基于PLC的水泵试验台电动阀门PI控制的实现

图 !" 电动阀门控制系统原理图
!" #$ %& 控制 #$ 控制即比例积分调节控制， #$ 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。 #$ 控制是一种线性控制， 它根据给定值 （ ! "） 输 出的反馈信号 （ # "） 构成控制偏差： （ $ "）% （ ! "）& （ # "） 其 #$ 控制方程为 ’ % （ "） & ’ # （ $ "）( （ $ "） )" )$ (
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第 !" 卷 第 # 期 !$$% 年 % 月
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基于 <=> 的水泵试验台电动阀门 </ 控制的实现
尤亚峰，马新华，李乔军，肖开华
（ 江苏大学 流体机械工程技术研究中心， 江苏 镇江 !?!$?@ ）
图 08 联机工作方式
$" 电动阀门控制方法
图 !8 $%& 与 $& 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，
［ < " 6］ 。 $’ 控制的最大优点是减小 这里采用 $’ 控制
!# !# $" 电动阀门装置 本水泵实验台选用的是 9:(!; " !<& 型电动闸 阀。它的阀门闸板采用楔式结构， 可 #<1= 任意位置 上安装， 不受安装现场条件限制， 可远距离操作。 $%& 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。 9:(!; " !<& 型电动闸阀选用 的是 9>9 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。$%& 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。 !# !# %" 工控计算机 万方数据 工控计算机是试验台测量分析系统的中心， 负
:60’-#,’：A4- 31+0(17 1H -7-30(*3 L)7L- *G *OP1(0)+0 01 04- );01Q31+0(17 G5G0-O 1H 04- P;OP 0-G0QR-.8 A431+0(17 G5G0-O 1H -7-30(*3 L)7L- ).1P0G *+.;G0(*)7 31OP;0-( ，S4*34 .-0-(O*+-G 04- 1P0*O)7 1P-()0*+, 31+.*Q 0*1+G 1H 04- 0-G0 H7;T )331(.*+, 01 -TP-(0 G5G0-O8 U*04 G-+G1( .)0) (-3-*L-. H(1O 04- P;OP P)()O-0-( O-)G;(*+, *+G0(;O-+0 ，04- *+.;G0(*)7 31OP;0-( )+)75G-G )3V;*G*0*1+ 1H 04- 31((-GP1+.*+, .)0) )+. G-+.G *+G0(;30*1+G 01 04- <=>8 /+ 04- <=> ，04- </ 31+0(17 O-041. *G ).1P0-.，S*04 04- -+)30O-+0 )+. G-7HQ).Q N;G0O-+0 1H 04- </ P)()O-0-(， *+ S4*34 04- 1;0P;0 1H </ (-,;7)01( *G P(1P1(0*1+)7 01 04- *OP1(0 1H 04- .-L*)Q 0*1+，)+. *G )7G1 P(1P1(0*1+)7 01 04- .-L*)0*1+ 0*O- 01 04- *+0-,()78 A4- </ 31+0(17 O-041. -7*O*+)0-G 04G0)0*3 -((1( 1H 04- 31+0(17 P(13-GG )+. )34*-L-G ) 371G-.Q711P ).N;G0O-+0 1H 04- P(-3*G- L)7L- 31+0(178 A4O1+*01(*+, G1H0S)(- ，<=> G1H0S)(-，04- 31OO;+*3)0*1+ G1H0S)(- 1H <=> )+. *+.;G0(*)7 31OP;0-( )(- .-Q G*,+-.8 C+. 04- 31+0(17，.)0) )3V;*G*0*1+ )+. P(13-GG*+, 1H P;OP 0-G0 )(- )34*-L-.8 A4- -TP-(*O-+0 *+.*Q 3)0-G 04)0 04- </ 31+0(17 O-041. 4)G H)*(75 ,11. G0)R*7*05 )+. .5+)O*3 R-4)L*1( 01 04- H7;T ).N;G0O-+0 *+ S)0-( P;OP 0-G0*+,8 ;"< =(-70：<=> ；P;OP 0-G0QR-.；</ 31+0(17；P)()O-0-( G-7HQ).N;G0O-+0；H7;T ).N;G0O-+0 & & 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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式中 ’ # 为比例增益；) $ 为积分时间常数。 !" !$ %& 控制回路的参数设定及自整定 本系统采用的 *+ & ,(( #-. 带有专门的 #$/ 指 令， 并具有 #$/ 参数自整定功能， 可以对 #$ 控制回 路的参数设定及自整定。通过 *01#+ & 23456 7 8$9 :;< ( 编程软件及调用其中的 #$/ 整定控制面板来 实现。
