基于PLC的泵流量控制系统研究

陈明新 唐铃凤 胡 建 王玉勤

（1 安徽工程大学，安徽 芜湖 241000）

（2 巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

随着现代工业的不断发展，对泵的流量控制系统的精度要求越来越高。单纯的泵的流量系统由于误差大，控制精度不高，而且不能实时控制泵的流量，需要大量的劳动力，既不能满足工厂生产的实际需要又浪费了大量的劳动力。因此，对泵的流量控制系统的研究是十分必要的，本文基于PLC对泵的流量控制系统进行研究。利用PLC对泵进行研究已经有不少先例，例如：徐州贝斯特公司运用PLC控制混凝土输送泵提高了泵的可靠性；文献[1]介绍了PLC在船舶泵自动控制系统中的应用以及泵控制系统新功能。上述只是对泵的性能以及泵的控制系统新功能进行研究，但是针对PLC在脱硫除尘中泵的流量控制系统的研究目前还没有涉及，本文结合工厂具体生产实际问题，基于PLC对泵的流量控制系统研究，利用s7-200 PLC中自带的PID向导生成PID控制程序，运用PID控制面板实现对泵的流量在线监控，同时采用语句表和梯形图对泵的流量进行控制，不仅提高了泵的流量控制的精度，满足工厂的实际需要，而且实现了自动化控制，节约了时间和成本，提高了作业效率。

2 PLC的泵流量闭环控制系统方框图

西门子产品在国内应用较为广泛，其中s7-200 PLC性价比较高，结构紧凑，在中小型控制系统中占有一定的地位。基于此本文采用s7-200 PLC，PLC的工作方式是循环扫描，在PLC中按照程序的先后顺序执行，CPU从第一条语句开始执行，直到程序结束再次返回到第一条语句，如此周而复始的不断循环[2]。泵的流量控制系统主要由控制器、变频器﹑电机、泵和流量传感器组成。图1是PLC[3]的泵流量闭环控制系统方框图。

图1 PLC的泵流量闭环控制系统方框图

由图1可知：给定值SPn与经模数（A/D）转换后的过程变量PVn相比较形成误差en，通过控制器的处理，经数模转换器把数字信号转换为模拟信号输送给变频器，改变变频器的频率可以改变电机转速，通过改变电机转速改变泵的转速，不仅可以有效的调节泵的流量，还可以提高电机和泵的使用寿命，通过流量传感器检测泵的流量，使过程变量与设定值不断比较，不断地对泵的流量进行校正控制，这样可以提高泵的流量控制系统精度。

3 PID在PLC的泵流量闭环控制系统中的应用

在现代工业生产中，泵的流量控制采用PLC编程结合闭环控制系统实现，现在，很多PLC都自带PID控制功能，例如：S7-200 PID指令。利用PLC中的PID功能可以对泵的流量进行实时控制和自动控制[4]，提高泵的流量控制性能。PID是比例环节、积分环节和微分环节的缩写。比例控制是一种最简单的控制，比例环节P的作用是减少误差，其控制器的输出与输入的误差信号成比例；当积分环节存在时，积分环节I的主要作用是提高系统的抗干扰能力，消除静态误差，其控制器的输出与输入的误差信号的积分成正比；当微分环节存在时，微分环节D的主要作用是反映误差的变化率，提高系统的动态特性，其控制器的输入与输出的信号误差的微分成正比。图2是PID 控制结构框图，图2 中 r（t）是输入信号，e（t）是系统误差，u（t）是控制量，c（t）是输出信号。

图2 PID控制结构图

在连续的控制系统中，模拟量是连续变化的，不妨令SPn是给定值，PVn是过程变量，则系统误差e（t）=SPn-PVn，PID控制的输出量=比例环节+积分环节+微分环节+初始值，即：

