基于PLC和PID的人工造浪監(jiān)控系統(tǒng)的研究*

黃學(xué)飛

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械與電子學(xué)院，廣東 廣州 510430)

基于PLC和PID的人工造浪監(jiān)控系統(tǒng)的研究*

黃學(xué)飛

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械與電子學(xué)院，廣東 廣州 510430)

針對氣動造浪系統(tǒng)的特點及運行的需要，設(shè)計了基于PLC(Programmable Logic Controller)和PID技術(shù)的氣動造浪監(jiān)控系統(tǒng)。采用PLC完成了多點造波風(fēng)罩的壓力數(shù)據(jù)采集和對人工造浪系統(tǒng)的現(xiàn)場控制，采用PID技術(shù)實現(xiàn)了造波風(fēng)罩壓力的精確測量和對控制系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓控制，并建立了氣動造浪系統(tǒng)上位機軟件用戶模塊。使用該具有PID反饋的系統(tǒng)不僅保證了氣動造浪系統(tǒng)正常運行，而且具有節(jié)能效果，也為開發(fā)人工氣動造浪系統(tǒng)提供了良好的啟示和借鑒。

氣動造浪系統(tǒng)；PLC；PID

0 引言

圖1 人工造浪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

人工氣動造浪系統(tǒng)主要包括電機和鼓風(fēng)機組成的空氣供給系統(tǒng)、氣體輸送管路、造波風(fēng)罩、布置在管路上的配氣閥和對應(yīng)的控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。工作時，通過電機轉(zhuǎn)動帶動鼓風(fēng)機正常工作，從而產(chǎn)生高壓氣體，氣體通過配氣閥控制造波風(fēng)罩氣流的周期性變化實現(xiàn)造浪。配氣閥門每一個工作周期均分為兩個半周期，在前半周期空氣自大氣壓入風(fēng)罩，而水便從風(fēng)罩內(nèi)排出，在風(fēng)罩前形成波峰；而后半周期空氣返回大氣，水被吸入風(fēng)罩，即在風(fēng)罩前形成波谷[1]。壓力是造浪過程中主要的控制參數(shù)之一，壓力的大小直接影響到造浪的效果，在不同的壓力下產(chǎn)生的浪的形態(tài)也會不同，因此研究壓力大小與造浪的關(guān)系對氣動造浪系統(tǒng)具有重要的意義。目前，人工造浪控制系統(tǒng)基本上是采用PLC控制，控制過程比較單一，能耗比較大。在控制過程中，基本上通過對電機采用變頻調(diào)速控制，無壓力反饋，系統(tǒng)有時由于一些原因會造成風(fēng)罩內(nèi)壓力不夠，由此形成不了所需的波形，從而造成人工造浪失敗。為保證形成所需的波形，有的廠家在系統(tǒng)運行過程中會增大所需要的壓力來保證系統(tǒng)正常運行，從而無形中造成能耗損失。為此，本文開發(fā)了基于PLC和PID技術(shù)的一種新型的人工造浪監(jiān)控系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

圖2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

本文提出的控制系統(tǒng)是在原來系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，為了得到壓力反饋，在造波風(fēng)罩上增加了三組壓力變送器，從而使控制系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖2所示。該控制系統(tǒng)主要由上位機監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、變頻器、風(fēng)機、壓力傳感器、閥門分配系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)運行控制過程中，上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過RS232與RS485轉(zhuǎn)換器向PLC控制系統(tǒng)發(fā)出運行控制指令，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)運行指令控制風(fēng)機的運行，從而產(chǎn)生高壓氣體。同時PLC控制系統(tǒng)控制閥門分配系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)運行的需要調(diào)節(jié)高壓氣體是否進入造波風(fēng)罩，在造波系統(tǒng)的前半周期中高壓氣體通過閥門分配系統(tǒng)進入造波風(fēng)罩，從而在風(fēng)罩前面產(chǎn)生波峰；在造波系統(tǒng)的后半周期中氣體通過閥門分配系統(tǒng)排出造波風(fēng)罩，從而在風(fēng)罩前面產(chǎn)生波谷。在產(chǎn)生波峰的過程中，通過壓力傳感器來調(diào)節(jié)風(fēng)機的變頻器，以此控制進入風(fēng)罩的高壓氣體壓力。