第 ( 期8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 尤亚峰等：基于 $%& 的水泵试验台电动阀门 $’ 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
［ ! " #］
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 $%& 发出相 应的指令。工控计算机测量系统开发平台为： &? ? @A*BC+D <E 1 ， 使用平台： F*-CGH. 0111 。
。笔者针对水泵试验台的特点， 从实用性和 。
可靠性， 基于 $%& 对电动阀门进行 $’ 控制的设计与 实现
［ (］
!" 系统硬件及工作原理
!# !" 系统硬件组成 系统硬件主要由 $%& 、 电动阀门、 工控计算机和 泵参数测量仪组成。
!# !# !" $%& 控制 本测试系统中 $%& 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 $%& 控制的依据。 根据对控制任务的要求， 选择了 )*+,+-. 的模 块化中小型 $%& " )/ " 011 。其模块化、 无排风扇结 构和易于分布等特点， )/ " 011 成为方便又经济的 控制方案的首选。 ［ 2］ 有三种： 点对点 )/ " 011 系列 $%& 通信方式 （ $$’） 方式、 3$ 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 4)0#0 ， )/ " 011 &$500( 提供一个 4)(62 串口。西 门子公司提供的 $& 7 $$’ 电缆带有 4)0#0 7 4)(62 电 平转换器， 因此不需增加任何硬件的情况下， 可以很 方便地将 $%& 与工业计算机相联。$%& 与 $& 机的 通讯如图 ! 所示。
图 ;" 继电反馈系统框图
继电反馈系统的框图 ; 中 , （ -） 是过程的传递 $ 是偏差， %是 函数， . 是控制器输出， . @MI 是设定值， 操作的输入。 因为相位延时是 & !， 所以产生了一个周期是 + J 的极限振荡。因此， 从继电反馈测试得到的极限 频率是
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近似地认为是
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系统的稳态误差， 但在一定程度上增加了调节时间。 根据本试验台控制需要， 减少流量调节的稳态误差 是至关重要的， 对调节时间的要求有一定的宽裕。 所以 $’ 控制可很好地满足对电动阀门的控制要求。 在选择反馈信号时， 考虑采用阀门开度或流量 信号， 这两个信号都是系统需要采集的。阀门开度 信号虽然在快速响应上更有优势， 但不能确定相应 的流量值， 无法实现模糊控制， 在这里采用流量信 号。其中 $’ 控制器是通过 )/ " 011 $%& 调用程序 模块实现的， 其控制原理图如图 # 所示。 阀门通过控制台上的开关控制， 有手动和自动
V,
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两种方式， 在自动失灵时， 可切换到手动方式调节。
过程变量振荡的周期和幅度的变化， 确定极限频率 由此采用 U & 9 整定规则来求出 ! J 和极限增益 ’ J ， #$/ 控 制 器 的 增 益 ’ O 和 积 分 时 间 常 数 ) $ 的 推 荐值。
摘& 要：阀门控制是水泵试验台自动控制系统的一个关键。采用工业控制计算机， 根据专家系统 确定最优工况的各试验流量， 通过泵参数测量仪接收传感器的数据， 对采集的相应数据进行处理分 析并向 <=> 发出指令， <=> 采用 </ 控制方法， 通过 </ 控制的参数设定及自整定。根据 </ 调节的 输出与输入的偏差成正比， 还与偏差对时间的积分成正比， 消除了控制过程中产生的静差， 实现了 阀门闭环调节的精确控制。设计了监控软件、 <=> 软件、 <=> 与工控计算机的通信软件， 实现了水 泵试验的控制、 数据采集和处理。试验表明， </ 控制方法对水泵试验中流量的调节具有较好的稳 定性和动态特性。 关键词：<=> ；水泵试验台；</ 控制；参数自整定；流量调节 & & 中图分类号：A<!%@ B 8 !#& & 文献标识码：C& & 文章编号： ?$$" D E!"# （ !$$% ） $# D $$"$ D $#
!# !# &" 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 > 7 3 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 4)0#0 串行口实现泵参数测量仪与工控计 算机的通讯。 !# $" 系统工作原理 系统的基本工作原理如图 0 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 $%& 发出指令实现阀 门动作控制。系统中 $%& 采用 $’ 控制对阀门开度 进行闭环调节。
收稿日期： !$$% D $" D $W 基金项目：江苏省自然科学基金资助项目 （ XY!$$##$E ） 作者简介：尤亚峰 （ ?ZW? D ） ， 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。 万方数据 马新华 （ ?Z"E D ） ， 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。