基于PLC的低壓艙控制系統(tǒng)

楊肖委，盧劍鋒，李宜汀，楊政通，孫　哲

(貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

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基于PLC的低壓艙控制系統(tǒng)

楊肖委，盧劍鋒，李宜汀，楊政通，孫哲

(貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

摘要：為了實現(xiàn)低壓艙艙內(nèi)壓力、升降速率、新風(fēng)量的精確控制和連續(xù)作業(yè)的自動控制，系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC作為控制器核心，應(yīng)用PID算法來自動調(diào)節(jié)真空泵頻率、閥門開度等,并通過改變真空泵的變頻調(diào)速，實現(xiàn)模擬控制艙內(nèi)壓力隨海拔升降速度和高度變化的目的。通過研究表明，該控制系統(tǒng)控制準(zhǔn)確可靠，有較好的節(jié)能效果，降低了操作人員的勞動強度和整個系統(tǒng)的噪聲并提高了整個系統(tǒng)的安全性。

關(guān)鍵詞:低壓艙PLC變頻調(diào)速模糊PID

0引言

低壓艙是一種高原氣壓環(huán)境模擬艙，主要用于研究高原上生活的人體機理反應(yīng)和人體抵抗力，并在登山、體育運動和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有科研和應(yīng)用價值[1]。

早期的低壓艙系統(tǒng)是通過對機械式調(diào)節(jié)閥的人工手動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)控制的，其控制效果在很大程度上依賴于操作人員的熟練程度和操作經(jīng)驗，控制精度和穩(wěn)定性較差，而且操作人員勞動強度大。

考慮到艙內(nèi)試驗人員的安全性，采用可靠性高的西門子S7-200PLC作為低壓艙控制系統(tǒng)的核心控制器，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于很多醫(yī)學(xué)院的低壓艙系統(tǒng)中。

1低壓艙系統(tǒng)原理

低壓艙原理如圖1所示[1]，其主體結(jié)構(gòu)為一個密封艙，密封艙有兩個外接管路，一個直接通大氣，用于從外界吸入新鮮空氣以保證艙內(nèi)人員的順暢呼吸；另一管路接到真空泵用于抽出艙內(nèi)空氣。真空泵1處于抽氣端，用西門子MM440變頻器來驅(qū)動和調(diào)速。進氣端上設(shè)置有一個電動調(diào)節(jié)閥2，用于調(diào)節(jié)進氣流量。當(dāng)抽氣量大于進氣量時，艙內(nèi)氣體密度減少，艙內(nèi)壓力下降或者說艙內(nèi)海拔上升。而當(dāng)進氣和抽氣量平衡時，艙內(nèi)壓力將維持在某個值上不變，或者說艙內(nèi)海拔高度不變。

圖1　低壓艙系統(tǒng)原理圖

2控制系統(tǒng)組成及工作原理

2.1低壓艙模糊控制系統(tǒng)

低壓艙模糊控制系統(tǒng)如圖2所示: 低壓環(huán)境實驗艙自動控制系統(tǒng)是一個以西門子SIMATIC S7-200 PLC為核心的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)對艙體的工作運行狀態(tài)實施自動檢測與控制，使海拔訓(xùn)練艙按照設(shè)計要求，完成升降壓速度、維持高度、氧濃度、二氧化碳濃度、溫濕度等指標(biāo)的監(jiān)測與控制，從而達到試驗?zāi)康腫2]。

圖2　低壓艙控制系統(tǒng)圖

2.2低壓艙控制系統(tǒng)的工作原理

圖3　低壓艙控制原理圖

升降速率和高度的超調(diào)會引起艙內(nèi)人員不適甚至造成傷害，新風(fēng)量如不足會影響艙內(nèi)人員呼吸困難[3]。高度升降速度由實際的高度計算而得，其信號源是壓力傳感器，升降速度的控制由PI控制器進行閉環(huán)控制。因此，低壓艙控制的關(guān)鍵是模擬高度、升降速率和新風(fēng)量的控制。采用PI調(diào)節(jié)器來控制這三個關(guān)鍵參數(shù)。

低壓艙控制原理如圖3所示。

低壓艙上升速度和高度的控制原理基本相同，均是從艙內(nèi)壓力變送器采集壓力信號送入PLC，在PLC中經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到艙內(nèi)的實際壓力值，實際壓力值通過相應(yīng)公式被轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的實際的海拔高度并計算出升降速度，海拔高度和升降速度的實際值和設(shè)定值被分別送入各自的PI調(diào)節(jié)器，然后取兩個PI調(diào)節(jié)器運算結(jié)果中的最小值用于設(shè)定真空泵的轉(zhuǎn)速，從而可以控制艙內(nèi)的實際海拔的升降速度和高度[4]。

3控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)上位機操作軟件采用西門子WINCC編制，PLC控制程序采用STEP7 V5.3編制[5]。

