基于PLC的40T混合磁體低溫分配閥箱壓力控制系統(tǒng)

方 明 歐陽崢嶸

(中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心)

基于PLC的40T混合磁體低溫分配閥箱壓力控制系統(tǒng)

方 明 歐陽崢嶸

(中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心)

基于S7-300 PLC設(shè)計(jì)混合磁體低溫分配閥箱壓力控制系統(tǒng)，閥箱內(nèi)部各處壓力控制的PID實(shí)現(xiàn)方法相對(duì)獨(dú)立，并未考慮到相互影響。為此，在PID控制方案中加入了前饋控制，使過冷槽壓力波動(dòng)在安全范圍內(nèi)。

壓力控制系統(tǒng) 低溫分配閥箱 S7-300 PLC PID 前饋控制

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)是一個(gè)為化學(xué)、材料、物理、生命科學(xué)研究和多學(xué)科交叉研究提供理想穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)極端實(shí)驗(yàn)條件的裝置，可最大程度地滿足我國(guó)多學(xué)科前沿發(fā)展對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件的需求[1]。SHMFF包括40T級(jí)穩(wěn)態(tài)混合磁體實(shí)驗(yàn)裝置和不同用途的高功率水冷磁體、超導(dǎo)磁體實(shí)驗(yàn)裝置。穩(wěn)態(tài)混合磁體實(shí)驗(yàn)裝置由30T內(nèi)水冷磁體和10T外超導(dǎo)磁體嵌套而成[2]。其中，外超導(dǎo)磁體采用以Nb3Sn為超導(dǎo)材料的導(dǎo)管電纜，使用壓力為500kPa、溫度為4.5K、流量為18g/s的超臨界氦進(jìn)行冷卻。超臨界氦由低溫分配閥箱系統(tǒng)供給。低溫分配閥箱使得混合磁體運(yùn)行過程中有穩(wěn)定且不間斷循環(huán)的超臨界氦作為冷源，因此其供冷穩(wěn)定性是混合磁體穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。低溫分配閥箱內(nèi)部由過冷槽、換熱器、液氮槽和許多聯(lián)接管道組成，在混合磁體降溫和回溫的過程中，其內(nèi)部壓力變化情況復(fù)雜，因此，穩(wěn)定的壓力控制方法至關(guān)重要。

在混合磁體低溫分配閥箱壓力控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的PID控制器[3]可以完成大部分壓力參數(shù)的控制，但由于系統(tǒng)對(duì)過冷槽壓力值的穩(wěn)定性要求極高，采用傳統(tǒng)PID控制方法很難滿足要求。因此，筆者基于S7-300 PLC，將與過冷槽壓力相關(guān)的3個(gè)閥門的控制進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，在過冷槽回氣閥門的PID控制中加入前饋控制，提前控制回氣閥門，從而實(shí)現(xiàn)過冷槽壓力的高控制要求。

1 工藝原理

低溫分配閥箱作為連接混合磁體和制冷機(jī)的重要環(huán)節(jié)，承擔(dān)著將超導(dǎo)線圈降溫到超導(dǎo)態(tài)并將超臨界氦按需輸送給混合磁體各線圈的任務(wù)。