式中：M（t）—输出值；

Kc—PID的回路增益；

TI—积分时间；

TD—微分时间；

Mi—PID回路的输出初始值。

在利用PLC与PID控制相结合对泵的流量进行控制时，需要把连续的PID控制转化为离散的PID控制，设Ts是采样时间，在t=0时系统开始运行，对式（1）进行离散化，在第n次采样时PID控制器的输出是：

式中：Mn—控制器的输出值；

en—第n次采样的误差；

en-1—第n-1次采样的误差；

Kc—PID回路的增益；

KI—PID回路的积分系数；

KD—PID回路的微分系数。

式（2）可以简化为式（3），在每一次计算时，计算上一次的积分项MX和上一次的误差en-1即可。

PLC结合PID控制的编程，实际上采用的是改进型的PID，其表达式如式（4）所示：

式中：MPn—比例项；

M In—积分项；

M Dn—微分项。

西门子s7-200 PLC中PID的控制依据是根据改进型的PID算法，即式（4）进行编程，能够实现对被控对象的控制，提高泵的流量控制精度。

4 泵流量控制的实验验证

4.1 流量控制的PLC系统接线原理图

图3是PLC系统接线原理图，当通入三相电源时，闭合开关QF1和KM1，变频器和电机起动，同时接入的三相电源经变压器处理给CPU226供电，把编写好的程序下载到CPU226CN中即可实现对泵的流量控制。

图3 流量控制的PLC系统接线原理图

由图3可知：Q0.0控制变频器的起停；Q0.1控制KM1继电器的通、断电；Q0.2控制工作指示灯泡 （HL2）的通断；Q0.3控制底限报警灯泡（HL3）的通断；Q0.4 控制高限报警灯泡（HL4）的通断。

4.2 PLC的I/O分配表

根据PLC编程的理论知识和泵的流量控制系统接线原理图，编制PLC的输入/输出分配表，具体分配如表1所示：

表1 PLC的I/O分配表

4.3 硬件电路连接

在做PLC硬件电路连接时，需要考虑CPU226自带的24V直流电源是否能满足实验的要求。在本次实验中，用到的模块如下：（1）CPU22 6CN/AC/DC/RLY，（2）1个 4输入的 EM231模拟量扩展模块，（3）1个2输出的EM232模拟量扩展模块。该配置有28个输入端口，18个输出端口（其中数字量输入端口24个，数字量输出端口16个，模拟量输入端口4个，模拟量输出端口2个）。在计算电源的定额时，因为CPU226已经给内部线圈分配了所需要的电源。因此，无需计算内部继电器线圈所需的电源[5]。泵的流量控制的电源定额计算如表2所示：

表2 泵的流量控制的电源定额计算

当有扩展模块时，CPU226通过I/O总线为扩展模块提供5VDC，所有扩展模块之和不能大于CPU226提供的电源定额。CPU226自带1个2 4VDC，它可以为本机的输入点、扩展模块的输入点等提供24VDC。当超过电源定额时，可以外接1个24VDC给扩展模块供电。由表2可知：CPU2 26内部的5VDC提供的电流是1000mA，系统要求5VDC的电流是40mA，剩余960mA；CPU226自带的24VDC提供的电流是400mA，系统要求24VDC的电流是226mA，剩余174mA。均在提供的电流范围内，故上述模块的选择是合理的。

合理确定电路系统接线原理图、I/O分配表以及计算电源定额满足系统要求之后，需要根据系统接线原理图连接硬件电路，并根据现场情况进行调试和安装，确保硬件电路连接的正确性。泵的流量控制系统PLC的硬件电路连接图如图4所示：

图4 硬件电路连接图

4.4 程序编写

为了减少PID程序编写的难度，V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件自带有PID向导生成面板，按照操作步骤即可完成对PID程序的编写。PID控制程序如图5所示：PV-I对应的是AIW0模拟量输入信号，Setpion对应的是设定值 （百分比），Output对应的是AQW0模拟量输出信号。

