研究水流量計在自動化生產(chǎn)過程中的運用

摘要：在自動化生產(chǎn)過程中，需要收集電量、壓力、流量、溫度等參數(shù)，并對這些參數(shù)分析。將相關設備、傳感器通過接口和 PLC連接，從而實現(xiàn)流量和壓力控制?；诖?，文章*先提出 PLC 的概念，進而探究基于 PLC 的流量與壓力控制系統(tǒng)的應用。
引言
隨著我國工業(yè)技術水平不斷提升，當今工業(yè)生產(chǎn)隊液體流量控制精度也隨之提升。傳統(tǒng)的流量控制由于誤差大、控制精度低、無法實時監(jiān)控，無法滿足自動化生產(chǎn)要求。而應用 PLC 自動化控制技術，可以進一步加強工業(yè)生產(chǎn)的流量控制，再加上當今 PLC 技術不斷成熟，其應用范圍也在不斷擴大，有助于實現(xiàn)工業(yè)自動化、高精度生產(chǎn)。因此，加強PLC 在流量、壓力控制系統(tǒng)中應用研究有著重要意義。
1 PLC 控制系統(tǒng)與 PID 系統(tǒng)相關闡述
1.1 PLC 系統(tǒng)
PLC 是一種可編程控制器，其核心是微處理器，可以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一項新技術。作為微機技術的衍生品，PLC 不僅邏輯功能強，同時還具有數(shù)據(jù)傳輸功能、數(shù)據(jù)處理功能。很多工業(yè)生產(chǎn)都是采用水泵控制電機啟停操作，但是實際控制精度較低。在傳統(tǒng)繼電器邏輯控制當中，多數(shù)都是采用手動完成，難以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，難以處理系統(tǒng)模擬量，再加上電氣結(jié)構設置較為復雜、可靠性不足、缺乏穩(wěn)定性，不利于檢修和維護。
現(xiàn)代化 PLC 設備具有體積小、性價比高、相關標準統(tǒng)一，可以安裝到很多標準尺寸空間內(nèi)。應用 I/O 連接器有助于降低接線成本，可以騰出更多的接線空間。再者，I/O 可以擴展到 256 個點，可以連接 4 個以上特殊功能模塊。基于PLC 控制流量與壓力的控制系統(tǒng)主要包括控制器、變頻器、傳感器、執(zhí)行結(jié)構、接口等部分。
1.2 PID 系統(tǒng)
在工業(yè)生產(chǎn)領域中，應用作為廣泛的調(diào)節(jié)器就是以比例、積分、微分的控制系統(tǒng)，也就是 PID 系統(tǒng)。利用 PID 運 算、調(diào)節(jié)功能，可以更好的對參數(shù)輸出信號整定，輸送到變頻器當中，從而控制電機轉(zhuǎn)速。如今 PID 控制器在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應用，具有 PID 參數(shù)自整定功能，實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，從而對壓力、流量、溫度、液位監(jiān)控。
新時期下，PID 控制器也得到了發(fā)展，結(jié)合控制理論、智能控制理論等優(yōu)勢，也推出了多個新型的 PID 控制器，如自矯正 PID、專家自適應 PID、非線性 PID 等，讓 PID 控制超出了線性、非時性范圍。
2 基于 PLC 的流量與壓力控制系統(tǒng)運用
PLC 流量與壓力控制系統(tǒng)在實際應用中，主要是應用了 PID、比值控制，從而實現(xiàn)流量與壓力的自動化控制，保證控制精度。其主要表現(xiàn)在：
2.1 PID 流量與壓力控制
PID 是指比例積分微分控制，具有可靠性高、計算簡單等優(yōu)勢，在工業(yè)生產(chǎn)控制領域的應用十分廣泛，適合構建精準的數(shù)學模型，提升控制系統(tǒng)的功能。工業(yè)生產(chǎn)中的流量具有非線性、時變性特點，因此難以構建精準的數(shù)學模型。在實際生產(chǎn)當中，應用 PID 可以有效解決自動化系統(tǒng)內(nèi)流量與壓力控制問題。
