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基于PLC的流量与压力控制系统的研究运用

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  摘  要:在自动化生产过程中,需要收集电量、压力、流量、温度等参数,并对这些参数分析。将相关设备、传感器通过接口和PLC连接,从而实现流量和压力控制。基于此,文章首先提出PLC的概念,进而探究基于PLC的流量与压力控制系统的应用。
  关键词:PLC;流量;压力;控制系统;应用
  中图分类号:TP273         文献标志码:A         文章编号:2095-2945(2019)36-0108-02
  Abstract: In the automatic production process, it is necessary to collect electricity, pressure, flow, temperature and other parameters, and analyze these parameters. We connect the relevant equipment and sensors through the interface and PLC to achieve flow and pressure control. Based on this, this paper first puts forward the concept of PLC, and then explores the application of flow and pressure control system based on PLC.
  Keywords: PLC; flow; pressure; control system; application
  引言
  隨着我国工业技术水平不断提升,当今工业生产队液体流量控制精度也随之提升。传统的流量控制由于误差大、控制精度低、无法实时监控,无法满足自动化生产要求。而应用PLC自动化控制技术,可以进一步加强工业生产的流量控制,再加上当今PLC技术不断成熟,其应用范围也在不断扩大,有助于实现工业自动化、高精度生产。因此,加强PLC在流量、压力控制系统中应用研究有着重要意义。
  1 PLC控制系统与PID系统相关阐述
  1.1 PLC系统
  PLC是一种可编程控制器,其核心是微处理器,可以实现工业生产自动化的一项新技术。作为微机技术的衍生品,PLC不仅逻辑功能强,同时还具有数据传输功能、数据处理功能。很多工业生产都是采用水泵控制电机启停操作,但是实际控制精度较低。在传统继电器逻辑控制当中,多数都是采用手动完成,难以实现自动化生产,难以处理系统模拟量,再加上电气结构设置较为复杂、可靠性不足、缺乏稳定性,不利于检修和维护。
  现代化PLC设备具有体积小、性价比高、相关标准统一,可以安装到很多标准尺寸空间内。应用I/O连接器有助于降低接线成本,可以腾出更多的接线空间。再者,I/O可以扩展到256个点,可以连接4个以上特殊功能模块。基于PLC控制流量与压力的控制系统主要包括控制器、变频器、传感器、执行结构、接口等部分。
  1.2 PID系统
  在工业生产领域中,应用作为广泛的调节器就是以比例、积分、微分的控制系统,也就是PID系统。利用PID运算、调节功能,可以更好的对参数输出信号整定,输送到变频器当中,从而控制电机转速。如今PID控制器在工业生产中得到了广泛应用,具有PID参数自整定功能,实现智能调节,从而对压力、流量、温度、液位监控。
  新时期下,PID控制器也得到了发展,结合控制理论、智能控制理论等优势,也推出了多个新型的PID控制器,如自矫正PID、专家自适应PID、非线性PID等,让PID控制超出了线性、非时性范围。
  2 基于PLC的流量与压力控制系统运用
  PLC流量与压力控制系统在实际应用中,主要是应用了PID、比值控制,从而实现流量与压力的自动化控制,保证控制精度。其主要表现在:
  2.1 PID流量与压力控制
  PID是指比例积分微分控制,具有可靠性高、计算简单等优势,在工业生产控制领域的应用十分广泛,适合构建精准的数学模型,提升控制系统的功能。工业生产中的流量具有非线性、时变性特点,因此难以构建精准的数学模型。在实际生产当中,应用PID可以有效解决自动化系统内流量与压力控制问题。
  通过应用电磁流量计来实时获取供液流量信息,在整个信息采集过程中,可以同时对数据放大、滤波、A/D转换操作,之后PLC读入处理后的数据,PLC系统将实时流量数据信息和额定流量数据(预设数据)信息进行对比,通过PID运算即可得出目标控制值,并将控制值进行D/A转换之后应用到电动调节阀上。电动调节阀可以结合给定控制值做出相应的动作,自动化调节阀门开启度。整个操作流程可以划分为比例、积分、微分三个环节,分别对应“P”、“I”、“D”。
  (1)比例环节。整个系统运行误差可以通过比例形式直接反应出来,如果系统运行中产生了偏差问题,则会根据采集的实时数据控制器立刻发送命令作出动作,从而减少系统偏差。