在本系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)需要較快的運算速度和較強的運行能力，而S7-300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速(0.6～0.1 μs)的指令運算速度，可以用浮點數(shù)運算，比較有效地實現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運算等功能特點，所以選用S7-300 PLC作為系統(tǒng)的主要控制核心。在本系統(tǒng)中采用S7-300 PLC的PID控制功能塊FB 41。壓力傳感器采用佛山市賽普特電子儀器有限公司的PTP702高壓壓力傳感器，該傳感器的彈性體采用特殊進口材質(zhì)、線切割機加工工藝，一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，適用于大型液壓設(shè)備等的壓力測量與控制，可以滿足本控制系統(tǒng)的需要。

2 PID系統(tǒng)的工作原理

PID系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。

圖3 PID系統(tǒng)的工作原理圖

具體工作原理：在控制過程中，系統(tǒng)根據(jù)波浪的形態(tài)，在風(fēng)罩內(nèi)采用不同的壓力。當系統(tǒng)處于前半周期時，系統(tǒng)將給風(fēng)罩增加空氣的壓力。在增加風(fēng)罩的空氣壓力時，壓力傳感器會將測量的壓力通過變送器轉(zhuǎn)變成電信號，通過信號線送到PLC的CPU中，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)罩壓力的給定值與反饋回的實際值進行比較，如果測得的壓力低于設(shè)定的風(fēng)罩壓力，系統(tǒng)通過對參數(shù)運算，調(diào)整PID的參數(shù)[2]，按照PID運算規(guī)律計算出結(jié)果，然后控制系統(tǒng)將根據(jù)計算結(jié)果控制變頻器頻率，系統(tǒng)增大變頻器頻率，從而增大風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，進而增大風(fēng)機輸出的空氣壓力。如果達到了風(fēng)罩的壓力，壓力傳感器將此時的壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺鹘oPLC后，控制系統(tǒng)將停止給變頻器輸出頻率，將暫停增大風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，從而使風(fēng)罩的壓力在滿足使用條件的前提下節(jié)省能源。改進前的系統(tǒng)在造浪系統(tǒng)達到設(shè)定的風(fēng)罩壓力后，系統(tǒng)的風(fēng)機一直按設(shè)定的輸出頻率轉(zhuǎn)動，為穩(wěn)定風(fēng)罩的壓力，系統(tǒng)通過排出空氣的方式進行卸壓，這樣不僅制造了大量的噪音，而且浪費了大量的能源。

當系統(tǒng)運行某一波型的壓力時，系統(tǒng)在前半周期會通過控制系統(tǒng)將風(fēng)罩的壓力穩(wěn)定在所需的壓力。直至系統(tǒng)在后半周期時釋放壓力。如此周而復(fù)始，從而在保證系統(tǒng)滿足所需壓力的情況下確保不會浪費過多的能量。

該控制系統(tǒng)的壓力在反饋過程中采用了單閉環(huán)的PID數(shù)字控制技術(shù)，使PID的參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)在線控制，人工造浪系統(tǒng)實現(xiàn)了穩(wěn)定的壓力輸出，從而保證波型的形成，并在保證系統(tǒng)達到穩(wěn)定壓力的同時使系統(tǒng)能夠以較低能耗運行，從而達到節(jié)能運行系統(tǒng)的目的。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)

上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)實時顯示氣動造浪系統(tǒng)的運行狀態(tài)、管理整個系統(tǒng)的運行和對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理。主要模塊包括實時監(jiān)控和報警、系統(tǒng)參數(shù)配置、系統(tǒng)運行管理、系統(tǒng)用戶管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)權(quán)限管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、用戶管理等功能模塊。如圖4所示。

