基于PLC的双液体分层控制系统设计

秦海瑞， 毛亦存, 郑治

(上海市东方海事工程技术有限公司，上海 200011)

基于PLC的双液体分层控制系统设计

秦海瑞， 毛亦存, 郑治

(上海市东方海事工程技术有限公司，上海 200011)

介绍了一种基于PLC的双液体分层控制系统。通过西门子CPU224XP可编程控制器，配以变频器、电动阀和流量计实现双液体的分层控制。重点介绍系统的硬件结构设计及系统的控制方法。可促进系统在工业生产中的广泛应用。

PLC；MM420；电动调节阀；流量计；工控机；液位计

0 引 言

随着化工、海工行业的发展，越来越多的场合需要进行两种液体的分层控制，本文所述系统涉及的硬件均为工业领域常用的成熟产品，两种液体的分层控制方式分别为：跃变分层和线性分层。

1 系统总体概述

整个系统由上位机(研华工控机)、可编程控制器PLC(CPU224XP)、变频器、水泵、电动调节阀、流量计、液位计、液体A箱、液体B箱和试验箱组成。分层系统示意图如图1所示。

图1 分层系统示意图

2 系统实现

上位机用于人机对话[1]；可编程控制器PLC为系统控制核心；水泵、电动调节阀作为系统执行机构；流量计作为信号反馈装置；PLC和上位机之间采用MPI通讯，PLC和变频器间采用Modbus通讯[2]，PLC输出4 mA～20 mA信号控制电动调节阀的开角，流量计将测量值转化为4 mA～20 mA信号输出至PLC。控制系统框图如图2所示。

图2 控制系统框图

2.1 硬件设计

本系统选用的是西门子CPU224XP，该CPU内置：14个DI和10个DO，6个HSC输入，2个脉冲输出(100 kHz)，2个AI和1个AO，程序存储器12 288 B，数据存储器10 240 B，2个通讯接口RS485[3]。变频器MM420供电电压为三相交流(或单相交流)，具有现场总线接口选件，可以用于传送带，材料运输机，泵类，风机和机床的驱动[4]。

2.2 控制方法

2.2.1 跃变分层

跃变分层分为两层，一层为液体A层，另一层为液体B层(A层的浓度大于B层的浓度)。跃变分层开始时，首先注液体B，将电动调节阀B全开，变频器控制水泵启动,以一定转速运行(转速可设定)，此时液体B的瞬时流量为Q21(t)，Q21(t)以1s为周期进行累加得到液体B的总体积V2，当液体B的总体积V2等于液体B的体积设定值时，跃变分层液体B注入过程结束，此时关闭水泵，然后关闭电动调节阀B。

跃变分层液体A注入过程原理同液体B注入过程。

2.2.2 线性分层

线性分层过程与跃变分层过程相比较为复杂，液体的总体积为V,总液体流量设定值为Q(t),总液体流量实际值为Q0(t)，液体A的流量设定值为Q12(t)，液体A的实际流量值为Q11(t)，液体B的流量设定值为Q22(t)，液体B的实际流量值为Q21(t)。

Q12(t)=Q(t)-Q22(t)；

Q22(t)=Q(t)2·t/V；

Q(t)=V/T；

Q0(t)=Q11(t)+Q2(t)1。

考虑到液位高度等因素对流量的影响，从如下几步来实现控制(见图3)：

首先、要找到Q(t)与电机转速R之间的关系。

如果以Q(t)为输入量，以Q0(t)为反馈量，以R(t)为输出量进行过程建模。

图3 PID调节原理图

PID控制器[5]的输入输出关系为：

相应的传递函数为：

但在实际应用中Q(t)与Q0(t)偏差较大，无法满足技术指标，为此采用如下方法提高控制精度：

(1)在0～T时间范围内，选取若干个时间点，T1、T2、T3…Tn，分别手动测出对应时间点保证流量为Q(t)时的电机转速Rn。

(2)R1、R2、R3…Rn建立折线关系，得出转速基础值R′(t)。

(3)进行过程建模(如图4所示)。

图4 线性分层PID调节原理图

(4)Q(t)与Q0(t)偏差值经实际测试，满足技术要求。

其次、电动调节阀B开度的控制：

按照流量方程Q22(t)=Q(t)2·t/V，算出液体B流量设定值Q22(t)，以流量计B的输出信号Q21(t)为反馈量，以Q22(t)为输入量,以电动调节阀B开度为输出量，进行过程建模。

再次、电动调节阀A开度的控制：

按照流量方程Q12(t)=Q(t)-Q22(t)，算出液体A流量设定值Q12(t)，以流量计A的输出信号Q11(t)为反馈量，以Q12(t)为输入量,以电动调节阀A开度为输出量，进行过程建模。

当分层时间到或者试验箱内水位达到要求高度后，系统就自动完成了线性分层过程。

2.3 消除随机干扰的措施

2.3.1 硬件处理

(1)所有模拟量电缆均采用屏蔽双绞线并可靠接地。

(2)控制电源经三重滤波。

(3)所有模拟量电缆均加装磁环。

2.3.2 软件处理

(1)平均值法:

(2)几个采样时刻的采样值求平均代替当次的采样值:

(3)将矩形积分改为梯形积分:

(4)四点中心差分法[6](如图5所示):

图5 中心差分图

(5)微分项:

本控制系统采用此种措施消除随机干扰。

3 系统运行性能分析

由于篇幅有限，在这里仅给出线性分层实际运行效果图如图6所示，流量调节精确达到±0.05%。

图6 线性分层实际运行效果图

4 结束语

实践表明，利用PLC、变频器、电动调节阀等组成的双液体分层控制系统具有结构简单、价格低廉、响应速度快、分层效果好、易于编程等优点，可广泛应用于化工、海工等行业，具有重要的应用和参考价值。

[1] 冉振亚，陈方辉，汪仁志，等.基于单片机的电动车永磁直流电机控制系统设计[J].机械工程与自动化，2009,38(6)：124-125.

[2] 郭琼，姚晓宁.现场总线技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2011.

[3] S7-200CN可编程序控制器产品样本[K].上海：西门子(中国)有限公司，2013.

[4] 产品样本Siemens DA51.2.2006[K].上海：西门子(中国)有限公司,2006.

[5] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].3版.北京:机械工业出版社,2011.

[6] 杨树兴,李擎,苏中，等. 计算机控制系统—理论.技术与应用[M].1版. 北京：机械工业出版社，2006.

Design of a PLC-based Dual-liquid Hierachical Control System

QIN Hai-rui, MAO Yi-cun, ZHENG Zhi

(Shanghai Oriental Maritime Engineering Technology Co., Ltd., Shanghai 200011, China)

This article introduces a PLC-based dual-liquid hierachical control system, realized through SIEMENS CPU224XP Programmable Logic Controller in combination with a frequency converter, an electrically operated valve and a flow meter, with emphasis on the design of the hardware structure as well as system control method. This research project can promote wide application of the system in industrial production.

PLC, MM420; electrically operated valve; flow meter; industrial personal computer;content gauge

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.02.032

TP273/278

A

1000-3886(2015)02-0095-02

秦海瑞(1982-)，男，上海人，工程师，研究方向：过程控制工程及自动化。 毛亦存(1990-)，男，上海人，助理工程师，研究方向：电气自动化。 郑治(1972-)，男，湖北武汉人，工程师，研究方向：工业电气自动化。

定稿日期: 2014-06-17