為控制信號，以高精度位移傳感器作反饋元件，利用PLC實現PID控制計算后，輸出信號經放大后至比例閥，驅動伺服油缸產生相應的位移，并通過液壓功率放大產生大推力輸出，從而使靜葉角度發生變化。

1" 液壓系統設計

靜葉電液控制執行機構的動態頻率特性不超過1 Hz，采用低成本、高可靠性和響應速度快的比例閥控制，液壓系統的工作原理圖設計如圖1所示。

液壓油缸SG1的液壓控制過程：蓄能器的高壓油，經過控制油路塊，進入電磁閥DV2的P口，若操縱方式設置為自動，系統操作條件正常，則電磁閥DV2帶電，高壓油通過DV2的相應油道，進入液控單向閥V1、V2、V3的控制端使其呈雙向流通狀態，其油道變為通道，高壓油經過液控單向閥V1進入比例閥SV1的P口，此時只需改變比例閥SV1相應線圈的控制電流幅值，就能改變比例閥SV1兩個輸出口的流向與流量，即操縱伺服油缸SG1活塞移動的方向與速度，實施對閥門的精準控制。若操縱方式設置為現場或系統產生故障時，則電磁閥DV2失電，使液控單向閥V1、V2、V3控制口接低壓，切斷比例閥SV1的供油油道，使伺服油缸活塞不能移動，實施就地鎖定，此時高壓油經過電磁閥DV2的相應油道，進入手操閥SV2的P口，操縱手操閥SV2的手柄方向，就能改變手操閥SV2兩個輸出口的流向，實施對閥門控制的操作，通過調節調速閥TV1可調節閥門運行的速度。液壓油缸SG2為冗余設計，控制過程雷同。

2" 靜葉調節執行機構電氣控制系統設計

2.1" 硬件設計

靜葉調節執行機構控制系統采用經典的PLC和觸摸屏相結合的方式進行控制，并通過PLC接入工廠的整個DCS系統。PLC作為下位機，直接接收外部數字量信號和模擬量輸入信號，并按照系統控制要求，輸出數字量以及模擬量對現場設備進行控制。觸摸屏作為上位機，也即人機交互界面，在控制現場實現簡單操作控制、參數修改設置以及信息顯示等功能[1]。

靜葉調節執行機構電氣控制系統框圖如圖2所示。PLC選擇為西門子S7-1200系列的CPU 1214C DC/DC/RELAY，并根據輸入輸出控制點位要求，選擇模擬量輸入模塊SM1231，模擬量輸出模塊SM1232和數字量繼電器輸入輸出模塊SM1222。數字量輸入信號主要包含控制方式選擇按鈕、故障報警信號等，接線都比較簡單，采用NPN或PNP接法都可以。數字量輸出信號主要包含自鎖閥、卸荷閥和指示燈的控制。模擬輸入信號主要包含DCS系統輸入的SP控制信號、位移傳感器信號等。模擬輸出信號主要包括比例閥控制信號和反饋到DCS的閥位反饋信號。其中，SP控制信號、位移傳感器信號均要求為電流信號，并通過隔離器進行信號隔離與轉換，用于滿足遠距離傳輸和響應速度快的要求。比例閥控制信號需通過PLC模擬輸出模塊輸出后，再通過電子放大器進行控制，實現油缸的準確定位。觸摸屏選擇為西門子公司的TP700 Comfort。PLC與觸摸屏間采用以太網通信實現系統間的數據交換[2]。

2.2" 軟件設計

PLC控制程序和觸摸屏程序統一在TIA portal V16平臺上開發。PLC程序主要功能是利用PID算法實現比例閥的閥位控制，并實現油缸的準確定位。另外還需要考慮油缸鎖位控制、報警控制和操作方式切換控制等。觸摸屏程序主要提供人機交互界面，實現參數設置和狀態顯示等功能[3]。

PLC程序采用模塊化編程思想包含信號歸一化、PID控制、卸荷閥控制、報警控制和操作方式控制等。

2.2.1" 信號歸一化處理

閥位控制的給定值（SP信號）和過程變量（位移傳感器信號）都是實際的工程量，其幅度、范圍和測量單位都會不同。在實施PID算法之前，將這些值轉換為無量綱的歸一化純量、浮點數的格式，可以大大方便后續的計算。利用NORM_X指令將閥位控制信號SP和位移傳感器反饋信號PV等根據PLC通道電壓或電流對應的數字量范圍（如4～20 mA對應5 530～27 648）進行歸一化處理[4]。

2.2.2" 閥位PID控制

閥位PID控制是控制系統的核心。DCS系統輸入的4～20 mA自控信號SP、位移傳感器采集的閥位信號PV分別通過模擬量輸入模塊SM1231傳入PLC控制器。控制器進行歸一化后的PID運算，其數字量運算結果（-1.0～1.0）通過反歸一化運算后，再由模擬量輸出模塊SM1232輸出-10～+10 V，該模擬信號連接德國派克公司專門給比例閥設計配套的電子放大器做輸入信號，比例閥放大器輸出信號分別控制比例閥的前端和后端線圈，控制比例閥的運動，從而對閥門的運行實施精準控制。在傳統位置式PID控制算法的基礎上，本系統對PID算法做了一定的改進，根據當前時刻的偏差信號大小（E（k））對積分項進行權值處理，其表達式為

