基于plc的管道流量、压力解耦控制系统设计

基于plc的管道流量、压力解耦控制系统设计内容摘要：

440 系列变频器。 在本课题中 的作用 是对流量进行控制调节。 在本课题中，变频器参数的调试方法如下： 由于本课题中变频器有模拟量的输入输出，因此需要调试的参数有：参数复位 P0010= P0970=1 进行重置； P0003=2； P0010=1；使用的是欧洲地区的变频器所以 P0100=0；水泵额定电压是 220V，额定电流是 ，额定功率是 260W，P0304=220， P0305=， P0307=；额定频率 50Hz， P0310=50；额定转速2800r/min， P0311=2800； P0335=0 自冷却； P0640=150，这是过载因子；端子排输入 P0700=2；模拟设定值 P1000=2；最小频率 P1080=0；最大频率 P1082=50；P1120=10； 1121=10； P1135=5；由于水泵是抛物线 v/f 控制， P1300=2 ；P3900=0；死区电压设置： P3900= P0761=。 下图是 变频器与外围 装置和负载 的标准接线： 图 22 变频器与 外围装置 的连接 （ 3）、涡轮流量计 基于 PLC 的管道流量、压力解耦控制系统设计 8 涡轮流量计的工作原理是通过多叶片的转子（涡轮）感受水平均流速来完成的。 由 显示仪和传感器组成并且广泛应用于天然气、液化气、石油、煤气等。 其特点是重复性好、精确度高、可输出脉冲频率信号、信号分辨能力强、范围度较宽、结构紧凑轻巧并且适用于高压测量。 （ 4）、压力变送器 压力变送器的原理是敏感芯体在 受到压力 的作用下产生电阻的变化，然后电阻的变化再通过放大电路转换成标准信号输出。 其特点是体积小巧、精度较高、有较好的稳定性，温度的漂移可以通过补偿电路减小到很小的程度。 组态王 软 件 跟 着工业自动化水平 逐步急速 提高， 针对工业自动化的发展，人们 要实现的控制 要求也随之提高，各种各样的过程监控装置和控制设备在工业领域中应用，组态王工控软件逐渐成为近几年以来最受人们喜欢的上层组态软件之一，由于其在使用是简单方便、出售价格较低等优势，从而在多个工业控制项目中获得使用。 比起以前利用的专用机开发出来的工业控制系统，组态王利用 PC 机开发的控制系统更具有普遍性，多方面的减少工业控制软件开发者的工作量。 组态王 的特点大概有以下几个方面 ： （ 1）、工程管理功能： “ 工程管理器” 的 主要功能是为使用者 集合处理 本机上的一切项目工程。 管理器功能包括新建工程、删除工程、对工程重命名、修改工程属性、备份和恢复工程等等。 （ 2）、画面制作及换面显示系统： 在 Windows 境况 下，尽可能的运用其图形功能使的界面华丽和完整，绘制出这种工业画面，经过“可视化动画连接向导”进行可视化图形操作，完成模拟的工业控制现场。 （ 3）、 报警和事件系统：有报警分组管理、基于 事故 的报警、报警过滤、报警优先级、延时 观点 以及新增死区 和远程网络管理报警 等功能。 （ 4）、控件：支持 Windows 规范 的 Active X 控件， 囊括了 微软给与的基准的 Active X 控件和使用着自己改装的 Active X 控件， Active X 控件 没有必要在组态王中做大量的工作，它 能够 调用一个已经存在的规范控件来完成繁琐任务。 因此，对于用户来说是非常方便的。 （ 5）、 报表系统： 组态王 供给 的集成内嵌式报表系统，其里面有大量的各种报表函数，所以用户创建的报表也是比较多样化的。 报表系统能够在打印时进行基于 PLC 的管道流量、压力解耦控制系统设计 9 预览和页面设置并能够进行组态。 （ 6）、 OPC:组态王 一方面能够作为 OPC 客户端，另一方面还能作为 OPC服务器，用户可以使用 OPC 接口进行组态王变量的访问。 （ 7）、通讯系统： 远程设备之间的通信是通过远程拨号实现的。 可以 不间断的 判断 通信 质量和 数据采集 时间； 可以完成 网络 DDE， 实行 组态王与各类软件之间 经 过网络的数据交换。 解耦控制系统分析 管道中压力、流量控制系统是一个 典型的互相 耦合的系统。 电动调节阀和变频器都会对 管道 的压力和流量 酿 成不同程度的 干扰 ，所以，在压力比较偏大的情况下， 我们将调节阀的开度增大 时， 流量会随之加大，如果这个时候经过流量控制器作用而减小变频器，又会导致管道中的压力下降，电动调节阀和变频器互相干涉、影响，所以是一个典型的相关联系统。 因为系统变频器调节Ⅰ支 路流量，调节阀调节Ⅱ支路流量，两个支路并联才能 够 实现解耦控制实验，并联之后可以选择使用Ⅱ支路的流量计来测量流量。 