通過應用水流量計來實時獲取供液流量信息，在整個信息采集過程中，可以同時對數(shù)據(jù)放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換操作，之后 PLC 讀入處理后的數(shù)據(jù)，PLC 系統(tǒng)將實時流量數(shù)據(jù)信息和額定流量數(shù)據(jù)（預設數(shù)據(jù)）信息進行對比，通過 PID運算即可得出目標控制值，并將控制值進行 D/A 轉(zhuǎn)換之后應用到電動調(diào)節(jié)閥上。電動調(diào)節(jié)閥可以結(jié)合給定控制值做出相應的動作，自動化調(diào)節(jié)閥門開啟度。整個操作流程可以劃分為比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)，分別對應“P”、“I”、“D”。
（1）比例環(huán)節(jié)。整個系統(tǒng)運行誤差可以通過比例形式直接反應出來，如果系統(tǒng)運行中產(chǎn)生了偏差問題，則會根據(jù)采集的實時數(shù)據(jù)控制器立刻發(fā)送命令作出動作，從而減少系統(tǒng)偏差。
（2）積分環(huán)節(jié)。針對系統(tǒng)的靜誤差主要是在積分環(huán)節(jié)消除或縮小，對系統(tǒng)誤差率進行改善。積分環(huán)節(jié)運行和積分時間常數(shù)有著直接關聯(lián)，積分常數(shù)越大，則積分作用越弱；反之，積分常數(shù)越小，積分作用越強。
（3）微分環(huán)節(jié)。誤差信號比變化度在微分環(huán)節(jié)中顯示，同時可以在誤差信號變大前，在系統(tǒng)中引出一個有效的早期修正信號，從而提高整個系統(tǒng)的運行效率，縮短整個調(diào)節(jié)流程的周期。
在實際應用中，要結(jié)合對象實際情況選定 PID 參數(shù)，也可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗總結(jié)確定。幅值振蕩系數(shù)通過比例系數(shù)控制，一旦比例系數(shù)增加也會提升振蕩系數(shù)，通過降低振蕩頻率計可以有效提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定時間。響應速度快慢主要是決定于積分系數(shù)，如果積分系數(shù)增加則會降低響應速度，反之則會增加相應速度；微分系數(shù)可以消除靜態(tài)誤差，通常在實際應用中會將靜態(tài)誤差設置小一些，這樣可以減少對系統(tǒng)干擾。
 2.2 流量與壓力比值控制
在工業(yè)自動化生產(chǎn)當中，流量與壓力比值控制是指將兩種或兩種以上物料量自動按照相關比例控制系統(tǒng)，也就是比值控制系統(tǒng)。比值控制法可以劃分為開環(huán)比值控制、閉環(huán)比值控制，其中閉環(huán)比值控制還可以劃分為單閉環(huán)、雙閉環(huán)。*簡單的方法就是開環(huán)控制，而單閉環(huán)控制可以有效對開環(huán)系統(tǒng)完善，但該方案也有不足之處，即只有一個副流量、壓力閉環(huán)控制，缺少主流量閉環(huán)控制。
結(jié)合比值控制原理可知，在流量和壓力閉環(huán)控制中，*個閉環(huán)控制就是主流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，在完成了主流量設置之后，借助閉環(huán)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)作用，*大程度上消除擾動誤差帶來的影響，這樣即可提高主流量的穩(wěn)定性，維持在標準范圍內(nèi)，整體上主流量閉環(huán)控制是一種恒值（范圍）控制系統(tǒng)。*二個閉環(huán)控制系統(tǒng)是副流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，副流量輸入量是根據(jù)檢測、變送后流量信號與比值系數(shù)的乘積。整個副流量閉環(huán)控制系統(tǒng)主要包括副控制器、變送器、泵變頻器、檢測點等。
3 基于 PLC 的流量與壓力報警系統(tǒng)設計
3.1 硬件系統(tǒng)
