靜葉調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要：為準(zhǔn)確及時調(diào)控風(fēng)機(jī)靜葉角度，設(shè)計一種基于電液控制技術(shù)的靜葉調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。首先介紹靜葉調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)，然后重點(diǎn)介紹PLC控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件編程要點(diǎn)，通過增加積分項(xiàng)權(quán)值方法，改進(jìn)經(jīng)典PID控制方法的缺陷，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：PLC控制；PID調(diào)節(jié)；比例閥；液壓系統(tǒng)；控制方法

中圖分類號：TP273" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）33-0034-04

Abstract： In order to accurately and promptly adjust the fan stator blade angle， a stator blade adjustment actuator based on electro-hydraulic control technology is designed. First， the hydraulic system of the stationary blade adjusting actuator is introduced， and then the hardware structure and software programming points of the PLC control system are introduced. By adding the weight of the integral term， the defects of the classic PID control method are improved and the response speed and stability of the system are improved.

Keywords： PLC control; PID regulation; proportional valve; hydraulic system; control method

石油裂化催化裝置的核心動力裝備是主風(fēng)機(jī)。為了保障主風(fēng)機(jī)的正常作業(yè)，需要有靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對風(fēng)機(jī)的各級靜葉角度進(jìn)行調(diào)整，一般采取電動或電液方式實(shí)現(xiàn)。九江環(huán)球科技股份有限公司研制的ZFJJY-BLF-IIIB型主風(fēng)機(jī)靜葉電液控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以電流信號（4～20 mA）作為控制信號，以高精度位移傳感器作反饋元件，利用PLC實(shí)現(xiàn)PID控制計算后，輸出信號經(jīng)放大后至比例閥，驅(qū)動伺服油缸產(chǎn)生相應(yīng)的位移，并通過液壓功率放大產(chǎn)生大推力輸出，從而使靜葉角度發(fā)生變化。

1" 液壓系統(tǒng)設(shè)計

靜葉電液控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)頻率特性不超過1 Hz，采用低成本、高可靠性和響應(yīng)速度快的比例閥控制，液壓系統(tǒng)的工作原理圖設(shè)計如圖1所示。

液壓油缸SG1的液壓控制過程：蓄能器的高壓油，經(jīng)過控制油路塊，進(jìn)入電磁閥DV2的P口，若操縱方式設(shè)置為自動，系統(tǒng)操作條件正常，則電磁閥DV2帶電，高壓油通過DV2的相應(yīng)油道，進(jìn)入液控單向閥V1、V2、V3的控制端使其呈雙向流通狀態(tài)，其油道變?yōu)橥ǖ溃邏河徒?jīng)過液控單向閥V1進(jìn)入比例閥SV1的P口，此時只需改變比例閥SV1相應(yīng)線圈的控制電流幅值，就能改變比例閥SV1兩個輸出口的流向與流量，即操縱伺服油缸SG1活塞移動的方向與速度，實(shí)施對閥門的精準(zhǔn)控制。若操縱方式設(shè)置為現(xiàn)場或系統(tǒng)產(chǎn)生故障時，則電磁閥DV2失電，使液控單向閥V1、V2、V3控制口接低壓，切斷比例閥SV1的供油油道，使伺服油缸活塞不能移動，實(shí)施就地鎖定，此時高壓油經(jīng)過電磁閥DV2的相應(yīng)油道，進(jìn)入手操閥SV2的P口，操縱手操閥SV2的手柄方向，就能改變手操閥SV2兩個輸出口的流向，實(shí)施對閥門控制的操作，通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥TV1可調(diào)節(jié)閥門運(yùn)行的速度。液壓油缸SG2為冗余設(shè)計，控制過程雷同。

2" 靜葉調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1" 硬件設(shè)計

靜葉調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用經(jīng)典的PLC和觸摸屏相結(jié)合的方式進(jìn)行控制，并通過PLC接入工廠的整個DCS系統(tǒng)。PLC作為下位機(jī)，直接接收外部數(shù)字量信號和模擬量輸入信號，并按照系統(tǒng)控制要求，輸出數(shù)字量以及模擬量對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。觸摸屏作為上位機(jī)，也即人機(jī)交互界面，在控制現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)簡單操作控制、參數(shù)修改設(shè)置以及信息顯示等功能[1]。

