1引言

冷媒水是工廠公用工程的基本系統(tǒng)?；趐lc和變頻器的冷媒水壓力控制系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、高效節(jié)能、安全衛(wèi)生、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；采用frofibus總線(xiàn)技術(shù)，擴(kuò)展性高；上位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有過(guò)程畫(huà)面動(dòng)態(tài)顯示、流程管理及打印等先進(jìn)功能。

2系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體

(1)目標(biāo)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在生產(chǎn)崗位冷媒用水需求變化的情況下，使用plc自動(dòng)控制技術(shù)保持管網(wǎng)供水壓力穩(wěn)定，以達(dá)到節(jié)能減排，減低成本的目標(biāo)。

(2)方案設(shè)計(jì)

每臺(tái)冷凍機(jī)配有2臺(tái)泵，正常運(yùn)行時(shí)其中任一臺(tái)運(yùn)行于調(diào)速狀態(tài)，而另一臺(tái)泵備用，也可隨時(shí)投入狀態(tài)運(yùn)行。兩臺(tái)泵的運(yùn)行狀態(tài)的切換采用手動(dòng)方式，并要求兩臺(tái)泵互鎖，不能同時(shí)投入運(yùn)行。為使各泵平均工作時(shí)間相同，需要設(shè)置定時(shí)換泵功能。設(shè)定定時(shí)換泵功能后，當(dāng)一臺(tái)泵連續(xù)工作時(shí)間超過(guò)設(shè)定值后，且備有泵處于“休息”狀態(tài)，則系統(tǒng)提示換泵，以保證各臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)間均等，延長(zhǎng)水泵使用壽命。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻繼續(xù)運(yùn)行，以確保供水不間斷。

(3)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)具備報(bào)警功能、實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。報(bào)警顯示包括越限報(bào)警和故障報(bào)警。當(dāng)預(yù)置監(jiān)視的模擬量超過(guò)所規(guī)定的界限值或開(kāi)關(guān)量狀態(tài)跳至報(bào)警位，即產(chǎn)生越限報(bào)警。當(dāng)預(yù)置監(jiān)視的設(shè)備或工藝過(guò)程發(fā)生故障，控制系統(tǒng)發(fā)生故障即產(chǎn)生故障報(bào)警。一旦發(fā)生報(bào)警事件，報(bào)警信號(hào)上傳上位機(jī)，同時(shí)接入蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警記錄顯示不同的顏色。上位工控機(jī)對(duì)各水泵的開(kāi)啟、關(guān)閉或故障等實(shí)時(shí)狀態(tài)，以及溫度、出口壓力、調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和水泵轉(zhuǎn)速等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并可進(jìn)行快速報(bào)表查詢(xún)及打印。

2.2系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括上位機(jī)、就地觸摸屏和下位機(jī)三部分。上位機(jī)顯示工藝流程顯示圖、參數(shù)成組顯示圖、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示冷媒水的溫度、壓力和水泵轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。同時(shí)具有高速歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢(xún)、報(bào)警等功能。就地觸摸屏上也可以動(dòng)態(tài)的顯示冷媒水的溫度、壓力和水泵轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。下位機(jī)plc實(shí)現(xiàn)冷媒水自動(dòng)控制過(guò)程。

下位機(jī)系統(tǒng)采用西門(mén)子s-7200plc、abb變頻器、壓力傳感器、溫度傳感器、模擬調(diào)節(jié)閥門(mén)及其他控制設(shè)備組成。plc控制部分，因系統(tǒng)有6個(gè)模擬量輸入，4個(gè)模擬量輸出，需使用擴(kuò)展單元，所以選用主機(jī)為cpu224plc一臺(tái)，加上兩臺(tái)模擬量輸出模塊em232，再擴(kuò)展一個(gè)模擬量i/o模塊em235。采用em277frofibus-dp模塊與上位機(jī)進(jìn)行通訊[1]。該模塊用于接受上位機(jī)指令并上傳報(bào)警信號(hào)。

2.3控制原理

系統(tǒng)采用兩路pid閉環(huán)控制，根據(jù)壓力表測(cè)得的數(shù)據(jù)分別調(diào)整比例閥和水泵轉(zhuǎn)速，保證崗位上冷媒水壓力穩(wěn)定，并使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最節(jié)能。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)原理圖

