基于分段PID控制的高溫泵水溫控制系統(tǒng)

朱景紅，王汝才

(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

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，高揚(yáng)程高速泵用于輸送高溫介質(zhì)已很普遍。如核電用泵一般都在高溫高壓條件下工作，其性能及運(yùn)行可靠性將直接對核電能力及安全產(chǎn)生影響[1-3]。所以出廠前必須對該類泵進(jìn)行試驗(yàn)。傳統(tǒng)的水泵控制系統(tǒng)主要是由繼電器控制線路組成，存在諸多不足，本文采用PLC控制提高了系統(tǒng)的自動化水平。相對傳統(tǒng)水泵微機(jī)測試系統(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]。

本文以某企業(yè)具體橫向課題為研究背景，采用S7-300PLC核心控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高溫離心泵閉式管路試驗(yàn)，主要分析了溫度控制系統(tǒng)，控制過程中采用分段PID控制方法、調(diào)用FB43功能塊將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為周期性輸出的脈沖串，通過固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)對加熱裝置的開關(guān)控制。

1 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 溫度控制回路組成

被試泵為高溫泵，做閉式管路試驗(yàn)時(shí)需將儲水罐內(nèi)水溫加熱到指定數(shù)值。本試驗(yàn)加熱裝置是在罐體底部內(nèi)置的加熱棒?？刂葡到y(tǒng)采用S7-300PLC為控制模塊，上位機(jī)采用易控組態(tài)軟件為監(jiān)控平臺，主要進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)置以及泵的性能分析。利用PT100溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，溫度信號經(jīng)過壓力變送器后傳輸給PLC的模擬量輸入模塊SM331，經(jīng)過PLC濾波處理后得到實(shí)際溫度值，作為過程變量PV進(jìn)行下一步計(jì)算。

利用設(shè)定溫度值SP與過程變量PV的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，將PID運(yùn)算結(jié)果以周期性脈沖串輸出到固態(tài)繼電器，由固態(tài)繼電器控制加熱裝置，整個(gè)控制過程構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。PLC通過模擬量采集模塊SM331反饋回來的實(shí)時(shí)溫度PV,獲取偏差值ER，偏差經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算輸出，控制加熱裝置加熱時(shí)間，以克服偏差，促使偏差趨近于零，溫度控制框圖見圖1。

圖1 溫度控制框圖

PID輸出為模擬量，加熱裝置的開關(guān)為開關(guān)量，試驗(yàn)中PLC調(diào)用FB41功能塊進(jìn)行PID運(yùn)算，然后再調(diào)用脈沖寬度調(diào)制器FB43，F(xiàn)B43的脈沖發(fā)生器(PULSEGEN)一般與FB41的連續(xù)調(diào)節(jié)控制器(CONT_C)一起使用，即將FB41的輸出作為FB43的輸入。FB43的脈沖發(fā)生器可以通過調(diào)制脈沖寬度，將其輸入變量“INV”(=PID控制器的輸出)轉(zhuǎn)換為一恒定周期的脈沖串，即將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為周期性脈沖串，通過固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)對加熱裝置的開關(guān)控制。

1.2 溫度傳感器數(shù)據(jù)采集處理

罐體上只有一個(gè)溫度傳感器，受外界溫度變化及硬件自身精度等因素影響，采集一個(gè)溫度信號作為過程變量值并不準(zhǔn)確。本試驗(yàn)采用均值濾波的方式來保證其準(zhǔn)確性。程序中設(shè)定每50 ms取一個(gè)溫度值并依次排列，順序取10個(gè)數(shù)值，然后去掉最大最小值，剩余取平均值作為實(shí)際溫度值。

均值濾波部分程序如下(該段程序采用結(jié)構(gòu)化控制語言(SCL)編寫)：

VAR_OUTPUT

PIW_OUT:REAL;

END_VAR

VAR_TEMP

END_VAR

VAR

PIW_IN_REAL:REAL;

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

F_COUNT:INT;

TOTAL_DATA:REAL;

END_VAR

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 分段PID控制及提前加熱補(bǔ)償

2.1 分段PID控制方法應(yīng)用

PID控制規(guī)律是通過比例(P)、積分(I)以及微分(D)計(jì)算獲得輸出結(jié)果，將PID中的微分部分設(shè)置為0，則PID控制變?yōu)镻I控制。本文的溫度控制系統(tǒng)采用PI控制。