靜葉調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。PLC選擇為西門子S7-1200系列的CPU 1214C DC/DC/RELAY，并根據(jù)輸入輸出控制點(diǎn)位要求，選擇模擬量輸入模塊SM1231，模擬量輸出模塊SM1232和數(shù)字量繼電器輸入輸出模塊SM1222。數(shù)字量輸入信號主要包含控制方式選擇按鈕、故障報警信號等，接線都比較簡單，采用NPN或PNP接法都可以。數(shù)字量輸出信號主要包含自鎖閥、卸荷閥和指示燈的控制。模擬輸入信號主要包含DCS系統(tǒng)輸入的SP控制信號、位移傳感器信號等。模擬輸出信號主要包括比例閥控制信號和反饋到DCS的閥位反饋信號。其中，SP控制信號、位移傳感器信號均要求為電流信號，并通過隔離器進(jìn)行信號隔離與轉(zhuǎn)換，用于滿足遠(yuǎn)距離傳輸和響應(yīng)速度快的要求。比例閥控制信號需通過PLC模擬輸出模塊輸出后，再通過電子放大器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)油缸的準(zhǔn)確定位。觸摸屏選擇為西門子公司的TP700 Comfort。PLC與觸摸屏間采用以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換[2]。

2.2" 軟件設(shè)計

PLC控制程序和觸摸屏程序統(tǒng)一在TIA portal V16平臺上開發(fā)。PLC程序主要功能是利用PID算法實(shí)現(xiàn)比例閥的閥位控制，并實(shí)現(xiàn)油缸的準(zhǔn)確定位。另外還需要考慮油缸鎖位控制、報警控制和操作方式切換控制等。觸摸屏程序主要提供人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)顯示等功能[3]。

PLC程序采用模塊化編程思想包含信號歸一化、PID控制、卸荷閥控制、報警控制和操作方式控制等。

2.2.1" 信號歸一化處理

閥位控制的給定值（SP信號）和過程變量（位移傳感器信號）都是實(shí)際的工程量，其幅度、范圍和測量單位都會不同。在實(shí)施PID算法之前，將這些值轉(zhuǎn)換為無量綱的歸一化純量、浮點(diǎn)數(shù)的格式，可以大大方便后續(xù)的計算。利用NORM_X指令將閥位控制信號SP和位移傳感器反饋信號PV等根據(jù)PLC通道電壓或電流對應(yīng)的數(shù)字量范圍（如4～20 mA對應(yīng)5 530～27 648）進(jìn)行歸一化處理[4]。

2.2.2" 閥位PID控制

閥位PID控制是控制系統(tǒng)的核心。DCS系統(tǒng)輸入的4～20 mA自控信號SP、位移傳感器采集的閥位信號PV分別通過模擬量輸入模塊SM1231傳入PLC控制器。控制器進(jìn)行歸一化后的PID運(yùn)算，其數(shù)字量運(yùn)算結(jié)果（-1.0～1.0）通過反歸一化運(yùn)算后，再由模擬量輸出模塊SM1232輸出-10～+10 V，該模擬信號連接德國派克公司專門給比例閥設(shè)計配套的電子放大器做輸入信號，比例閥放大器輸出信號分別控制比例閥的前端和后端線圈，控制比例閥的運(yùn)動，從而對閥門的運(yùn)行實(shí)施精準(zhǔn)控制。在傳統(tǒng)位置式PID控制算法的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)對PID算法做了一定的改進(jìn)，根據(jù)當(dāng)前時刻的偏差信號大?。‥（k））對積分項(xiàng)進(jìn)行權(quán)值處理，其表達(dá)式為

式中：k為采樣序號；U（k）為開度；T為采樣周期；E（j）為第j時刻的偏差信號，ki=；kd=kp·TD；β為積分項(xiàng)權(quán)值。

編程時值得注意的是，根據(jù)需要設(shè)定閥的最大開度、最小開度、正向起調(diào)點(diǎn)、反向起調(diào)點(diǎn)和調(diào)節(jié)死區(qū)。

2.2.3" 液壓系統(tǒng)壓力控制

為確保液壓控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，壓力循環(huán)控制至關(guān)重要。如圖1所示，油泵P由電動機(jī)D驅(qū)動，通過截止閥M1、單向閥V4、V1，過濾器L1-2，產(chǎn)生高壓油，并將它們發(fā)送到蓄能器ZL1和ZL2以存儲和建立系統(tǒng)壓力。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到工作壓力的上限時，卸荷電磁閥DV3斷電，從油泵排出的機(jī)油通過電磁閥DV3返回到油箱，機(jī)油泵電機(jī)處于輕載運(yùn)行狀態(tài)。隨著系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)壓力下降。當(dāng)其下降到工作壓力的下限時，卸荷電磁閥DV3通電。油泵P向液壓系統(tǒng)供油，直到達(dá)到系統(tǒng)工作壓力的上限。

