高溫泵水溫控制系統(tǒng)研究論文

　　摘要：高溫泵試驗(yàn)用水溫度控制系統(tǒng)以Ｓ７－３００ＰＬＣ為核心控制模塊，調(diào)用ＦＢ４１功能塊進(jìn)行ＰＩＤ運(yùn)算，然后由ＰＬＣ調(diào)用脈沖寬度調(diào)制器ＦＢ４３將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)量進(jìn)而控制加熱裝置。采用分段ＰＩＤ控制，將實(shí)際溫度值和設(shè)定值的偏差分為幾個(gè)階段，不同階段采用不同的ＰＩＤ參數(shù)，解決了加熱過(guò)程中溫度超調(diào)、波動(dòng)幅度大以及加熱時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。該方案已應(yīng)用到實(shí)際企業(yè)橫向課題中，經(jīng)驗(yàn)證控制精度高、穩(wěn)定性好。

　　關(guān)鍵詞：高溫泵；溫度控制；分段ＰＩＤ控制

　　隨著我國(guó)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(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(lèi)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(dòng)化水平。相對(duì)傳統(tǒng)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(lái)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(guò)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(guò)固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱裝置的開(kāi)關(guān)控制。

　　１溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　�。保�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(chǔ)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?jī)?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(tái)，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(hào)經(jīng)過(guò)壓力變送器后傳輸給ＰＬＣ的模擬量輸入模塊ＳＭ３３１，經(jīng)過(guò)ＰＬＣ濾波處理后得到實(shí)際溫度值，作為過(guò)程變量ＰＶ進(jìn)行下一步計(jì)算。利用設(shè)定溫度值ＳＰ與過(guò)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(guò)程構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。ＰＬＣ通過(guò)模擬量采集模塊ＳＭ３３１反饋回來(lái)的實(shí)時(shí)溫度ＰＶ，獲取偏差值ＥＲ，偏差經(jīng)過(guò)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(jiàn)圖１。ＰＩＤ輸出為模擬量，加熱裝置的開(kāi)關(guān)為開(kāi)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，ＦＢ４３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(guò)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(guò)固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱裝置的開(kāi)關(guān)控制。

　�。保�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(hào)作為過(guò)程變量值并不準(zhǔn)確。本試驗(yàn)采用均值濾波的方式來(lái)保證其準(zhǔn)確性。程序中設(shè)定每５０ｍｓ取一個(gè)溫度值并依次排列，順序�。保皞�(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(yǔ)言（ＳＣＬ）編寫(xiě)）：ＶＡＲ＿ＯＵＴＰＵＴＰＩＷ＿ＯＵＴ：ＲＥＡＬ；ＥＮＤ＿ＶＡＲＶＡＲ＿ＴＥＭＰＥＮＤ＿ＶＡＲＶＡＲＰＩＷ＿ＩＮ＿ＲＥＡＬ：ＲＥＡＬ；ＤＡＴＡ＿ＳＴＯＲＥ：ＡＲＲＡＹ［０．．９］ＯＦｒｅａｌ；Ｆ＿ＣＯＵＮＴ：ＩＮＴ；ＴＯＴＡＬ＿ＤＡＴＡ：ＲＥＡＬ；ＥＮＤ＿ＶＡＲＴＯＴＡＬ＿ＤＡＴＡ：＝０．０；ＰＩＷ＿ＩＮ＿ＲＥＡＬ：＝ＰＩＷ＿ＩＮ；ＦＯＲＦ＿ＣＯＵＮＴ：＝０ＴＯ８ＢＹ１ＤＯＤＡＴＡ＿ＳＴＯＲＥ［Ｆ＿ＣＯＵＮＴ］：＝ＤＡＴＡ＿ＳＴＯＲＥ［Ｆ＿ＣＯＵＮＴ＋１］；ＥＮＤ＿ＦＯＲ；ＤＡＴＡ＿ＳＴＯＲＥ［９］：＝ＰＩＷ＿ＩＮ＿ＲＥＡＬ；ＦＯＲＦ＿ＣＯＵＮＴ：＝０ＴＯ９ＢＹ１ＤＯＴＯＴＡＬ＿ＤＡＴＡ：＝ＴＯＴＡＬ＿ＤＡＴＡ＋ＤＡＴＡ＿ＳＴＯＲＥ［Ｆ＿ＣＯＵＮＴ］；ＥＮＤ＿ＦＯＲ。

　　２分段ＰＩＤ控制及提前加熱補(bǔ)償

　�。玻�１分段ＰＩＤ控制方法應(yīng)用

　�。校桑目刂埔�(guī)律是通過(guò)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)椋校煽刂�。本文的溫度控制系統(tǒng)采用ＰＩ控制。溫度控制過(guò)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(guò)大，要么調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(guò)程用一固定值。當(dāng)設(shè)定值（ＳＰ）與過(guò)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(zhǎng)；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(guò)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(xiě)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(guò)多次試驗(yàn)歸納總結(jié)得出。

　�。玻�２提前加熱補(bǔ)償應(yīng)用

　　本閉式管路系統(tǒng)需對(duì)４種不同規(guī)格型號(hào)的泵進(jìn)行試驗(yàn)，４種泵對(duì)應(yīng)管徑分別為ＤＮ１５、ＤＮ２５、ＤＮ５０、ＤＮ１００。試驗(yàn)過(guò)程如下：當(dāng)罐體內(nèi)水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，先開(kāi)啟對(duì)應(yīng)管路閥門(mén)，然后開(kāi)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(duì)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(huì)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(cè)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(duì)上述問(wèn)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ǎ�具體如下：在被試泵開(kāi)啟之前，開(kāi)閥門(mén)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(cè)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(guò)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(kāi)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。

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