圖4 上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖

上位機監(jiān)控系統(tǒng)選用DELPHI2012作為系統(tǒng)的編程軟件。DELPHI2012是一種優(yōu)秀的編程工具，具有功能強大、簡便易用和代碼執(zhí)行速度快等優(yōu)點。該開發(fā)工具不僅具有可視化的特點，而且具有強大的數(shù)據(jù)庫支持、與Windows編程緊密結(jié)合、強大而成熟的組件技術(shù)、簡單易學(xué)等特點[3]。數(shù)據(jù)庫采用微軟開發(fā)的SQL。監(jiān)控中心系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互采用ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)。

上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是顯示氣動造浪過程中運行實時狀態(tài)、采集和處理氣動造浪過程中的空氣壓力數(shù)據(jù)等。為保證這些任務(wù)具有實時性，需要系統(tǒng)支持多任務(wù)和并行處理多任務(wù)。在開發(fā)上位機監(jiān)控系統(tǒng)時采用了多線程技術(shù)。根據(jù)上位機監(jiān)控系統(tǒng)運行需求，上位機監(jiān)控系統(tǒng)需要如下幾個線程：系統(tǒng)主線程、數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)處理線程等。這些線程保證了系統(tǒng)的正常運行和系統(tǒng)的實時性，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。其中，系統(tǒng)主線程是系統(tǒng)從開始運行到系統(tǒng)結(jié)束運行的線程，該線程主要負責氣動造浪系統(tǒng)顯示運行狀態(tài)、查詢上位機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及對系統(tǒng)進行交互操作；數(shù)據(jù)采集線程主要是系統(tǒng)采集PLC控制系統(tǒng)發(fā)送回的數(shù)據(jù)，該線程在監(jiān)控系統(tǒng)開機后一直運行；數(shù)據(jù)處理線程是系統(tǒng)單獨建立的一個線程，主要任務(wù)是處理通過PLC控制系統(tǒng)傳回的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的狀態(tài)對系統(tǒng)進行相應(yīng)的處理，處理完畢后根據(jù)需要將數(shù)據(jù)保存在SQL數(shù)據(jù)庫中，該線程自數(shù)據(jù)采集線程運行后開始運行。由于采集的數(shù)據(jù)處理過后需要保存在數(shù)據(jù)庫中，計算機在處理這一過程中，需要花費一定的時間，而采集數(shù)據(jù)的速度也很快，為保證數(shù)據(jù)能正確保存在數(shù)據(jù)庫中而不出錯，在系統(tǒng)中建立了臨時內(nèi)存機制，將需要保存的數(shù)據(jù)臨時保存在內(nèi)存中。在采集數(shù)據(jù)的同時也可以處理數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)“同步”進行。

3.2 PLC控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC作為控制核心，采用指令編制系統(tǒng)程序。本控制系統(tǒng)的程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。子程序包括人工造波浪前半周期控制子程序和后半周期的子程序，中斷程序主要運行在前半周期，這個程序首先要完成壓力數(shù)據(jù)的采集，并根據(jù)控制系統(tǒng)的給定值，完成在線數(shù)字PID運算，并根據(jù)運算結(jié)果把控制量輸出到風(fēng)機的變頻器，從而控制風(fēng)機的電機，最終實現(xiàn)風(fēng)罩壓力的恒壓控制和系統(tǒng)正常運行。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

3.3 上位機監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)連接

上位機監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)連接采用RS-485串行總線技術(shù)。由于RS485串行通信方式采用一對平衡雙絞線作為傳輸媒體，具有多點雙向通信能力，允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，具有傳輸距離長、傳輸速率高、抗干擾能力強、控制方便且成本低廉的特點，故得到了廣泛的應(yīng)用[4]。由于上位機監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)距離較遠，故采用RS-485串行總線技術(shù)。因為采用的上位機沒有485接口，只有232接口，所以上位機與PLC控制系統(tǒng)連接中需要RS232和RS485的轉(zhuǎn)換器，以保證系統(tǒng)正常連接。在通信過程中，通過調(diào)用PRODAVE S7軟件包的動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)氣動造浪監(jiān)控系統(tǒng)的上位機監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)的讀寫操作。上位機監(jiān)控系統(tǒng)用到的PRODAVE函數(shù)主要有l(wèi)oad_tool、unload_tool、db_read、db_write四個。其中，load_tool 用于PC機與PLC系統(tǒng)初始化鏈接；unload_tool用于斷開PC機與PLC系統(tǒng)鏈接；db_read用于從PLC的DB塊中讀數(shù)據(jù)字；db_write用于向PLC的DB塊中寫數(shù)據(jù)字。上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過靜態(tài)引入方式訪問PRODAVE動態(tài)鏈接庫DLL(DynamicLinkLibrary)中的例程，即在單元的Interface部分用External指示字列出要從DLL中引入的例程[5]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