溫度控制過程中，在設(shè)置比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)時(shí)，要么超調(diào)量過大，要么調(diào)節(jié)時(shí)間過長，難以找到一個(gè)合適的比例系數(shù)和積分時(shí)間。如果引入分段PID控制，將比例系數(shù)與積分時(shí)間作為變量，而不是整個(gè)控制過程用一固定值。當(dāng)設(shè)定值(SP)與過程變量(PV)偏差較大時(shí)，適當(dāng)加強(qiáng)比例與積分作用，使PID輸出在短時(shí)間內(nèi)迅速增長；當(dāng)偏差較小時(shí)，將比例與積分作用適當(dāng)減弱，讓PID輸出減速；當(dāng)偏差很小時(shí)，再進(jìn)一步減小比例與積分作用，讓PID的輸出加速度進(jìn)一步放慢。該控制過程在偏差較大時(shí)加快了升溫速度，偏差較小時(shí)又避免了超調(diào)情況出現(xiàn)，使得整個(gè)系統(tǒng)的控制性能大大提高[6]。

按照上述控制思路將PID分為三段。程序編寫時(shí)需根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況而定，分段點(diǎn)以偏差率為基準(zhǔn)，偏差率等于偏差值ER除以設(shè)定值SP。當(dāng)偏差率大于50%時(shí)，比例系數(shù)與積分時(shí)間分別為gain1和TI1；當(dāng)偏差率在50%～20%時(shí)比例系數(shù)與積分時(shí)間分別為gain2和TI2；當(dāng)偏差率小于20%時(shí)比例系數(shù)與積分時(shí)間分別為gain3和TI3。比例系數(shù)和積分時(shí)間具體數(shù)值通過多次試驗(yàn)歸納總結(jié)得出。

2.2 提前加熱補(bǔ)償應(yīng)用

本閉式管路系統(tǒng)需對4種不同規(guī)格型號的泵進(jìn)行試驗(yàn)，4種泵對應(yīng)管徑分別為DN15、DN25、DN50、DN100。試驗(yàn)過程如下：當(dāng)罐體內(nèi)水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，先開啟對應(yīng)管路閥門，然后開被試泵電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。由于加熱罐為密封罐，管路中水溫相對加熱罐中水溫度低很多，當(dāng)被試泵初運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨著管路中水循環(huán)進(jìn)入加熱罐，罐體內(nèi)水溫會急劇下降，管徑不同，下降幅度不同，管徑越大，下降幅度越大。管徑DN100的被試泵初運(yùn)行時(shí)，檢測到罐體內(nèi)溫度大約降15 ℃左右，管徑DN50的大約降10 ℃左右，管徑DN25的大約降7 ℃左右，DN15管路水溫下降不大，采用正常PID調(diào)節(jié)即可。

針對上述問題，為了加快升溫速度，在程序中引入提前加熱補(bǔ)償?shù)姆椒?，具體如下：在被試泵開啟之前，開閥門時(shí)就進(jìn)行加熱補(bǔ)償，如DN100管路，將補(bǔ)償輸出設(shè)為20%，此時(shí)正常PID的輸出若為20%，則兩者相加之和為40%，將40%作為FB43功能塊的輸入。即在溫度驟降之前就進(jìn)行加熱補(bǔ)償，充分了利用這個(gè)時(shí)間差。當(dāng)檢測到罐體內(nèi)水溫和設(shè)定溫度值之差在2 ℃以內(nèi)，則停止加熱補(bǔ)償，進(jìn)行正常的PID調(diào)節(jié)。

由PID調(diào)節(jié)器的輸出工作模式可知PID輸出是0%～100%中的一個(gè)值，加上補(bǔ)償后可能大于100%，為此將兩者之和限幅為100%。提前加熱補(bǔ)償與正常不進(jìn)行補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)相比，加熱速度明顯提升。

3 結(jié)論

本文通過調(diào)用FB43功能塊，將PID模擬量輸出轉(zhuǎn)化為周期性脈沖串輸出，控制加熱裝置開關(guān)。分段PID控制方法的應(yīng)用使得系統(tǒng)的控制性能得到改善；提前加熱補(bǔ)償提高了加熱速度，具體補(bǔ)償量目前是根據(jù)試驗(yàn)多次嘗試獲得的，后續(xù)研究可進(jìn)一步進(jìn)行理論驗(yàn)證并尋找出更合適的方法。