報警系統(tǒng)作為整個控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括 PLC、流量傳感器、壓力傳感器、語音電路、揚聲器等。
選擇*新的 PLC，確?？梢詽M足項目要求，同時可以根據(jù)實際使用要求實現(xiàn)多個量擴展。流量傳感器采用插入式渦街流量計，該流量計具有壓力損失小、量程范圍大，實際應用中受溫度、密度、介質(zhì)粘度、壓力等參數(shù)影響小，甚至可以忽略不計，可靠性非常強，維護工作量小。模擬量傳輸距離為 1000m、脈沖輸出量為 500m，可以直接和 PLC 接口連接，無需人工編寫程序，可以帶動 256 個負載。該儀器可以保證長期穩(wěn)定運行，并且適應性非常強。選擇高精度壓力傳感器，同時滿足穩(wěn)定、精度、體積、可靠等要求，并且選擇端面密封形式。高精度壓力傳感器采用了恒流源、恒壓源供電，內(nèi)部采用了標準的螺紋引壓測量方法。在高精度壓力傳感器應用中，應采用密封的齊平膜片，避免安裝應力對產(chǎn)品造成負面影響，并配置安全柵。采用智能（AI）語音芯片，具有操作靈活、音質(zhì)好、分段多等優(yōu)勢。PWM 級別 D 揚聲器放大器，可以直接驅(qū)動揚聲器，具有 MIDI 電子音樂處理能力，放映操作更加靈活，輸出指示量多，可以采用多個封裝方法，擴展性能較好，工作電壓控制在 2.7-3.6V 之間，音頻輸出電流在 20-120mA 之間，適用范圍更廣。
3.2 軟件系統(tǒng)
結(jié)合生產(chǎn)實際標準與硬件特性，編寫自動控制報警的系統(tǒng)編寫。在物理量編寫過程中，很多量程序段存在相同部分。為了降低工作量、確保程序更加直觀，針對相同部分程序采取模塊化設計方法。根據(jù)物理量相似特性，可以采用子程序?qū)?shù)據(jù)量轉(zhuǎn)化、運算程序段進行編程。子程序編寫中，要定義符合條件的輸入量、輸出量、中間變量數(shù)據(jù)模型，將相關的量轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一運算的模型，對子程序中的量進行加、 減、乘、除數(shù)學運算。并在主程序中調(diào)用子程序，并賦予子程序運行的額定數(shù)值，可以實現(xiàn)連續(xù)兩次調(diào)用。
在程序運行前要先進行初始化設定，包括流量傳感器管腳定義、壓力傳感器管腳定義、語音系統(tǒng)初始化。在完成初始化操作后，可以設置流量、壓力參數(shù)，主要包括流量報警和壓力報警的上限、下限以及報警次數(shù)、音量等。在上述內(nèi)容調(diào)整完畢之后，即可正常運行控制報警系統(tǒng)，*先對流量傳感器、壓力傳感器通電，并采集流量和壓力數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為電壓值、電流值，并傳輸給模擬量輸入模塊，*終轉(zhuǎn)化為 PLC 可以識別的數(shù)字量，根據(jù) PLC 數(shù)值與接口傳輸類型，對數(shù)據(jù)進行預算、對比等操作，從而在PLC 可以達到報警限值數(shù)字量傳輸給模擬量輸出模塊，輸出模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電流、電壓信號傳遞給語音模塊，即可實現(xiàn)語音段尋址功能，生成控制信號，*后將語音系統(tǒng)中設定的語音報警在揚聲器中播放出來。
4 結(jié)束語
綜上所述，為了能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，基于 PLC 編程的 PID、比值控制方法在工業(yè)自動化生產(chǎn)應用中有著重要意義，不僅能夠有效提升流量控制精度、滿足自動化生產(chǎn)要求、保證工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量、降低資源成本、提高生產(chǎn)效率。此外，借助 PLC 的流量、壓力控制警報系統(tǒng)，如果流量、壓力運行參數(shù)超標無法控制，則系統(tǒng)會自動發(fā)出語音警報，從而快速解決系統(tǒng)問題。這樣才能夠充分發(fā)揮 PLC 的應用效果。

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