在冷凍機(jī)開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)控制冷媒水循環(huán)泵按照恒流量，此時(shí)水泵轉(zhuǎn)速置為最大，壓力傳感器檢測(cè)管網(wǎng)壓力，輸出4-20ma的電流信號(hào)到plc。該壓力反饋信號(hào)與壓力給定信號(hào)經(jīng)模糊pid控制程序計(jì)算，輸出控制信號(hào)給模擬調(diào)節(jié)閥。當(dāng)壓力不足時(shí)，減小模擬調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，減少冷媒水回流，從而提高出水壓力；反之則增大模擬調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，增加冷媒水回流，降低出口壓力。當(dāng)冷凍機(jī)停止運(yùn)行即冷媒水溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)控制冷媒水泵切換到變流量恒壓。此時(shí)模擬調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，壓力反饋信號(hào)與壓力給定信號(hào)經(jīng)plc內(nèi)部另一路模糊pid控制程序計(jì)算，輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)給變頻器。當(dāng)壓力不足時(shí)，變頻器增大輸出頻率，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量增加，迫使出口壓力上升。反之水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量減小，出口壓力下降，從而保證冷媒水壓力穩(wěn)定。該系統(tǒng)保持出口壓力穩(wěn)定在0.4mpa，從而保證冷凍機(jī)的工作效率。壓力調(diào)節(jié)精度為設(shè)定值的±5%，即±0.02mpa，并能在0.5-2秒內(nèi)變化的壓力恢復(fù)正常。

3冷媒水溫度模糊pid控制器

3.1模糊pid控制特點(diǎn)

經(jīng)典pid閉環(huán)算法難于實(shí)現(xiàn)冷媒水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制收斂。模糊pid控制利用當(dāng)前的控制偏差，結(jié)合被控過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的變化，并針對(duì)具體過(guò)程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)一定的控制要求或目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)模糊規(guī)則推理確定控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。

模糊控制對(duì)數(shù)學(xué)模型的依賴(lài)性弱，不需要建立過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型。模糊控制對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程有較好的控制作用，但對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差無(wú)法消除。因此針對(duì)模糊控制和pid控制的各自特點(diǎn)，應(yīng)用pid控制結(jié)合模糊控制的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的階梯分段控制將會(huì)取得良好的控制效果。

3.2模糊pid控制過(guò)程

本系統(tǒng)由于用戶(hù)用水需求不確定，管網(wǎng)水壓波動(dòng)較大，數(shù)學(xué)模型很難確定，而模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，因此壓力控制算法采用模糊pid控制方式[2]-[4]進(jìn)行設(shè)計(jì)。

模糊pid控制以誤差e和誤差變化ec作為輸入，經(jīng)模糊化后用模糊語(yǔ)言描述，利用模糊控制規(guī)則來(lái)判斷控制量的真實(shí)值,輸出變量為u，為4～20ma的控制電流。模糊控制器的工作過(guò)程可以描述為：首先將模糊控制器的輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量，以供模糊控制邏輯決策系統(tǒng)用,模糊決策器根據(jù)控制規(guī)則決定模糊關(guān)系r，應(yīng)用模糊邏輯推理算法得出控制器的模糊輸出量,最后經(jīng)精確計(jì)算得出控制量控制被控對(duì)象。模糊pid控制圖如圖2所示。

圖2模糊pid控制框圖

對(duì)壓差e、壓差變化率ec和控制量u的模糊語(yǔ)言變量分別為e、ec和u，其模糊語(yǔ)言變量的模糊語(yǔ)言值均為：{nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb}，表示{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}。一般模糊論域中所含元素個(gè)數(shù)為模糊語(yǔ)言詞集的2倍，所以模糊論域?yàn)閧-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6}。根據(jù)比例因子ke和kec將e和ec模糊化。

其中n=6，管網(wǎng)壓力變化范圍為0.3～0.5mpa,而設(shè)定值為0.4mpa，得出誤差的基本論域e∈[-0.1、0.1]；由經(jīng)驗(yàn)得知，在正常情況下壓力變化不會(huì)超過(guò)0.05mpa/s，故誤差變化量的基本論域ec∈[-0.05、0.05]；因此可得誤差e和誤差的增量ec的比例因子分別為60和120?？紤]對(duì)論域的覆蓋程度、靈敏度和魯棒性原則，本系統(tǒng)隸屬函數(shù)選擇為三角形隸屬函數(shù)。

模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心，它能夠模擬人的基于模糊概念的推理能力，也就是利用語(yǔ)言歸納手動(dòng)控制策略的過(guò)程。模糊控制的確定，實(shí)質(zhì)上是將控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)而得出一條條模糊條件語(yǔ)句。用復(fù)合條件語(yǔ)句表示為：if

e=nlandec=nl

thenu=nl，從而使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性都達(dá)到最佳。本系統(tǒng)中，由于e和ec各有7個(gè)語(yǔ)言輸入值,故共有7×7=49條if-then語(yǔ)句，可歸納為模糊控制規(guī)則表，具體如附表所示。

4結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基于plc和變頻器的且具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的冷媒水自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有響應(yīng)快速、準(zhǔn)確，操作方便，維護(hù)便利，高效節(jié)能等特點(diǎn)。將模糊pid控制器應(yīng)用于該恒壓控制系統(tǒng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)pid控制的不足，改善了系統(tǒng)的非線(xiàn)性、大滯后性等特征，提高了系統(tǒng)的魯棒性。