基于PLC和变频器的冷媒水压力控制
导语：基于plc和变频器的冷媒水压力控制系统具有自动化程度高、高效节能、安全卫生、维护方便等优点；采用frofibus总线技术，扩展性高；上位计算机控制系统具有过程画面动态显示、流程管理及打印等先进功能。
1引言
冷媒水是工厂公用工程的基本系统。基于plc和变频器的冷媒水压力控制系统具有自动化程度高、高效节能、安全卫生、维护方便等优点；采用frofibus总线技术，扩展性高；上位计算机控制系统具有过程画面动态显示、流程管理及打印等先进功能。
2系统原理设计
2.1系统总体
(1)目标设计
系统设计的目标是在生产岗位冷媒用水需求变化的情况下，使用plc自动控制技术保持管网供水压力稳定，以达到节能减排，减低成本的目标。
(2)方案设计
每台冷冻机配有2台泵，正常运行时其中任一台运行于调速状态，而另一台泵备用，也可随时投入状态运行。两台泵的运行状态的切换采用手动方式，并要求两台泵互锁，不能同时投入运行。为使各泵平均工作时间相同，需要设置定时换泵功能。设定定时换泵功能后，当一台泵连续工作时间超过设定值后，且备有泵处于“休息”状态，则系统提示换泵，以保证各台水泵运行时间均等，延长水泵使用寿命。当变频器发生故障时，能够自动转换至工频继续运行，以确保供水不间断。
(3)功能设计
系统具备报警功能、实时监控和数据存储等功能。报警显示包括越限报警和故障报警。当预置监视的模拟量超过所规定的界限值或开关量状态跳至报警位，即产生越限报警。当预置监视的设备或工艺过程发生故障，控制系统发生故障即产生故障报警。一旦发生报警事件，报警信号上传上位机，同时接入蜂鸣器进行报警，报警记录显示不同的颜色。上位工控机对各水泵的开启、关闭或故障等实时状态，以及温度、出口压力、调节阀开度和水泵转速等实时数据进行存储，并可进行快速报表查询及打印。
2.2系统组成
本系统设计包括上位机、就地触摸屏和下位机三部分。上位机显示工艺流程显示图、参数成组显示图、设备运行状态显示、动态显示冷媒水的温度、压力和水泵转速等数据。同时具有高速历史数据的存储和查询、报警等功能。就地触摸屏上也可以动态的显示冷媒水的温度、压力和水泵转速等数据。下位机plc实现冷媒水自动控制过程。
下位机系统采用西门子s-7200plc、abb变频器、压力传感器、温度传感器、模拟调节阀门及其他控制设备组成。plc控制部分，因系统有6个模拟量输入，4个模拟量输出，需使用扩展单元，所以选用主机为cpu224plc一台，加上两台模拟量输出模块em232，再扩展一个模拟量i/o模块em235。采用em277frofibus-dp模块与上位机进行通讯[1]。该模块用于接受上位机指令并上传报警信号。
2.3控制原理
系统采用两路pid闭环控制，根据压力表测得的数据分别调整比例阀和水泵转速，保证岗位上冷媒水压力稳定，并使整个系统达到最节能。系统原理框图如图1所示。
图1系统原理图
在冷冻机开启运行时，控制系统控制冷媒水循环泵按照恒流量，此时水泵转速置为最大，压力传感器检测管网压力，输出4-20ma的电流信号到plc。该压力反馈信号与压力给定信号经模糊pid控制程序计算，输出控制信号给模拟调节阀。当压力不足时，减小模拟调节阀的开度，减少冷媒水回流，从而提高出水压力；反之则增大模拟调节阀开度，增加冷媒水回流，降低出口压力。当冷冻机停止运行即冷媒水温度达到设定温度时，控制系统自动控制冷媒水泵切换到变流量恒压。此时模拟调节阀关闭，压力反馈信号与压力给定信号经plc内部另一路模糊pid控制程序计算，输出一个转速控制信号给变频器。当压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使出口压力上升。反之水泵转速减慢，供水量减小，出口压力下降，从而保证冷媒水压力稳定。该系统保持出口压力稳定在0.4mpa，从而保证冷冻机的工作效率。压力调节精度为设定值的±5%，即±0.02mpa，并能在0.5-2秒内变化的压力恢复正常。
3冷媒水温度模糊pid
3.1模糊pid控制特点
经典pid闭环算法难于实现冷媒水压力调节系统控制收敛。模糊pid控制利用当前的控制偏差，结合被控过程动态特性的变化，并针对具体过程的实际经验，根据一定的控制要求或目标函数，通过模糊规则推理确定控制参数，实现对系统的控制。
模糊控制对数学模型的依赖性弱，不需要建立过程的精确数学模型。模糊控制对系统动态过程有较好的控制作用，但对系统的静态误差无法消除。因此针对模糊控制和pid控制的各自特点，应用pid控制结合模糊控制的方法实现对系统的阶梯分段控制将会取得良好的控制效果。
3.2模糊pid控制过程
本系统由于用户用水需求不确定，管网水压波动较大，数学模型很难确定，而模糊控制不需要精确的数学模型，因此压力控制算法采用模糊pid控制方式[2]-[4]进行设计。
模糊pid控制以误差e和误差变化ec作为输入，经模糊化后用模糊语言描述，利用模糊控制规则来判断控制量的真实值,输出变量为u，为4～20ma的控制电流。模糊的工作过程可以描述为：首先将模糊的输入量转化为模糊量，以供模糊控制逻辑决策系统用,模糊决策器根据控制规则决定模糊关系r，应用模糊逻辑推理算法得出的模糊输出量,最后经精确计算得出控制量控制被控对象。模糊pid控制图如图2所示。
图2模糊pid控制框图
对压差e、压差变化率ec和控制量u的模糊语言变量分别为e、ec和u，其模糊语言变量的模糊语言值均为：{nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb}，表示{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}。一般模糊论域中所含元素个数为模糊语言词集的2倍，所以模糊论域为{-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6}。根据比例因子ke和kec将e和ec模糊化。
其中n=6，管网压力变化范围为0.3～0.5mpa,而设定值为0.4mpa，得出误差的基本论域e∈[-0.1、0.1]；由经验得知，在正常情况下压力变化不会超过0.05mpa/s，故误差变化量的基本论域ec∈[-0.05、0.05]；因此可得误差e和误差的增量ec的比例因子分别为60和120。考虑对论域的覆盖程度、灵敏度和鲁棒性原则，本系统隶属函数选择为三角形隶属函数。
模糊控制规则是模糊控制的核心，它能够模拟人的基于模糊概念的推理能力，也就是利用语言归纳手动控制策略的过程。模糊控制的确定，实质上是将控制经验加以总结而得出一条条模糊条件语句。用复合条件语句表示为：if
e=nlandec=nl
thenu=nl，从而使系统输出响应的动态特性和静态特性都达到最佳。本系统中，由于e和ec各有7个语言输入值,故共有7×7=49条if-then语句，可归纳为模糊控制规则表，具体如附表所示。
4结束语
本文设计一种基于plc和变频器的且具有远程监控功能的冷媒水自动控制系统，具有响应快速、准确，操作方便，维护便利，高效节能等特点。将模糊pid应用于该恒压控制系统，弥补了传统pid控制的不足，改善了系统的非线性、大滞后性等特征，提高了系统的鲁棒性。
