基于S7-300PLC高溫泵試驗(yàn)用水加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱景紅，王汝才，竇青青

（山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250100）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的高速發(fā)展，在煉油、石油化工以及電力等行業(yè)中，高揚(yáng)程高速水泵用于輸送高溫介質(zhì)已很普遍。如煉油廠所需的用于輸送聚丙烯導(dǎo)生液的高速水泵介質(zhì)溫度和揚(yáng)程分別為340℃和340 m。在核電二次回路系統(tǒng)中，有各種各樣的給水泵需要為蒸汽發(fā)生器供水，這些給水泵一般都在高溫高壓條件工作，其性能及運(yùn)行可靠性將直接對(duì)核電能力及安全產(chǎn)生影響[1-3]。所以出廠前必須對(duì)該類高溫高壓泵進(jìn)行試驗(yàn)。

傳統(tǒng)水泵控制系統(tǒng)主要是由繼電器控制線路組成，器件排列復(fù)雜，存在繁瑣的二次接線，而且控制柜體積相對(duì)較大、調(diào)試檢修以及可靠性低。采用PLC實(shí)現(xiàn)水泵測(cè)試控制大大提高設(shè)備在線故障檢測(cè)能力以及系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，主要原因是取消了所有的中間環(huán)節(jié)和二次接線，手動(dòng)按鈕取消，全部集成到上位機(jī)控制面板上，人員只需在中控室即可完成所有試驗(yàn)操作。PLC控制相對(duì)傳統(tǒng)的專用測(cè)量?jī)x器與儀表的水泵微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)而言，其處理速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)以及實(shí)時(shí)控制性更好[4-5]。

本文作者采用S7-300PLC核心控制來(lái)實(shí)現(xiàn)高溫離心泵閉式管路試驗(yàn)，主要控制參數(shù)有試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)用水的加熱、試驗(yàn)中各類閥門及各檢測(cè)參數(shù)（如流量、壓力、液位）等。主要分析加熱系統(tǒng)的控制情況，控制過(guò)程中采用分段比例控制思想、死區(qū)寬度理論以及均值濾波等，整個(gè)加熱控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，保證整個(gè)閉式管路試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

1 測(cè)控系統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

測(cè)試系統(tǒng)的控制參數(shù)主要有溫度、開關(guān)量閥門、4～20 mA閥門以及各類4～20 mA檢測(cè)信號(hào)的相關(guān)邏輯控制。采用基于S7-300PLC的分布式控制系統(tǒng)解決方案，一個(gè)主站兩個(gè)從站，主從站結(jié)構(gòu)方式為：主站部分模塊控制4～20 mA調(diào)節(jié)閥以及壓力、流量、溫度等4～20 mA檢測(cè)信號(hào)，一個(gè)從站實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱系統(tǒng)以及開關(guān)量閥門的控制，另一個(gè)從站控制被試泵電機(jī)，上位機(jī)采用易控組態(tài)軟件作為監(jiān)控平臺(tái)，主從站之間采用Profibus-DP總線連接，上位機(jī)和PLC之間采用TCP/IP通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。上位機(jī)主要進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)置以及分析泵的性能，并輸出試驗(yàn)曲線和試驗(yàn)報(bào)告等。

分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主站在一個(gè)控制柜內(nèi)，另外兩個(gè)從站在一個(gè)控制柜內(nèi)，上位機(jī)安裝在中心監(jiān)控室。采用ET200M結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的從站，通過(guò)Profi?bus-DP總線建立主站CPU和ET200M從站之間的通信連接。然后根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)控制回路、以及模擬量和數(shù)字量的多少，在Step7中對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組態(tài)，并分配從站地址[6]。主站采用PS3075A（電源）模塊，從站采用SITOP電源模塊，中央處理單元采用313C-2DP，模擬量輸入模塊采用SM331，模擬量輸出模塊采用SM332，數(shù)字量輸入模塊采用SM321，數(shù)字量輸出模塊采用SM322。

圖1 分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成框圖

ET200M是高密度配置的模塊化I/O站，是免維護(hù)的DP從站。主要由從站接口模塊IM153-2、功能模塊和I/O模塊構(gòu)成。其中IM153-2模塊是信號(hào)模塊、功能模塊和通信處理器的I/O接口，支持在主站系統(tǒng)中對(duì)ET200M進(jìn)行組態(tài)、參數(shù)化和編程等功能，同樣也支持對(duì)其進(jìn)行調(diào)試和診斷。

