基于PLC的水泵试验台电动阀门PI控制的实现

图 2 联机工作方式
2 电动阀门控制方法
图 1 PLC 与 PC 机的通讯
电动阀门的自动控制不仅需要有较多的开关量 控制 , 还需要实现闭环控制 。 考虑到控制量是流量 , 这里采用 P I 控制 。 P I控制的最大优点是减小 系统的稳态误差 , 但在一定程度上增加了调节时间 。 根据本试验台控制需要 , 减少流量调节的稳态误差 是至关重要的 , 对调节时间的 要求有一定的宽 裕 。 所以 P I控制可很好地满足对电动阀门的控制要求 。 在选择反馈信号时 , 考虑采用阀门开度或流量 信号 , 这两个信号都是系统需要采集的 。 阀门开度 信号虽然在快速响应上更有优势 , 但不能确定相应 的流量值 , 无法实 现模糊控制 , 在这里采用 流量信 号 。 其中 P I控制器是通过 S7 - 200 PLC 调用程序 模块实现的 , 其控制原理图如图 3 所示 。 阀门通过控制台上的开关控制 , 有手动和自动
( 江苏大学 流体机械工程技术研究中心 , 江苏 镇江 212013)
摘 要: 阀门控制是水泵试验台自动控制系统的一个关键 。 采用工业控制计算机 , 根据专家系统 确定最优工况的各试验流量 , 通过泵参数测量仪接收传感器的数据 , 对采集的相应数据进行处理分 析并向 PLC 发出指令 , PLC 采用 P I 控制方法 , 通过 P I控制的参数设定及自整定 。 根据 P I调节的 输出与输入的偏差成正比 , 还与偏差对时间的积分成正比 , 消除了控制过程中产生的静差 , 实现了 阀门闭环调节的精确控制 。 设计了监控软件 、PLC 软件 、 PLC 与工控计算机的通信软件 , 实现了水 泵试验的控制 、 数据采集和处理 。 试验表明 , P I 控制方法对水泵试验中流量的调节具有较好的稳 定性和动态特性 。 关键词 : PLC ; 水泵试验台 ;P I控制 ; 参数自整定 ; 流量调节 + 中图分类号 : TP273 . 24 文献标识码 : A 文章编号 :1005 - 6254(2007)04 - 0050 - 04
Ab stract:The contro l o f e lectric valve is i m po rtant to the autocontrol sy stem o f the pum p testbed . The contro l sy stem of electric va lv e adopts industrial com puter, wh ich dete r m ines the opti m a l ope ratin g conditions of the test f lux acco rd ing to expert system. W ith sensor da ta rece ived from the pum p para m e ter m easuring instrum ent, the industria l com pu te r analyses acqu isition of th e co rresponding data and sends in struc tions to th e PLC. In th e PLC , th e P I contro l m e th od is adopted, w ith the enac t m en t and se lfadju stm ent o f the P I param ete r, in w hich the outpu t of PI regulato r is propo rtional to the i m port of th e deviation, and is a lso proportio na l to th e devia tion ti m e to the in te gra.l The P I contro l m e thod eli m ina tes the static erro r of the con tro l process and achieves a closedloop adjust m ent o f the precise valve contro.l The m onito ring softw are , PLC softw are, the comm unication soft w are of PLC and industria l com pu te r are designed. And th e con tro l, da ta acqu isition and processing of pum p te st are achieved . T he experi m ent indica tes th at th e P I contro l m e th od has fairly good stability and dynam ic behavio r to the flux adju st m en t in w a te r pum p testin g . K ey w ord s: PLC ;pum p testbed;P I con tro l;para m e ter se lfadjust m ent;f lux ad ju stm ent 进行水泵负载试验和汽蚀试验时需要对试验流 量进行调节 , 而水泵试验中流量调节 , 是通过对电动 阀门的开度大小调节来实现的 。 现有的试验台中阀 门控制大多采用手动调节 , 这不仅影响了试验的准
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有三种 : 点对点
(PP I) 方式 、DP方式和自由口通信方式 。 本系统中 采用自由 口通信 方式 , 工业 计算 机的 标准串 口为 RS232, S7 - 200 CPU224 提供一个 RS485 串口 。 西 门子公司提供的 PC /PP I电缆带有 RS232 /RS485 电 平转换器 , 因此不需增加任何硬件的情况下 , 可以很 方便地将 PLC 与工业计算机相联 。 PLC 与 PC 机的 通讯如图 1 所示 。