為檢驗該系統(tǒng)運行過程中的可靠性和實時性，在某公司開發(fā)的造浪池對本系統(tǒng)進行現(xiàn)場安裝調(diào)試。將開發(fā)的系統(tǒng)安裝到現(xiàn)場，并根據(jù)現(xiàn)場對程序的部分參數(shù)進行了調(diào)整。在系統(tǒng)運行過程中，采用不同的波形(左右浪、排浪、鉆石浪、搖擺浪等)進行測試，經(jīng)過多次測試，當系統(tǒng)達到設(shè)計的參數(shù)時，系統(tǒng)都能夠正常實現(xiàn)所需的波形，并對浪高、造浪間隔、波形等實現(xiàn)自動控制。同時與之前系統(tǒng)相比，系統(tǒng)在運行過程中能耗大大減少?，F(xiàn)場測試表明，該系統(tǒng)性能表現(xiàn)比之前系統(tǒng)效果更加良好，系統(tǒng)也更穩(wěn)定、可靠。

5 結(jié)束語

提出了基于PLC的人工造浪監(jiān)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)中采用了PID數(shù)字控制技術(shù)，利用現(xiàn)場測試的壓力作為反饋參數(shù)對系統(tǒng)進行控制，同時上位機對人工造浪系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。通過試驗表明，該系統(tǒng)不僅滿足了系統(tǒng)的使用要求，而且比現(xiàn)有人工造浪監(jiān)控系統(tǒng)更加節(jié)能。該監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了人工造浪監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實時性, 在人工造浪領(lǐng)域值得推廣應(yīng)用。

[1] 王秋旺．造波機在水上樂園的應(yīng)用[EB/OL].(2010-08-07)[2015-10-13]http://wenku.baidu.com/view/fd08a30a79563c1ec5 da71b6.html．

[2] 王恩義，羅先喜，王甲甲，等.基于PID算法的智能溫控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用，2014，33(12):18-20，24.

[3] 明日科技，梁水，李方超．Delphi開發(fā)技術(shù)大全[M]．北京：人民郵電出版社，2007．

[4] 王研．基于RS485的PLC與變頻器通信實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代機械，2010(4)：41-42，37．

[5] 姜建芳,蘇少鈺,陳慶偉,等．西門子S7-300系列PLC與PC機通信實現(xiàn)的研究 [J]．制造業(yè)自動化，2003，25(1)：52-54．

Research of artificial wave-maker monitoring system based on PLC and PID

Huang Xuefei

(College of Mechanical and Electronic，Guangzhou Institute of Railway Technology， Guangzhou 510430，China)

According to the characteristics of pneumatic making waves system and the needs of operation, pneumatic wave-maker monitoring system was designed based on PLC and PID. The multi point wave hood pressure data acquisition was got, and it could realize local control the artificial wave system by PLC. It realized accurate measure on the wave hood pressure and the constant pressure control on control system using PID technology, and epigynous machine software user module of the pneumatic wave system was built. The system with PID feedback not only ensures the normal operation of pneumatic wave system, but also has the effect of energy saving, and it provided a good inspiration and reference for the development of similar systems.

pneumatic wave-maker system；PLC；PID

廣州市屬高?？蒲杏媱濏椖?2012A096)

TP29

A

1674- 7720(2016)03- 0072- 03

黃學(xué)飛. 基于PLC和PID的人工造浪監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(3)：72- 74.

2015-10-13)

黃學(xué)飛(1974-)，男，碩士，講師，主要研究方向：機電一體化技術(shù)。