2 加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫度控制回路組成

由于被試泵為高溫泵，對(duì)其進(jìn)行閉式管路試驗(yàn)，首先需要對(duì)儲(chǔ)水罐內(nèi)水加熱到指定數(shù)值。該試驗(yàn)電加熱裝置從罐體底部?jī)?nèi)置3根1.2m長(zhǎng)的加熱棒。試驗(yàn)要求：試驗(yàn)時(shí)水溫需達(dá)到某一設(shè)定值，該設(shè)定值可根據(jù)泵的型號(hào)由試驗(yàn)人員進(jìn)行設(shè)定，要求溫度偏差±0.5℃。所以罐體內(nèi)水溫控制是主要控制參數(shù)，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的難點(diǎn)，其余參數(shù)的測(cè)量可在PLC中采用STL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。溫度采集利用PT100溫度傳感器，溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)壓力變送器后傳輸給PLC模擬量輸入模塊SM331，經(jīng)過(guò)PLC分析運(yùn)算后通過(guò)模擬量輸出模塊SM332輸出，進(jìn)而控制加熱棒?？刂七^(guò)程采用了分段比例控制思想，通過(guò)在STEP7編程軟件中編寫程序，控制加熱棒的開啟。溫度控制回路如圖2所示，主要由易控、PLC、中間繼電器、交流接觸器以及電熱元件組成。

圖2 溫度控制回路

2.2 溫度傳感器數(shù)據(jù)采集處理

由于罐體上只安裝有一個(gè)溫度傳感器，受外界溫度變化，罐體內(nèi)水流動(dòng)以及硬件自身精度等因素的影響，采集一個(gè)溫度信號(hào)進(jìn)行傳輸處理并不準(zhǔn)確。該試驗(yàn)采用軟件濾波方式來(lái)保證溫度數(shù)值的穩(wěn)定準(zhǔn)確性。常用的軟件濾波方式有限幅濾波、均值濾波、中指濾波等。本試驗(yàn)采用的是均值濾波的方式，程序中設(shè)定每50 ms取一個(gè)溫度值并依次排列，這樣順序取10個(gè)數(shù)值，然后去掉最大值和最小值，剩余的取平均值，其中部分程序如下，該段程序采用的是結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言（SCL）編寫的。之所以用該語(yǔ)言編寫是因?yàn)镾CL在數(shù)據(jù)處理方面，可以直接用公式的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算；此外處理一些循環(huán)類、分支選擇類、條件判斷類的邏輯時(shí)也很方便。

VAR_OUTPUT//Output Parameters

PIW_OUT:REAL;

END_VAR

VAR_TEMP//Temporary Variables

END_VAR

VAR//Static Variables

PIW_IN_REAL:REAL;

DATA_STORE:ARRAY[0..9]OF real;

F_COUNT:INT;

TOTAL_DATA:REAL;

END_VAR//Statement Section

TOTAL_DATA:=0.0;

PIW_IN_REAL:=PIW_IN;

FOR F_COUNT:=0 TO 8 BY 1 DO

DATA_STORE[F_COUNT]:=DATA_STORE[F_COUNT+1];

END_FOR;

DATA_STORE[9]:=PIW_IN_REAL;

FOR F_COUNT:=0 TO 9 BY 1 DO

TOTAL_DATA:=TOTAL_DATA + DATA_STORE[F_COUNT];

END_FOR;

2.3 分段比例控制的應(yīng)用

如何控制3根加熱棒，使其達(dá)到試驗(yàn)需求溫度。如果采用通用控制同時(shí)開啟3根加熱棒，雖然初始加熱速度快，但是由于每根加熱棒的功率是15kW，功率比較大，何時(shí)停止加熱就很難把握，過(guò)早停止溫度達(dá)不到指定要求，過(guò)晚停止溫度會(huì)超過(guò)設(shè)定值很多。不僅有升溫的過(guò)程，同時(shí)也會(huì)有降溫的過(guò)程，因?yàn)樵囼?yàn)管路直徑為DN50，所以試驗(yàn)運(yùn)行初期，管路里面的水為涼水，涼水循環(huán)進(jìn)入罐體，罐內(nèi)水溫必然下降，這時(shí)再如何控制加熱系統(tǒng)是一個(gè)難題。

為解決上述問(wèn)題，在程序編寫時(shí)加入分段比例控制的思想，可以提高控制系統(tǒng)性能，使調(diào)節(jié)時(shí)間短且超調(diào)小[7-8]。具體控制過(guò)程如下：首先是升溫過(guò)程，當(dāng)罐體內(nèi)水溫由室溫上升過(guò)程中，啟動(dòng)3根加熱棒，當(dāng)檢測(cè)到罐內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度值88%時(shí)，關(guān)掉其中一根加熱棒，當(dāng)罐內(nèi)溫度上升到設(shè)定溫度值95%時(shí)，再關(guān)掉其中一根加熱棒，直到罐內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，3根加熱棒全部關(guān)閉。其次是降溫過(guò)程，當(dāng)罐內(nèi)溫度低于設(shè)定值時(shí)開啟一根加熱棒，涼水循環(huán)進(jìn)入罐體內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致水溫繼續(xù)下降，當(dāng)檢測(cè)溫度值達(dá)到設(shè)定值的95%時(shí)，開啟兩根加熱棒，同理當(dāng)罐內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值的88%時(shí)，則3根加熱棒均開啟。當(dāng)然整個(gè)升溫降溫是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，直到達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定值，分段比例控制設(shè)定見表1所示。