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排 灌 机 械 第 25 卷
两种方式 , 在自动失灵时 , 可切换到手动方式调节 。
过程变量振荡的周期和幅度的变化 , 确定极限频率 ω u 和极限增益 K u , 由此采用 Z -N 整定规则来求出 PI D 控制 器 的 增 益 K p 和 积 分 时 间 常 数 TI 的 推 荐值 。
图 3 电动阀门控制系统原理图
ห้องสมุดไป่ตู้
2 . 1 P I控制 P I 控制即比例积分调节控制 , P I调节的输出不 仅与输入的偏差成正比 , 还与偏差对时间的积分成 正比 , 可以消除控制过程中产生的静差 。 P I控制是一种线性控制 , 它根据给定值 r(t) 输 出的反馈信号 c(t) 构成控制偏差 : e(t) = r(t) - c(t) 其 P I控制方程为 u (t) = K P e(t) + 1 e(t)d t TI 0 式中 K P 为比例增益 ; T I 为积分时间常数 。 2 . 2 P I控制回路的参数设定及自整定 本系统采用的 S7 - 200 PLC 带有专门的 P ID 指 令 , 并具有 P I D 参数自整定功能 , 可以对 P I控制回 路的参数设定及自整定 。 通过 STEP7 - M icro W / I N V4. 0 编程软件及调用其中的 P I D 整定控制面板来 实现 。
Realization of the electric valve′ s PI control in pump test - bed based on PLC
YOU Y a feng , MA X in hua , LI Q iao jun , X iao Kaihua
(Techn ical and R esearch Center of F lu id M achiner y Eng ineering, Jiangsu U n iversity, Zh en jiang, Jiangsu 212013, C hina)
第 4 期 尤亚峰 等 : 基于 PLC 的水泵试验台电动阀门 P I控制的实 现
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确性 , 而且在快速响应方面也无法满足测试的高精 度要求 。 现采用电动阀门 , 通过计算机进行闭环控 制
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责接收 、 处理 、保存和显示泵 参数测量仪传 来的数 据 , 并通过流量值与设定值的比较 , 向 PLC 发出相 应的指令 。 工控计算机 测量系统开发平台为 : C + + Bu ild er 6 . 0, 使用平台 : W indow s 2000。 1 . 1 . 4 泵参数测量仪 该试验系统配备有适合于多种水泵测试的多功 能泵参数测量仪及软件 。 多功能泵参数测量仪收集 传感器上的模拟信号 , 由内部集成的 A /D 转换器转 变成数字信号 , 可测量电机的三相交流电压 、电流 、 功率 、 电网频率 、 转速和泵的出口压力等参数 。 测量 仪具有三个四位显示器 , 动态显示时可达六个 , 可显 示以上各量 。 在工控计算机 装上测量仪驱 动软件 后 , 通过 RS232串行口实现泵参数测量仪与工控计 算机的通讯 。 1 . 2 系统工作原理 系统的基本工作原理如图 2 所示 , 系统以一台 工业控制计算机 ( 以下简称工控计算机 ) 为中心 , 先 由它根据专家系统确定泵试验的各试验流量点 , 然 后通过泵参数测量仪收集传感器的数据 , 对采集的 相应数据进行处理分析 并向 PLC 发出指令实现阀 门动作控制 。 系统中 PLC 采用 P I 控制对阀门开度 进行闭环调节 。
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1. 1 . 2 电动阀门装置 本水泵实验台选用的是 Z 941H - 16C 型电动闸 阀 。 它的阀门闸板采用楔式结构 , 可 360° 任意位置 上安装 , 不受安装现场条件限制 , 可远距离操作 。 PLC 对电动闸阀的控制 , 是对电动闸阀的电动 执行机构进行控制 。 Z941 H - 16C 型电动闸阀选用 的是 ZAZ 型电动执行机构 , 它由可逆电动机 、减速 器、 推力机构 、 机械限位组件 、 手轮 、 弹性连轴器 、 反 馈螺旋电位器 、 行程限位开关 、电流信号变换器等组 成 。 PLC 通过控制可逆电动机的正反转来控制电动 闸阀开度的大小 。 1. 1 . 3 工控计算机 工控计算机是试验台测量分析系统的中心 , 负
收稿日期 :2007 - 05 - 08 基金项目 : 江苏省自然科学基金资助项目 (BK 2004406) 作者简介 : 尤亚峰 (1981 - ), 男 , 江苏常州人 , 硕士研究生 , 主要从事水泵自动测控方面的研究 。 马新华 (1956 - ), 男 , 江苏金坛人 , 副研究员 , 主要从事流体机械的理论 、设计方法和试验研究 。
第 25 卷 第 4 期 2007 年 7月
排 灌 机 械 D ra inage and Irrig ation M achinery
V o.l 25 N o . 4 July 2007
基于 PLC 的水泵试验台电动阀门 P I控制的实现
尤亚峰 , 马新华 , 李乔军 , 肖开华
。 笔者针对水泵试验台的特点 , 从实用性和
可靠性 , 基于 PLC 对电动阀门进行 P I控制的设计与 [ 4] 实现 。
1 系统硬件及工作原理
1 . 1 系统硬件组成 系统硬件主要由 PLC 、 电动阀门 、 工控计算机和 泵参数测量仪组成 。 1. 1 . 1 PLC 控制 本测试系统中 PLC 主要控制试验流量和泵进 口的绝对压力 , 它们分别由电磁流量计和压力变送 器提供模拟量 , 与阀门电动执行机构行程传感器所 提供的开关量 , 作为 PLC 控制的依据 。 根据对控制任务的要求 , 选择了 S ie m ens的模 块化中小型 PLC - S7 - 200。 其模块化 、无排风扇结 构和易于分布等特点 , S7 - 200 成为方便又经济的 控制方案的首选 。 S7 - 200系列 PLC 通信方式