混合磁體內(nèi)超導(dǎo)磁體冷卻過程分為降溫、勵(lì)磁和回溫3個(gè)階段。降溫前要先進(jìn)行預(yù)冷。預(yù)冷是指磁體線圈溫度在80K以上的降溫過程，其主要冷源是制冷機(jī)中的液氮。低溫分配閥箱工藝原理如圖1所示，常溫氦氣在制冷機(jī)中以液氮作為冷源逐漸變?yōu)榈蜏睾?，?jīng)入口閥FCV011B進(jìn)入分配閥箱主管道。同時(shí)，從主壓縮機(jī)輸出的常溫氦氣經(jīng)入口閥FCV016也進(jìn)入分配閥箱主管道。通過調(diào)節(jié)閥門FCV011B和FCV016的開度來控制主管道氦氣的壓力、溫度和流量。主管道從過冷槽穿過，與過冷槽換熱，然后分為4路經(jīng)入口閥分別進(jìn)入混合磁體4個(gè)線圈中。主管道在通過過冷槽前分出一個(gè)支路經(jīng)節(jié)流閥FCV007后進(jìn)入過冷槽。在一定溫度下，調(diào)節(jié)FCV007的開度可以將氦氣液化儲(chǔ)存到過冷槽中。經(jīng)過線圈A、B的氦氣繼續(xù)冷卻兩路電流引線，之后與線圈C、D的回氣混合，混合的回氣經(jīng)過回氣閥FCV008B后回到主壓縮機(jī)低壓端，同時(shí)分一個(gè)支路經(jīng)過節(jié)流閥FCV006節(jié)流后回過冷槽。過冷槽的回氣經(jīng)過FCV008A后同樣也回到主壓縮機(jī)低壓端。當(dāng)需要生產(chǎn)液氦時(shí)，可以從閥門FCV011A將液氦導(dǎo)出到移動(dòng)杜瓦中去。

圖1 低溫分配閥箱工藝原理

當(dāng)磁體線圈溫度低于80K時(shí)，進(jìn)入降溫過程，此時(shí)液氮冷量已不夠。制冷機(jī)透平啟動(dòng)，進(jìn)一步降低氦氣溫度。由于磁體線圈較長(zhǎng)且空間狹小，所以內(nèi)部阻力較大，導(dǎo)致線圈進(jìn)、出口存在一定的溫差。而Nb3Sn作為一種超導(dǎo)材料，不能承受過大的溫差，所以低溫分配閥箱需要控制供給磁體的氦氣的溫度變化速率，保證磁體線圈進(jìn)出口溫差在合理范圍內(nèi)。

2 壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低溫分配閥箱壓力控制系統(tǒng)(圖2)以S7-300 PLC為控制核心，以WinCC組態(tài)軟件為監(jiān)控界面，以Profibus-DP總線為通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集和讀取閥箱內(nèi)部各處的壓力信息，通過數(shù)據(jù)處理、歸檔記錄等方式，將壓力數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控界面上，并通過基于PLC的PID控制策略控制系統(tǒng)的內(nèi)部壓力。PLC采集管道壓力和過冷槽壓力，通過控制閥門調(diào)節(jié)壓力值，通過控制真空泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)的真空度。

圖2 壓力控制系統(tǒng)框架

系統(tǒng)通信模塊為CP343-1，光纖模塊為Profibus OLM/G12。為了滿足實(shí)驗(yàn)需求，利用VGA轉(zhuǎn)換模塊將低溫分配閥箱的控制界面通過TCP/IP遠(yuǎn)程傳送到混合磁體控制室進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。為了將同屬低溫系統(tǒng)的制冷機(jī)控制系統(tǒng)加入到整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)中，將制冷機(jī)控制系統(tǒng)作為低溫控制系統(tǒng)的子站，通過狀態(tài)傳輸線的方式，首先將制冷機(jī)的運(yùn)行、故障等狀態(tài)發(fā)送給低溫分配閥箱控制系統(tǒng)，再將此狀態(tài)與低溫分配閥箱的狀態(tài)整合，統(tǒng)一發(fā)送給中央控制系統(tǒng)。此外，將故障狀態(tài)分別以軟件通信和硬件傳輸兩種方式同時(shí)發(fā)送給中央控制系統(tǒng)，以保證故障狀態(tài)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