式中：k為采樣序號；U（k）為開度；T為采樣周期；E（j）為第j時刻的偏差信號，ki=；kd=kp·TD；β為積分項權值。

編程時值得注意的是，根據需要設定閥的最大開度、最小開度、正向起調點、反向起調點和調節死區。

2.2.3" 液壓系統壓力控制

為確保液壓控制系統的安全運行，壓力循環控制至關重要。如圖1所示，油泵P由電動機D驅動，通過截止閥M1、單向閥V4、V1，過濾器L1-2，產生高壓油，并將它們發送到蓄能器ZL1和ZL2以存儲和建立系統壓力。當系統壓力達到工作壓力的上限時，卸荷電磁閥DV3斷電，從油泵排出的機油通過電磁閥DV3返回到油箱，機油泵電機處于輕載運行狀態。隨著系統的連續運行，系統壓力下降。當其下降到工作壓力的下限時，卸荷電磁閥DV3通電。油泵P向液壓系統供油，直到達到系統工作壓力的上限。

電氣控制邏輯：系統壓力由壓力變送器檢測，PLC接收壓力變送器的模擬輸入信號，轉換為工程量后，與設定的工作壓力做比較運算，當液壓系統壓力達到工作壓力上限時，PLC控制卸荷電磁閥斷電，油泵卸荷。當液壓系統壓力位于工作壓力下限時，PLC控制卸荷電磁閥通電，油泵加載。

2.2.4" 報警控制

除了常規的電源故障、油位低報警、壓差大報警、系統壓力低報警和油溫高報警外，系統需重點考慮PID調節過程中出現的SP信號消失鎖定、反饋信號PV消失鎖定和超差鎖定控制。比例閥SF1（SF2）由主控制室SP控制的先提條件是電磁閥DV1（DV2）帶電，而電磁閥DV1（DV2）帶電與否由自控信號SP、閥位信號PV、自控信號SP與閥位信號PV的差值E（k）不超差這3個條件來控制。只有這3個信號工作條件都正常，DV1（DV2）才帶電，從而保證主控制室對比例閥有效控制。3個信號中有一個不正常，系統都要由主控制室控制方式轉為自鎖狀態，從而保證系統的安全[5]。

2.2.5" 輸入模式確定與切換

系統共有3種輸入模式，現場模式、自動模式和自鎖模式。現場操作就是用手操閥進行作業。首次上電、控制系統出現故障、現場解鎖情況下要用現場操作。正常情況下，系統為自動操作。沒有故障前提下，現場操作和自動操作可以在控制面板上任意切換。如果大系統有故障，如SP信號消失、反饋信號PV消失和E（k）超差，都將使系統進入自鎖模式。

2.2.6" 油缸零點和滿量程自由指定

油缸位置傳感器的量程一般會大于油缸的實際行程，所以需要在程序上實現實際量程調整方法，保證位置傳感器反饋的是油缸當前實際位置。一般做法為將油缸運行到零位時，記下此時位置傳感器反饋的數值，記為零點位置。將油缸運行到最大行程處，記下此時位置傳感器反饋的數值，記為滿量程位置。最后歸一化時，計算位置傳感器相較于零點位置和滿量程位置的比例即可。實際位置傳感器量程與油缸行程的轉換程序如圖3所示。

2.2.7" 觸摸屏程序

觸摸屏程序主要包含系統狀態和參數設置界面。系統狀態界面包括系統控制位置信號SP、實際位置信號PV、當前的運行狀態和報警信息等。參數設置界面，用于設置PID調節的P、I和D數值，調節帶寬以及零點和滿量程的確認等。

3" 靜葉調節執行機構調試運行

電氣系統和液壓系統安裝完成后，必須按照設計要求和有關技術參數進行嚴格的調試，進行零位和行程調節，并最終確定最優的PID調節相關參數。經現場調試優化，最終確定比例調節系數kp=5.0，積分調節系數ki=0.5，微分調節系數kd=0.05。積分項權值β最終取值公式如表達式（2）所示，此時系統跟蹤效果最好。

4" 結束語

實踐證明，基于PLC的比例電液控制系統響應速度和位置控制精度都能滿足一般就地執行機構的控制要求。分段式PID控制算法能夠進一步提高系統跟蹤效果。比例電液控制系統輸出流量正比比例閥控制繞組的輸入控制信號，屬于線性控制系統，是石油化工閥門控制中更新換代的理想產品，同時也可應用于鋼鐵、冶煉等其他行業的閥門自動控制中。

參考文獻：

[1] 劉軼菡.風機風量調整電液伺服控制系統及其試驗裝置的研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2018.

[2] 縱慧慧，郝繼飛，劉會娟，等.基于PWM控制的電液比例閥控制系統的設計[J].工礦自動化2009，35（12）：111-113.

[3] 唐旭，顏曉斌.冗余伺服比例閥控制電液隨動系統[C]//中國自動化學會，成都市科學技術局，成都市科學技術協會.2005川渝地區自動化與電控技術學術年會論文集.東方電機控制設備有限公司;東方電機控制設備有限公司，2005：4.

[4] 付連東，陳新元，陳奎生，等.PLC在電液比例速度控制系統中的應用[J].液壓與氣動，2000（4）：26-27.

[5] 朱玉川，李志剛，馬大為.基于PCL控制的某全自動裝填電液比例控制系統設計[J].機床與液壓，2007（3）：128-129，132.