控制系統(tǒng)軟件可顯示控制實驗艙高度(壓力)、高度升降速率、二氧化碳濃度、顯示溫度、氧濃度、濕度；可設(shè)置和控制高度(壓力)、升降速率、新風(fēng)量。系統(tǒng)可保存、輸出30天的設(shè)備運行參數(shù)和趨勢圖形。

軟件具備軟手動與自動控制功能，自動控制時操作人員只需要在電腦人機界面上設(shè)置高度、升降速度和新風(fēng)量等參數(shù)，系統(tǒng)會按所設(shè)置的參數(shù)自動運行并達到要求；軟手動時操作人員在電腦人機界面上可分別單獨控制真空泵(變頻器)、電動調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行元件[6]。

上位機只具備參數(shù)顯示與傳輸功能，具體控制過程均由PLC完成，確保上位機故障時不會影響設(shè)備的正常工作。

通過控制調(diào)節(jié)閥和風(fēng)機的開啟以及流量的大小來控制艙內(nèi)的速度，壓力，新風(fēng)量等?？刂撇季秩鐖D4所示。

圖4　控制布局視圖

控制面板采用觸摸屏，如圖5所示，可以直觀地設(shè)置控制參數(shù)，而且很容易的調(diào)節(jié)或者改變控制參數(shù)。

圖5　控制面板視圖

4系統(tǒng)安全性設(shè)計

保證艙內(nèi)人員在示意過程中的安全至關(guān)重要，控制系統(tǒng)采用了以下安全措施。

1)艙內(nèi)安全高度保護：可在人機界面上設(shè)置安全高度，當(dāng)艙內(nèi)高度超過安全高度時根據(jù)需要報警或停機；

2)安全下降速率和上升速率保護：可在人機界面上設(shè)置安全下降速率和上升速率，當(dāng)艙內(nèi)高度超過安全下降速率和上升速率時根據(jù)需要報警或停機；

3)對重要傳感器采用冗余技術(shù)，以防止傳感器失靈時對系統(tǒng)和人員產(chǎn)生傷害，控制程序中將能自動判別傳感器是否失靈；

4)控制臺上設(shè)置機械式的緊急停止按鈕，遇到緊急情況,可以按下急停按鈕,停止真空泵的運行和關(guān)閉各電動閥門,解除自動功能，保證艙內(nèi)壓力不變, 確保艙內(nèi)人員的安全，然后再通過機械式閥門進行應(yīng)急操作；

5)應(yīng)用軟件具有完善的口令安全保護功能，防止無關(guān)人員非法操作；

6)系統(tǒng)具有硬件自診斷功能：在系統(tǒng)啟動時，可以檢測硬件是否正常，防止設(shè)備帶故障運行。

5結(jié)果

在海拔高度模擬的過程中，設(shè)定海拔高度的維持其實質(zhì)上就是對絕對氣壓的維持。10 000 m以下的高度與氣壓的換算公式下：

式中H代表海拔高度，P為絕對氣壓。上式經(jīng)整理后得出如下公式：

海拔高度與大氣壓力對照如表1。

表1　海拔高度與大氣壓力對照表

6結(jié)束語

控制系統(tǒng)實際的運行效果良好，實現(xiàn)了對艙內(nèi)壓力(高度)、升降速率和新風(fēng)量的精確控制及連續(xù)作業(yè)的自動控制，控制穩(wěn)定可靠，降低了操作人員的勞動強度并提高了整個系統(tǒng)的安全性。與早期的通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)艙內(nèi)壓力的低壓艙相比，本系統(tǒng)通過真空泵的變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)艙內(nèi)壓力，這種方式具有良好的節(jié)能效果，并減少了因閥門處節(jié)流而產(chǎn)生的噪聲[7]。

參考文獻

[1]韓文強，胡文東. 低壓艙技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生與裝備，2009，30(9)：37-39.

[2]徐斌，張方，孫新奇，梅丹，金連海.溫控小動物低壓艙的研制[J].空軍醫(yī)高專學(xué)報，1998(03).

[3]王忠明，許永華，黃澤陽，姜文亭，曹金軍，楊自更，張東輝，耿西亮，許琴. 基于大型復(fù)合低壓艙的模擬海拔高度系統(tǒng)研制[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011(11)12-13.

The control system of hypobaric chamber based on PLC

YANG Xiaowei，LU Jianfen，LI Yiting，YANG Zhengtong， SUN Zhe

Abstract:In order to achieve accurate control of the pressure of hypobaric chamber, changing rate and the fresh air, as well as the autocontrol of continuous operation, using the Siemens S7-200 PLC as the key controller and PID algorithm, the automatic adjustment of the frequency of vacuum pump and valve opening is realized. Furthermore, the frequency control is changed in order to achieve the purpose that the pressure changes with the actual altitude's lifting speed and height in the analog control cabin. The study shows that the control system has high control precision and good liability, which can save energy, reduce labor intensity and the noise of the whole system, and enhances security.

Keywords:hypobaric chamber；PLC；frequency control；fuzzy PID

中圖分類號：TP23

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)01-0069-04