基于OMRON_PLC 的PID 恒压控制，实现压机冷却循环系统的控制

程碧峰，龙海仁，招伟培，黄帅

（重庆市东鹏智能家居有限公司，重庆 402160）

1 前言

一般根据水的恒压控制理论，水泵消耗功率与转速的三次方成正比，即kW=K×n3,KW：为水泵消耗功率；n：为水泵运行时的转速；K 为比例系数，水泵的转速用变频器来调节，使用变频设备可使水泵运行平均转速比传统工频转速降低20%，从而达到降低能耗的目的，节能率可达20%-30%。本厂使用的变频器是安川变频器，可视化控制界面是威纶通品牌的触摸屏控制装置，通过后者实现OMRON(欧姆龙)_PLC 机对变频器的控制，以达到降低压机冷却水用量的目的。

2 冷却水流量计算及管道设备设计

本生产基地共有16 台自动液压压砖机PHC4300，压机正常工作时，一般需要保证液压油油温在45℃左右。为了保证正常工作，每台自动液压压机都配有其独立冷却水系统（热交换系统），单台压机的冷却水一般需求量在15-20m3/h 左右，总冷却水量约240-320m3/h 左右，根据系统的用水量每小时240-320m3/h 左右，我们选择DN250 镀锌管道（当压力为2.5kg·f/cm2时，管道流量为440m3/h 左右），这样有一定余量方便以后新增设备。循环水泵选择单级泵KQW250/350-75/4(流量450M3/小时，扬程41M)。

日常使用过程中，可根据气温的变化及自动液压压砖的工作频率的变化，为了节约能源自动液压压砖机的循环冷却水系统采用PID 恒压控制。

3 循环水控制系统的布局图及所需设备

3.1 应用布局图

应用布局图,如图1 所示。

图1 布局图

3.2 系统所需设备

设备包括工程系统用的电器OMRON_PLC_CP1H_CP1H-XA40DR-A、安川变频器A1000 1 台、威纶通触摸屏1 个、麦克MPM/MDM484C 型压力控制器1 个、75kW 水泵2 台、两芯屏蔽电缆线、西门子接触器、OMRON 中间继电器、工业用电柜、铜芯电缆线3×70m2+1×35 m2等材料。

4 OMRON(欧姆龙)_PLC 的PID 控制原理及实例简介

4.1 控制原理

OMRON_PLC_CP1H_CP1H-XA40DR-A 自带4 路模拟量输出和2 路的模拟量输出，其模拟量输入和输出都可以按标准的电压信号或电流信号接入（接入标准的电压信号和电流信号需在编程软件里设置相关对应的参数），接入模拟量的值通过PLC 运算转换后的数字量（反馈值）给PID 指令，PID 指令根据反馈值与设定值的识差运算后的输出值去控制变频器频率，实现恒压控制。

4.2 实例简介

（1）本案例中模拟量输入需用到2 路模拟量输入和1 路模拟量输出，模拟量输入的1 路来自测量循环水管的压力传感器（测量的压力值0-1MPa，模拟量输出为4-20ma）模拟量输入，另1 路模拟量输入来自A1000 变频器的多功能输出监视1（FM输出端子），变频器的实际输出频率通过模拟量输出端子传送到PLC 中。模拟量输出1 路是通过PLC 的PID 指令运算后数字量转换成模拟量后通过模拟量输出端子去控制变频器的频率。

（2）两路模拟量输入信号及转换量程的设定。压力传感器（测量的压力值0-1MPa，模拟量输出为4-20ma）各变频器的FM端频率输出（频率值0-50Hz,模拟量输出0-10V 信号），即模拟量输入1 路为4-20ma 输入、另1 路模拟量输入为0-10V 输入。

图3 自带的模拟量输入输出

1）模拟量输入的电压或电流信号通过PLC 的前端模拟电压/电流输入的切换开关进行设置如图2 所示。

图2 示意图

即模拟量输入1 开关拨至ON（电流信号输入），模拟量输入2 的开关拨至OFF（电压信号输入）。

2）模拟量输入后转换量程通过PLC 的相关参数进行设定如下图4：

图4 参数设定

3）模拟量输入转工程量（AD 转换）

模拟量信号的转换成工程量值是根据它们的量程范围大小进行线性转换，如模拟量输入4-20ma 输入转换成0-10KPa 的压力，0-10v 的电压信号转换成0HZ-50Hz 的频率信号，其转换过程如下图5：