電氣控制邏輯：系統(tǒng)壓力由壓力變送器檢測，PLC接收壓力變送器的模擬輸入信號，轉(zhuǎn)換為工程量后，與設(shè)定的工作壓力做比較運(yùn)算，當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到工作壓力上限時，PLC控制卸荷電磁閥斷電，油泵卸荷。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力位于工作壓力下限時，PLC控制卸荷電磁閥通電，油泵加載。

2.2.4" 報警控制

除了常規(guī)的電源故障、油位低報警、壓差大報警、系統(tǒng)壓力低報警和油溫高報警外，系統(tǒng)需重點(diǎn)考慮PID調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)的SP信號消失鎖定、反饋信號PV消失鎖定和超差鎖定控制。比例閥SF1（SF2）由主控制室SP控制的先提條件是電磁閥DV1（DV2）帶電，而電磁閥DV1（DV2）帶電與否由自控信號SP、閥位信號PV、自控信號SP與閥位信號PV的差值E（k）不超差這3個條件來控制。只有這3個信號工作條件都正常，DV1（DV2）才帶電，從而保證主控制室對比例閥有效控制。3個信號中有一個不正常，系統(tǒng)都要由主控制室控制方式轉(zhuǎn)為自鎖狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)的安全[5]。

2.2.5" 輸入模式確定與切換

系統(tǒng)共有3種輸入模式，現(xiàn)場模式、自動模式和自鎖模式?，F(xiàn)場操作就是用手操閥進(jìn)行作業(yè)。首次上電、控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障、現(xiàn)場解鎖情況下要用現(xiàn)場操作。正常情況下，系統(tǒng)為自動操作。沒有故障前提下，現(xiàn)場操作和自動操作可以在控制面板上任意切換。如果大系統(tǒng)有故障，如SP信號消失、反饋信號PV消失和E（k）超差，都將使系統(tǒng)進(jìn)入自鎖模式。

2.2.6" 油缸零點(diǎn)和滿量程自由指定

油缸位置傳感器的量程一般會大于油缸的實(shí)際行程，所以需要在程序上實(shí)現(xiàn)實(shí)際量程調(diào)整方法，保證位置傳感器反饋的是油缸當(dāng)前實(shí)際位置。一般做法為將油缸運(yùn)行到零位時，記下此時位置傳感器反饋的數(shù)值，記為零點(diǎn)位置。將油缸運(yùn)行到最大行程處，記下此時位置傳感器反饋的數(shù)值，記為滿量程位置。最后歸一化時，計算位置傳感器相較于零點(diǎn)位置和滿量程位置的比例即可。實(shí)際位置傳感器量程與油缸行程的轉(zhuǎn)換程序如圖3所示。

2.2.7" 觸摸屏程序

觸摸屏程序主要包含系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置界面。系統(tǒng)狀態(tài)界面包括系統(tǒng)控制位置信號SP、實(shí)際位置信號PV、當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和報警信息等。參數(shù)設(shè)置界面，用于設(shè)置PID調(diào)節(jié)的P、I和D數(shù)值，調(diào)節(jié)帶寬以及零點(diǎn)和滿量程的確認(rèn)等。

3" 靜葉調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)試運(yùn)行

電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)安裝完成后，必須按照設(shè)計要求和有關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)試，進(jìn)行零位和行程調(diào)節(jié)，并最終確定最優(yōu)的PID調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試優(yōu)化，最終確定比例調(diào)節(jié)系數(shù)kp=5.0，積分調(diào)節(jié)系數(shù)ki=0.5，微分調(diào)節(jié)系數(shù)kd=0.05。積分項(xiàng)權(quán)值β最終取值公式如表達(dá)式（2）所示，此時系統(tǒng)跟蹤效果最好。

4" 結(jié)束語

實(shí)踐證明，基于PLC的比例電液控制系統(tǒng)響應(yīng)速度和位置控制精度都能滿足一般就地執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制要求。分段式PID控制算法能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)跟蹤效果。比例電液控制系統(tǒng)輸出流量正比比例閥控制繞組的輸入控制信號，屬于線性控制系統(tǒng)，是石油化工閥門控制中更新?lián)Q代的理想產(chǎn)品，同時也可應(yīng)用于鋼鐵、冶煉等其他行業(yè)的閥門自動控制中。

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