图5 PID向导生成的PID程序

在用PID向导生成PID控制程序之后，可以用PID调节控制面板监视PID控制回路，图6是PID自整定过程的波形图，当点击开始自动调节按钮，开始对PID进行自整定，当自整定结束后，会生成自整定之后对应的相关的PID参数。

图6 PID自整定过程的波形图

由图6可知：在自整定的过程中过程变量不断逼近设定值，直至达到系统要求，实现对泵的流量的在线自整定。上述是用PID控制面板实现在线监控，达到控制泵的流量的效果。在实际操作中，由于设备干扰和配置原因等可能造成上述方法运用不是很理想。下面是通过基本的编程，实现对变频器频率的控制，变频器频率的改变可以改变电机的转速，电机转速的改变，可以改变泵的转速，进而改变泵的流量。当模拟量输入时，需要根据实际情况，转化为对应的泵的流量，这样便于观察，同样模拟量输出也可按照模拟量的转化依据进行转化。具体转化公式为：

式中：Ov—转换结果；

Iv—转换对象；

Osh—转换结果高限；

Osl—转换结果低限；

Ish—转换对象高限；

Isl—转换对象的低限。

根据式（5）可以把模拟量输入转换成对应的实际的流量，这样更直观的观察实验现象。根据PLC编程中的语句表和式（5）把模拟量输入转化成对应的实际值的程序如下所示[6]：

Network 2

LD SM0.0

-R #Osl：LD10,#Osh：LD6

-I#Isl：LW4,#Input：LW0

ITD #Input：LW0,LD18

DTR LD18,LD22

*R LD22,#Osh：LD6

-I#Isl：LW4,#Ish：LW2

ITD #Ish：LW2,LD18

DTR LD18,LD22

/R LD22,#Osh：LD6

+R #Osl：LD10,#Osh：LD6

MOVR #Osh：LD6,#Output：LD14

根据式（5）把变频器的频率转化成对应的模拟量输出信号数值，具体的转化语句表如下所示：

Network 2

LD SM0.0

-I#Osl：LW14,#Osh：LW12

ITD #Osh：LW12,LD18

DTR LD18,LD22

-R #Isl：LD8,#Input：LD0

*R #Input：LD0,LD22

-R #IslD8,#Ish：LD4

/R #Ish：LD4,LD22

ROUND LD22,LD18

DTI LD18,LW26

+I#Osl：LW14,LW26

MOVW LW26,#Output：LW16

上述是对模拟量输入/输出的转换，当模拟量输入在设定值范围内时，满足实际工作要求，当不在设定值范围时，需要通过比较，自动调节变频器频率，使实际流量输出在设定值范围内。

图7 流量下限梯形图

图8 流量上限梯形图

图7和图8分别是流量下限梯形图和流量上限梯形图[7]。此编程使泵的流量在设定范围内，通过编程和现场调试，两种方法均能控制泵的流量在允许的范围内。达到了控制泵的流量的目的。

5 结论

通过PLC的泵流量闭环控制系统方框图分析，得出流量控制的 PLC系统接线原理图，根据系统接线原理图对硬件进行连接、编程和现场调试。结果表明：基于PLC编程的两种方法对泵的流量控制是可行的，不仅提高了泵的流量控制的精度，满足工厂的实际需要，而且实现了自动化控制，节约了时间和成本，提高了生产效率。

[1] 曹京生.PLC在泵自动控制系统中的应用[J].电工技术与自动化，2003，（4）：77-79.

[2] 王曙光，魏秋月，张高记.S7-200PLC应用基础与实例[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[3] 蔡滨，吴禄慎.基于PLC双闭环控制供水系统的研究[J].计算机与现代化，2010，（2）：124-126.

[4] 廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2002.

[5] S7-200可编程序控制器系统手册[Z].北京西门子培训中心，2004.

[6] 苗涛，曹云东.利用 PLC 模拟量控制伺服电机转速[J].科技信息，2008，（7）：82-82.

[7] 肖丽仙.顺序控制设计法在PLC编程中的应用[J].动化技术与应用，2013，（2）：42-45.