图5 转换过程

4）模拟量的转换工程量的程序，用ST 语言编写如下

OMRON 编程软件里的功能块-新建数据为结构文本-新建的数据的类型如下：

图7 输入变量

图8 输出变量

ST 语言编程如下：

PID 指令的参数

S：测定值输入CH 编号

C：PID 参数保存低位CH 编号

D：操作量输出CH 编号D 参数为输出量给模拟量输出的MV 值输出通道

1）S：测定值输入CH 编号其参数为压力传感器的反馈值；

2）C：PID 参数5 zv 保存低位CH 编号，C 参数为PID 的控制参数群；

C0 通道_C[0]、SV 为设定值；

C1 通道_C[1]、比例P 为手动设定输入值；

C2 通道_C[2]、积分I 为手动设定输入值；

C3 通道_C[3]、微分D 手动设定输入值；

C4 通道_C[4]、时间周期T＝#64 固定值；

C5 通道_C{5}、为2-PID 参数（α）、操作量输出指定、PID 反应定时指令、操作量的动作方向；

注：C5 通道的具体参数设置如下：

1、C5 通道、第4-15 位设为000H 即@=0.65；

2、C5 通道、第3 位：决定操作量的输出指定，当测定值=设定值，操作量MV 如何输出设为0 表示输出为0%。写1 表示输出50%；

3、C5 通道、第2 位：设为0；

4、C5 通道、第1 位：表示写入或更新后的P I D 参数何时被反映到PID 运算中，写0 表示仅在输入条件上升时生效，写1 表示输入条件上升或每个取样周期时皆能生效；

5、C5 通道、第0 位、设为0 时 为反向动作 设为1 时为正向动作。

C6 通道_C[6]、为操作是限位控制指定、输入范围、微分积分单位、输出范围，

注：C6 通道的具体参数设置如下：

1、C6 通道的第13-15 位：固定为0；

2、C6 通道的第12 位：操作量的上下限进行限制；写0 表示不限制，限输出范围为多少输出量就能达到多少，写1 表示对操作量进行限制，上下限数据在C+7,C+8中设置；

3、C6 通道的第8-11 位：表示控制字S 测定值（PV）的数据范围，同时也影响设定值；

（SV）的输入范围最大值。设定为0-8H,0H=8 位，1H=9 位，2H=10 位3H=11 位，4H=12 位，5H=13 位，6H=14 位，7H=14 位，8H=15 位；

4、C6 通道的第4-7 位：表示积分常数与微分常数的时间单位，设为#1 表示以C4CH 设定的取样周期为时间单位，设为#9 则表示时间单位为100ms

5、C6 通道的第0-3 位：决定的控制字D 限操作量（MV）的数据范围，填写范围可参考控制S 测定值（PV）的数据范围。

C7 通道_C[7]、为操作量下限值；

C8 通道_C[8]、为操作量上限值；

C9-C38 通道为工作区域，用户不可指定。

3）PLC 程序的PID 程序（用功能块程序）如下：

OMRON 编程软件里的功能块-新建数据为梯形图-新建数据的类型如下：

图9 功能块的内部数据

图10 功能块的输入数据

图11 功能块的输出数据

图12 梯形图程序

4）PLC 程序的PID 程序（主程序）

见图13 所示。

图13 PLC 程序的PID 程序（主程序）

5）PLC 的模拟量输出：

PLC 执行PID 指令后的输出数据MV 值直接传送到模拟量输出通道210CH，210CH 的通道是数字量，PLC自动将数字量转换模拟量输出到端子。其内部转换过程如图14。

图14 内部转换过程

6）安川A1000 变频器的参数设置及控制如图15：

图15 安川A1000 变频器的参数设置及控制

变频器A1000 的控制模式，运行控制由控制端子提供，频率指令由外部的模拟量提供，参数设定如下：

1、频率指令选择b-01=1 控制回路端子（模拟量输入）;

2、运行指令选择b1-02=2 控制回路端子；

3、端子S1 的功能选择H1-01=40 正转运行指令（2线制顺控）;

4、端子S2 的功能选择H1-02=41 反转运行指令（2线制顺控）;

5、端子A2 信号电平选择H3-09=2 输入4～20mA的信号;

6、模拟量输入端子有效H3-14=02 仅端子A2 有效;

7、端子A2 输入增益H3-11=100 增益值；

8、端子A2 输入偏置H3-12=0 偏置值；

9、端子FM监视选择H4-01=102

10、端子FM 信号电平选择H4-07=0 输出为0～10V 的电压信号；

5 应用场景

75KW 循环水泵一用一备，如下图16

图1675 KW 循环水泵一用一备

控制电柜，如下图17。

图17 控制电柜

自动液压压砖机，如下图18。

图18 自动液压压砖机

可视化控制器，如下图19。

图19 可视化控制器

6 结语

随着我国经济的发展，其经济体量越来越大，带来的能源浪费问题，也日益显著。特别是随着双碳目标的提出，国家加强了对能源消耗大户陶瓷企业的管控，逐步淘汰能源消耗末尾企业。

陶瓷企业的节能降耗需要从日常工作当中挖掘，通过PID 方式对各种生产设备进行自动化控制，而PID 控制具备了自动控制所要求的灵活性、准确性和稳定性，在其实现设备自动化的同时，也可以实现节省用电、用气的目标。