基于PLC和變頻器的冷媒水壓力控制

　　1引言
　　
　　冷媒水是工廠公用工程的基本系統。基于plc和變頻器的冷媒水壓力控制系統具有自動化程度高、節能、安全衛生、維護方便等優點；采用frofibus總線技術，擴展性高；上位計算機控制系統具有過程畫面動態顯示、流程管理及打印等*功能。
　　
　　2系統原理設計
　　
　　2.1系統總體
　　
　　（1）目標設計
　　
　　系統設計的目標是在生產崗位冷媒用水需求變化的情況下，使用plc自動控制技術保持管網供水壓力穩定，以達到節能減排，減低成本的目標。
　　
　　（2）方案設計
　　
　　每臺冷凍機配有2臺泵，正常運行時其中任一臺運行于調速狀態，而另一臺泵備用，也可隨時投入狀態運行。兩臺泵的運行狀態的切換采用手動方式，并要求兩臺泵互鎖，不能同時投入運行。為使各泵平均工作時間相同，需要設置定時換泵功能。設定定時換泵功能后，當一臺泵連續工作時間超過設定值后，且備有泵處于“休息”狀態，則系統提示換泵，以保證各臺水泵運行時間均等，延長水泵使用壽命。當變頻器發生故障時，能夠自動轉換至工頻繼續運行，以確保供水不間斷。
　　
　　（3）功能設計
　　
　　系統具備報警功能、實時監控和數據存儲等功能。報警顯示包括越限報警和故障報警。當預置監視的模擬量超過所規定的界限值或開關量狀態跳至報警位，即產生越限報警。當預置監視的設備或工藝過程發生故障，控制系統發生故障即產生故障報警。一旦發生報警事件，報警信號上傳上位機，同時接入蜂鳴器進行報警，報警記錄顯示不同的顏色。上位工控機對各水泵的開啟、關閉或故障等實時狀態，以及溫度、出口壓力、調節閥開度和水泵轉速等實時數據進行存儲，并可進行快速報表查詢及打印。
　　
　　2.2系統組成
　　
　　本系統設計包括上位機、就地觸摸屏和下位機三部分。上位機顯示工藝流程顯示圖、參數成組顯示圖、設備運行狀態顯示、動態顯示冷媒水的溫度、壓力和水泵轉速等數據。同時具有高速歷史數據的存儲和查詢、報警等功能。就地觸摸屏上也可以動態的顯示冷媒水的溫度、壓力和水泵轉速等數據。下位機plc實現冷媒水自動控制過程。
　　
　　下位機系統采用西門子s-7200plc、abb變頻器、壓力傳感器、溫度傳感器、模擬調節閥門及其他控制設備組成。plc控制部分，因系統有6個模擬量輸入，4個模擬量輸出，需使用擴展單元，所以選用主機為cpu224plc一臺，加上兩臺模擬量輸出模塊em232，再擴展一個模擬量i/o模塊em235。采用em277frofibus-dp模塊與上位機進行通訊[1]。該模塊用于接受上位機指令并上傳報警信號。
　　
　　2.3控制原理
　　
　　系統采用兩路pid閉環控制，根據壓力表測得的數據分別調整比例閥和水泵轉速，保證崗位上冷媒水壓力穩定，并使整個系統達到zui節能。系統原理框圖如圖1所示。

　　
　　圖1系統原理圖
　　
　　在冷凍機開啟運行時，控制系統控制冷媒水循環泵按照恒流量，此時水泵轉速置為zui大，壓力傳感器檢測管網壓力，輸出4-20ma的電流信號到plc。該壓力反饋信號與壓力給定信號經模糊pid控制程序計算，輸出控制信號給模擬調節閥。當壓力不足時，減小模擬調節閥的開度，減少冷媒水回流，從而提高出水壓力；反之則增大模擬調節閥開度，增加冷媒水回流，降低出口壓力。當冷凍機停止運行即冷媒水溫度達到設定溫度時，控制系統自動控制冷媒水泵切換到變流量恒壓。此時模擬調節閥關閉，壓力反饋信號與壓力給定信號經plc內部另一路模糊pid控制程序計算，輸出一個轉速控制信號給變頻器。當壓力不足時，變頻器增大輸出頻率，水泵轉速加快，供水量增加，迫使出口壓力上升。反之水泵轉速減慢，供水量減小，出口壓力下降，從而保證冷媒水壓力穩定。該系統保持出口壓力穩定在0.4mpa，從而保證冷凍機的工作效率。壓力調節精度為設定值的±5%，即±0.02mpa，并能在0.5-2秒內變化的壓力恢復正常。