  (2)积分环节。针对系统的静误差主要是在积分环节消除或缩小,对系统误差率进行改善。积分环节运行和积分时间常数有着直接关联,积分常数越大,则积分作用越弱;反之,积分常数越小,积分作用越强。
  (3)微分环节。误差信号比变化度在微分环节中显示,同时可以在误差信号变大前,在系统中引出一个有效的早期修正信号,从而提高整个系统的运行效率,缩短整个调节流程的周期。
  在实际应用中,要结合对象实际情况选定PID参数,也可以根据工业生产经验总结确定。幅值振荡系数通过比例系数控制,一旦比例系数增加也会提升振荡系数,通过降低振荡频率计可以有效提高系统的运行稳定时间。响应速度快慢主要是决定于积分系数,如果积分系数增加则会降低响应速度,反之则会增加相应速度;微分系数可以消除静态误差,通常在实际应用中会将静态误差设置小一些,这样可以减少对系统干扰。   2.2 流量与压力比值控制
  在工业自动化生产当中,流量与压力比值控制是指将两种或两种以上物料量自动按照相关比例控制系统,也就是比值控制系统。比值控制法可以划分为开环比值控制、闭环比值控制,其中闭环比值控制还可以划分为单闭环、双闭环。最简单的方法就是开环控制,而单闭环控制可以有效对开环系统完善,但该方案也有不足之处,即只有一个副流量、压力闭环控制,缺少主流量闭环控制。
  结合比值控制原理可知,在流量和压力闭环控制中,首个闭环控制就是主流量闭环控制系统,在完成了主流量设置之后,借助闭环系统的自动调节作用,最大程度上消除扰动误差带来的影响,这样即可提高主流量的稳定性,维持在标准范围内,整体上主流量闭环控制是一种恒值(范围)控制系统。第二个闭环控制系统是副流量闭环控制系统,副流量输入量是根据检测、变送后流量信号与比值系数的乘积。整个副流量闭环控制系统主要包括副控制器、变送器、泵变频器、检测点等。
  3 基于PLC的流量与压力报警系统设计
  3.1 硬件系统
  报警系统作为整个控制系统的重要组成部分,主要包括PLC、流量传感器、压力传感器、语音电路、扬声器等。
  选择最新的PLC,确保可以满足项目要求,同时可以根据实际使用要求实现多个量扩展。流量传感器采用插入式涡街流量计,该流量计具有压力损失小、量程范围大,实际应用中受温度、密度、介质粘度、压力等参数影响小,甚至可以忽略不计,可靠性非常强,维护工作量小。模拟量传输距离为1000m、脉冲输出量为500m,可以直接和PLC接口连接,无需人工编写程序,可以带动256个负载。该仪器可以保证长期稳定运行,并且适应性非常强。选择高精度压力传感器,同时满足稳定、精度、体积、可靠等要求,并且选择端面密封形式。高精度压力传感器采用了恒流源、恒壓源供电,内部采用了标准的螺纹引压测量方法。在高精度压力传感器应用中,应采用密封的齐平膜片,避免安装应力对产品造成负面影响,并配置安全栅。采用智能(AI)语音芯片,具有操作灵活、音质好、分段多等优势。PWM级别D扬声器放大器,可以直接驱动扬声器,具有MIDI电子音乐处理能力,放映操作更加灵活,输出指示量多,可以采用多个封装方法,扩展性能较好,工作电压控制在2.7-3.6V之间,音频输出电流在20-120mA之间,适用范围更广。
  3.2 软件系统
  结合生产实际标准与硬件特性,编写自动控制报警的系统编写。在物理量编写过程中,很多量程序段存在相同部分。为了降低工作量、确保程序更加直观,针对相同部分程序采取模块化设计方法。根据物理量相似特性,可以采用子程序对数据量转化、运算程序段进行编程。子程序编写中,要定义符合条件的输入量、输出量、中间变量数据模型,将相关的量转化为统一运算的模型,对子程序中的量进行加、减、乘、除数学运算。并在主程序中调用子程序,并赋予子程序运行的额定数值,可以实现连续两次调用。
  在程序运行前要先进行初始化设定,包括流量传感器管脚定义、压力传感器管脚定义、语音系统初始化。在完成初始化操作后,可以设置流量、压力参数,主要包括流量报警和压力报警的上限、下限以及报警次数、音量等。在上述内容调整完毕之后,即可正常运行控制报警系统,首先对流量传感器、压力传感器通电,并采集流量和压力数据,将采集的数据信息转化为电压值、电流值,并传输给模拟量输入模块,最终转化为PLC可以识别的数字量,根据PLC数值与接口传输类型,对数据进行预算、对比等操作,从而在PLC可以达到报警限值数字量传输给模拟量输出模块,输出模块将数据转化为电流、电压信号传递给语音模块,即可实现语音段寻址功能,生成控制信号,最后将语音系统中设定的语音报警在扬声器中播放出来。
  4 结束语
  综上所述,为了能够实现工业生产自动化,基于PLC编程的PID、比值控制方法在工业自动化生产应用中有着重要意义,不仅能够有效提升流量控制精度、满足自动化生产要求、保证工业生产质量、降低资源成本、提高生产效率。此外,借助PLC的流量、压力控制警报系统,如果流量、压力运行参数超标无法控制,则系统会自动发出语音警报,从而快速解决系统问题。这样才能够充分发挥PLC的应用效果。
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