控制過(guò)程中除了采用分段比例控制之外，同時(shí)也考慮到加熱時(shí)間的問(wèn)題。因?yàn)榭赡艽嬖谌缦虑闆r：當(dāng)開啟一根加熱棒或兩根加熱棒加熱一段時(shí)間之后，罐體內(nèi)升溫加速度下降，導(dǎo)致前后溫差變化不大，遲遲達(dá)不到設(shè)定溫度值，這時(shí)就需要通過(guò)控制再開啟第2根或者第3根加熱棒，改變當(dāng)前溫度升溫慢的問(wèn)題。

除此之外，還可能存在如下問(wèn)題，在程序中均進(jìn)行了控制：

（1）如果4～20 mA溫度信號(hào)檢測(cè)斷線或者短路，加熱系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止；

（2）當(dāng)3根加熱棒都開啟的情況下，加熱較長(zhǎng)一段時(shí)間后，溫度測(cè)定值前后變化很小，即整個(gè)加熱系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止并報(bào)警；

（3）由于所用加熱棒單根功率為15 kW，啟動(dòng)電流較大，如果加熱過(guò)程中同時(shí)開啟3根加熱棒會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大沖擊，為了保護(hù)各電器元件，在程序中設(shè)定3根加熱棒依次順序啟動(dòng)，時(shí)間間隔為5 s。另一種情況是，當(dāng)罐內(nèi)溫度快達(dá)到設(shè)定值時(shí)，操作人員突然改變了設(shè)定值，如原設(shè)定值為100℃，此時(shí)罐內(nèi)溫度接近100℃，一根加熱棒處于開啟狀態(tài)，此時(shí)操作人員突然將設(shè)定值改為200℃，那么按照分段比例控制來(lái)說(shuō)，就應(yīng)該開啟三根加熱棒，那么另外兩根加熱棒的開啟也需要采用順序啟動(dòng)的方式，這些均寫入到程序當(dāng)中，避免電流沖擊過(guò)大。

2.4 死區(qū)寬度理論的應(yīng)用

在控制系統(tǒng)中，某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)如果頻繁動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致小幅振蕩，造成嚴(yán)重的機(jī)械磨損。從控制要求來(lái)說(shuō)，很多系統(tǒng)又允許被控量在一定范圍內(nèi)存在誤差。帶死區(qū)的控制能防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻繁動(dòng)作。即所謂的死區(qū)寬度，就是設(shè)定一個(gè)范圍，使信號(hào)在這個(gè)范圍內(nèi)不起作用。

試驗(yàn)中為防止加熱棒頻繁開啟，引用死區(qū)寬度理論，死區(qū)寬度值具體設(shè)定見表1。由于水溫設(shè)定值是用戶根據(jù)被試泵型號(hào)設(shè)定的，所以假如設(shè)定值為100℃，則升溫過(guò)程中，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值88%即88℃時(shí)，設(shè)定死區(qū)寬度正偏差為+1.5℃，所以當(dāng)檢測(cè)溫度為達(dá)到89.5℃時(shí)，則需要關(guān)掉一個(gè)加熱棒；溫度繼續(xù)上升到設(shè)定值的95%即95℃時(shí)，設(shè)定死區(qū)寬度正偏差為+1.0℃，所以當(dāng)檢測(cè)溫度為96℃時(shí)，再關(guān)掉一根加熱棒；最后當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值100℃時(shí)，設(shè)定死區(qū)寬度正偏差為+0.3℃，則當(dāng)檢測(cè)溫度值為100.03℃時(shí)，加熱棒全部關(guān)閉。同理降溫過(guò)程死區(qū)寬度理論應(yīng)用過(guò)程一樣，此處不再贅余。

表1 分段比例控制及死區(qū)寬度設(shè)定表

死區(qū)寬度設(shè)置大小不同，越接近設(shè)定值時(shí)死區(qū)寬度設(shè)置越小，主要為了保證加熱精度。

3 結(jié)論

針對(duì)高溫閉式管路試驗(yàn)臺(tái)，建立基于S7-300PLC的分布式控制系統(tǒng)，采用PLC313C-2DP主站、ET200M從站的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)方式，配有VB6.0開發(fā)環(huán)境開發(fā)的水泵性能測(cè)試軟件，工控軟件（易控）開發(fā)環(huán)境開發(fā)的測(cè)控系統(tǒng)軟件作為工控機(jī)。主要就試驗(yàn)過(guò)程中加熱控制系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)與應(yīng)用，編程過(guò)程中引入分段比例控制思想、死區(qū)寬度理論、均值濾波以及加熱元件順序啟動(dòng)等關(guān)鍵控制思想。整個(gè)控制系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好而且操作簡(jiǎn)便，界面清晰，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)高溫泵測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。