3 冷媒水溫度模糊pid控制器

　　3.1 模糊pid控制特點

　　經典pid閉環算法難于實現冷媒水壓力調節系統控制收斂。模糊pid控制利用當前的控制偏差，結合被控過程動態特性的變化，并針對具體過程的實際經驗，根據一定的控制要求或目標函數，通過模糊規則推理確定控制參數，實現對系統的控制。

　　模糊控制對數學模型的依賴性弱，不需要建立過程的數學模型。模糊控制對系統動態過程有較好的控制作用，但對系統的靜態誤差無法消除。因此針對模糊控制和pid控制的各自特點，應用pid控制結合模糊控制的方法實現對系統的階梯分段控制將會取得良好的控制效果。

　　3.2 模糊pid控制過程

　　本系統由于用戶用水需求不確定，管網水壓波動較大，數學模型很難確定，而模糊控制不需要的數學模型，因此壓力控制算法采用模糊pid控制方式[2]-[4]進行設計。

　　模糊pid控制以誤差e和誤差變化ec作為輸入，經模糊化后用模糊語言描述，利用模糊控制規則來判斷控制量的真實值, 輸出變量為u，為4～20ma的控制電流。模糊控制器的工作過程可以描述為：首先將模糊控制器的輸入量轉化為模糊量，以供模糊控制邏輯決策系統用,模糊決策器根據控制規則決定模糊關系r，應用模糊邏輯推理算法得出控制器的模糊輸出量,zui后經計算得出控制量控制被控對象。模糊pid控制圖如圖2所示。


圖2 模糊pid控制框圖

　　對壓差e、壓差變化率ec和控制量u的模糊語言變量分別為e、ec和u，其模糊語言變量的模糊語言值均為：{nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb}，表示{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}。一般模糊論域中所含元素個數為模糊語言詞集的2倍，所以模糊論域為{-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6}。根據比例因子ke和kec將e和ec模糊化。

　　其中n=6，管網壓力變化范圍為0. 3～0.5mpa ,而設定值為0.4 mpa，得出誤差的基本論域e∈[ - 0. 1、0.1]；由經驗得知，在正常情況下壓力變化不會超過0.05 mpa/s，故誤差變化量的基本論域ec∈[ - 0. 05、0.05]；因此可得誤差e和誤差的增量ec的比例因子分別為60和120。考慮對論域的覆蓋程度、靈敏度和魯棒性原則，本系統隸屬函數選擇為三角形隸屬函數。

　　模糊控制規則是模糊控制的核心，它能夠模擬人的基于模糊概念的推理能力，也就是利用語言歸納手動控制策略的過程。模糊控制的確定，實質上是將控制經驗加以總結而得出一條條模糊條件語句。用復合條件語句表示為：if
　　　　 e=nl andec=nl
　　　　　then u=nl，從而使系統輸出響應的動態特性和靜態特性都達到*。本系統中，由于e和ec各有7個語言輸入值,故共有7×7=49條if-then語句，可歸納為模糊控制規則表，具體如附表所示。

4 結束語

　　本文設計一種基于plc和變頻器的且具有遠程監控功能的冷媒水自動控制系統，具有響應快速、準確，操作方便，維護便利，節能等特點。將模糊pid控制器應用于該恒壓控制系統，彌補了傳統pid控制的不足，改善了系統的非線性、大滯后性等特征，提高了系統的魯棒性。