管道的流量、压力解耦控制流程图如下所示： 图 24 管道 的流量、压力 解耦控制流程图 下表是 管道 流量、压力 解耦控制 的各个测点的清单 ： 基于 PLC 的管道流量、压力解耦控制系统设计 10 序号 代号 设备名称 功能 信号类型 工程量 1 FT102 涡轮流量计 给水流量Ⅱ 420mADC 03m3/h 2 PT101 压力变送器 给水压力 420mADC 150kpa 3 FV101 电动调节阀 阀位控制 210VDC 0100% 4 U101 变频器 频率控制 210VDC 0100% 表 24 管道 流量、压力 解耦控制 的各个 测点清单说明 水经过由变频器 U101 驱动的水泵 P101 从而由水箱 V104 中加压获得压头，经过用于两个支路连接的阀门 QV10流量计 FT10压力传感器 PT10电动调节阀 FV10水箱 V103 以及阀门 QV116 回流到水箱 V104 中从而形成水循环，水箱只作为一个连通器；其中，压力变送器主要是用于测得给水压力， 涡轮流量计主要测的是给水流量。 在本课题研究的解耦控制系统中， 被控变量 压力的操纵变量的是调节阀 FV101，被控变量流量的操纵变量是变频器 U101， 我们可以经过解耦器函数的解耦计算 两条支路各自的调节器输出，然后进行分别去控制各自调节回路的操纵变量。 基于 PLC 的管道流量、压力解耦控制系统设计 11 3 解耦控制系统设计 解耦控制 解耦控制系统就是为 了肃清系统中各个控制回路之间相互耦合作用，我们需要寻找一些适当的控制规律并且采用某一种系统结构 ， 使得每一个输入只控制自己相 对 应的一个输出，每一个输出只受到一个控制的作用， 即完成一对一。 解耦控制系统框图如下： 图 31 解耦控制系统框图 如上图所示， G12和 G21 不为零时有耦合； G12=G21=0 时无耦合； G12或 G21为零时为半耦合。 管道流量、压力的解耦控制器设计 解耦器设计 (1)、控制结构 管道中压力、流量控制系统是一个 彼此 耦合的系统。 电动调节阀和变频器都会对系统的压力和流量造成不同程度的 干扰 ，所以，在压力比较偏大的情况下，我们 将调节阀开度放大的时候 ，流量会随之 增大 ， 如果这个时候变频器因为在流量控制器的作用下而变小，又会导致管道中的压力减小。 因此， 电动调节阀和变频器相互干扰 是一个典型的 相 关联系统。 系统的关联系数值与流量和压力有关，与其他任何参数都没有关系。 如下图所示： Gc1 G11 G21 G12 G22 Gc2 R1 R2 U1 U2 Y1 Y2 基于 PLC 的管道流量、压力解耦控制系统设计 12 图 321（ 1）管道 流量、压力 解耦控制 （ 2）、变频器调节 变频器工作频率调节特性如下图所示： 图 321（ 2） A变频器工作频率调节特性 如果把变频器换成电动调节阀，调节阀前端是水泵的情况下，其特性如下图所示： 流量 压力 变频器工作频率 30Hz 变频器工作频率 40Hz 变频器工作频率 50Hz 0 基于 PLC 的管道流量、压力解耦控制系统设计 13 前端调节阀工作开度 100% 前端调节阀工作开度 75% 前端调节阀工作开度 60% 图 321（ 2） B 调节阀工作开度调节特性 这是水泵的硬特性导致的结果，不符合典型的管道压力耦合特性。 因为前端调节阀不是线性的，整个系统 很难 得到 切确 的数学 原型。 只能针对小范围变化，静态条件下解耦，其解耦效果并不好，但是采用变频器后系统的数学模型很容易得到。 （ 3）、 、 、 的测量 的测量。 把变频器调节输出 50Hz，关闭阀门 JV201，关闭各出水口阀门，测量压力值 ， =80%。 系统压力测量值。 是电动调节阀的出口压力，理论上应该为 0，但是对象在调节阀还有向上的管路，因此必须测量 的值。 测量时，打开调节阀到某一开度，变频器输出为某一值，管路有水流到下水箱，同时关闭变频器和阀门 JV104，使垂直管道里的水不回流，此时测量出来的值便是。 （ 4）、方案 被调量是变频器和调节阀开度，管道压力和流量作为控制目标。 若采用两个互不想干的调解器进行控制，很难让系统维持平衡状态，但是可以与解耦后的效果进行比较。 其中， 是与变频器输出度和介质密度有关的参数， 是与调节阀输出和介质密度有关的参数， h 代表流量的被控量。 针对调节阀来说，流量和压力有这样的关系： h= ( )= ( ) （ 31） 有 h=( / + )( ) (32) 基于 PLC 的管道流量、压力解耦控制系统设计 14 在两个回路都处在开环状态下，被调量 h 对 的增益为： | = (33) 在两个回路都处在闭环的状态下， h 对 的偏导数，就是第二放大系数为： | = = （ ） （ 34） 根据相对增益的定义有： = (35) 从公式 和 ，带入以上几个式子，增依旧能够用压力来表示，即： = (36) 相同的方法可以解出 对于压差 h通道的相对增益为： = （ 37） 如果改用 来描述压力流量系统，则： = = + = （ 38） 就可以判断出另一增益，对上面公式进行偏导数的求解，就可以分别推出和 对 的两个通道的相对增益。 最后流量 压力系统的相对增益矩阵就为： A= （ 39） 相对增益矩阵为： = （ 310） 将 稳定在一个较小的范围内，因为这个设计实验只与流量和压力有关，与其它参数无关，因此这个过程只是与压力和开度有关系，是时不变。 有 =80%水柱， =5%水柱。 假设 是未知数，就能够列出一个方程。 解耦算法就可以采用对角矩阵法。 =。