3 PID壓力控制策略

3.1 基于PLC的PID控制

低溫分配閥箱的核心部件是過冷槽。過冷槽的作用是利用槽中存儲(chǔ)的液氦與主管道低溫氦氣換熱，使后者降溫成為超臨界氦，進(jìn)入磁體保持混合磁體超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)態(tài)。在混合磁體勵(lì)磁過程中，對(duì)過冷槽的壓力要求非常嚴(yán)格，任何壓力的波動(dòng)都代表系統(tǒng)不穩(wěn)定因素的存在，而閥箱內(nèi)部管路的任何壓力、溫度波動(dòng)都會(huì)影響過冷槽。過冷槽的壓力控制實(shí)際上是結(jié)合多方面因素的綜合控制過程。

FCV008A是過冷槽的回氣閥，其開度直接影響過冷槽的內(nèi)部壓力PT110(以下簡(jiǎn)稱槽壓)。開度越大，槽壓越小，所以FCV008A對(duì)槽壓的調(diào)節(jié)作用屬于反作用。原控制策略通過基于PLC的PID控制，利用FCV008A對(duì)槽壓反作用的特點(diǎn)來整定PID參數(shù)。基于PLC的PID控制器是以連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，根據(jù)離散形式的PID控制方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)的[4]。

節(jié)流閥FCV006的控制對(duì)象是其前端管道壓力PT105，節(jié)流閥FCV007的控制對(duì)象是其前端管道壓力PT107。FCV006和FCV007的開度對(duì)槽壓也有影響，兩者的調(diào)節(jié)作用也屬于反作用：開度變大，槽壓升高；開度變小，槽壓降低。

3.2 前饋控制

低溫分配閥箱壓力控制系統(tǒng)控制回路示意圖如圖3所示。FCV006和FCV007是在對(duì)前端壓力的控制過程中對(duì)PT110產(chǎn)生影響的，屬于主動(dòng)影響；FCV008A是在當(dāng)PT110變化時(shí)通過PID控制來自動(dòng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定PT110的，屬于被動(dòng)影響。原控制策略中，當(dāng)PT107升高時(shí)，F(xiàn)CV007會(huì)自動(dòng)增大開度讓PT107回穩(wěn)，但同時(shí)PT110會(huì)增大，緊接著FCV008A會(huì)自動(dòng)增大開度讓PT110回穩(wěn)。FCV006對(duì)槽壓的影響亦是如此。但該控制策略存在一個(gè)時(shí)間差的問題，F(xiàn)CV008A必須等PT110變化之后才會(huì)調(diào)節(jié)開度使PT110回穩(wěn)，20s的調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)使PT110超過安全范圍，無法達(dá)到閥箱對(duì)過冷槽穩(wěn)定性的要求。為此，筆者將FCV006和FCV007的開度作為前饋輸入，加入到FCV008A的自動(dòng)控制中去。

圖3 低溫分配閥箱壓力控制系統(tǒng)控制回路示意圖

擾動(dòng)D的計(jì)算式為：

D=λ1V1+λ2V2

(1)

其中，V1是FCV006的開度，V2是FCV007的開度，λ1、λ2分別是FCV006和FCV007的開度系數(shù)，兩者的關(guān)系為：

(2)

從式(2)可以看出，λ1和λ2的關(guān)系與FCV006和FCV007的前端壓力有關(guān)，由于前端壓力大小不同，閥門開度對(duì)槽壓PT110的影響也不同。

FCV006是線圈出口，為低壓端，因此FCV006對(duì)PT110的擾動(dòng)比FCV007小。將擾動(dòng)D作為FCV008A在PID控制之后的一個(gè)增量加入到控制過程中去，使得當(dāng)FCV006或FCV007變化時(shí)，F(xiàn)CV008A能瞬間響應(yīng)，可以在短時(shí)間內(nèi)控制PT110的變化趨勢(shì)，使之在安全范圍內(nèi)。

3.3 PID控制程序

低溫分配閥箱壓力控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，被控對(duì)象是閥箱內(nèi)部各處壓力，執(zhí)行元件是調(diào)節(jié)閥，壓力測(cè)量元件將壓力信號(hào)變送為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后輸入到PLC的模擬量輸入模塊中，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器自動(dòng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。壓力監(jiān)控過程通過WinCC 7.3組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)。PID控制通過Step7中的FB41功能塊實(shí)現(xiàn)，同時(shí)要在定時(shí)中斷塊OB35中調(diào)用。STL語言實(shí)現(xiàn)過程如下：

AN "outputs_DATA".FCV008A.AUTO_MANU

JNB_001

CALL "CONT_C"，"DB_FCV008A_PID"http://調(diào)用FCV008A的PID功能塊

COM_RST:=FALSE

MAN_ON:=FALSE

PVPER_ON:=FALSE

P_SEL:=TURE

I_SEL:=TURE

D_SEL:=TURE

CYCLE:=T#7S//采樣時(shí)間設(shè)定

SP_INT:="outputs_DATA".FCV008A.SETPOINT//設(shè)定值

PV_IN:="inputs_DATA".PT110.VALUE//過程值

GAIN:="outputs_DATA".FCV008A.GAIN//比例增益值

TI:="FCV ID".FCV008A_TI//積分時(shí)間

TD:="FCV ID".FCV008A_TD//微分時(shí)間

DEADB_W:=2.000000e-002//死區(qū)寬度設(shè)定

LMN_HLM:=1.000000e+002//輸出開度上限值

LMN_LLM:=0.000000e+000//輸出開度下限值

DISV:="outputs_DATA".FCV008A.DISV//前饋值

LMN:="outputs_DATA".FCV008A.Input_WINCC//輸出開度值

PID采樣時(shí)間設(shè)置為7s，相對(duì)較長(zhǎng)，這是因?yàn)檎{(diào)節(jié)對(duì)象是調(diào)節(jié)閥，太過頻繁的控制輸出會(huì)導(dǎo)致閥門動(dòng)作跟不上，導(dǎo)致控制結(jié)果振蕩。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于S7-300 PLC的低溫分配閥箱壓力控制系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案和PID控制方法。原控制系統(tǒng)是對(duì)系統(tǒng)各處壓力分別實(shí)現(xiàn)PID控制，但由于過濾槽壓力受多個(gè)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的影響，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的同時(shí)，必須考慮多組PID控制之間的相互作用。為此，筆者分析了不同閥門對(duì)過冷槽壓力影響的特點(diǎn)，并基于此加入了前饋PID控制方法，避免了過冷槽壓力在自動(dòng)控制過程中超出安全范圍的情況，達(dá)到了系統(tǒng)對(duì)過冷槽壓力穩(wěn)定性的要求。

[1] 仇文君,歐陽崢嶸.基于PLC的SHMFF磁體冷卻水水溫控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2016,43(12):1248～1252.

[2] 閆俊,歐陽崢嶸,李洪強(qiáng).混合磁體超導(dǎo)線圈低溫傳輸線冷屏的設(shè)計(jì)與分析[J].低溫與超導(dǎo),2013,41(4):22～24.

[3] 任俊杰,李永霞,李媛,等.基于PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)PID控制器的實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009,31(4):20～23.

[4] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

DesignofPressureControlSystemfor40THybridMagnetCryogenicDistributionValveBoxBasedonPLC

FANG Ming, OUYANG Zheng-rong
(HighMagneticFieldLaboratoryoftheChineseAcademyofSciences)

The S7-300 PLC-based pressure control system for 40T hybrid magnet cryogenic distribution valve box was designed. In the design scheme of the original pressure control system, the PID control over the pressure within valve box stayed relatively independent and considered no influence between each other. In this new PID control scheme, the feed-forward control was added to make super-cooled tank pressure fluctuate within the safety range.

pressure control system, cryogenic distribution valve box, S7-300 PLC, PID, feed-forward control

TH862+.6

A

1000-3932(2017)09-0857-04

2017-03-27，

2017-06-29)

方明(1989-)，工程師，從事去離子水系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)和低溫控制系統(tǒng)開發(fā)工作,fangming4230@163.com。