研究水流量計(jì)在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的運(yùn)用

摘要：在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，需要收集電量、壓力、流量、溫度等參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)分析。將相關(guān)設(shè)備、傳感器通過(guò)接口和 PLC連接，從而實(shí)現(xiàn)流量和壓力控制?；诖?，文章*先提出 PLC 的概念，進(jìn)而探究基于 PLC 的流量與壓力控制系統(tǒng)的應(yīng)用。
引言
隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)水平不斷提升，當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)隊(duì)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(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控，無(wú)法滿足自動(dòng)化生產(chǎn)要求。而應(yīng)用 PLC 自動(dòng)化控制技術(shù)，可以進(jìn)一步加強(qiáng)工業(yè)生產(chǎn)的流量控制，再加上當(dāng)今 PLC 技術(shù)不斷成熟，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，有助于實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化、高精度生產(chǎn)。因此，加強(qiáng)PLC 在流量、壓力控制系統(tǒng)中應(yīng)用研究有著重要意義。
1 PLC 控制系統(tǒng)與 PID 系統(tǒng)相關(guān)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(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一項(xiàng)新技術(shù)。作為微機(jī)技術(shù)的衍生品，PLC 不僅邏輯功能強(qiáng)，同時(shí)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(jī)啟停操作，但是實(shí)際控制精度較低。在傳統(tǒng)繼電器邏輯控制當(dāng)中，多數(shù)都是采用手動(dòng)完成，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，難以處理系統(tǒng)模擬量，再加上電氣結(jié)構(gòu)設(shè)置較為復(fù)雜、可靠性不足、缺乏穩(wěn)定性，不利于檢修和維護(hù)。
現(xiàn)代化 PLC 設(shè)備具有體積小、性?xún)r(jià)比高、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，可以安裝到很多標(biāo)準(zhǔn)尺寸空間內(nèi)。應(yīng)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(kuò)展到 256 個(gè)點(diǎn)，可以連接 4 個(gè)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(gòu)、接口等部分。
1.2 PID 系統(tǒng)
在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，應(yīng)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(yùn) 算、調(diào)節(jié)功能，可以更好的對(duì)參數(shù)輸出信號(hào)整定，輸送到變頻器當(dāng)中，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。如今 PID 控制器在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，具有 PID 參數(shù)自整定功能，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，從而對(duì)壓力、流量、溫度、液位監(jiān)控。
新時(shí)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(shì)，也推出了多個(gè)新型的 PID 控制器，如自矯正 PID、專(zhuān)家自適應(yīng) PID、非線性 PID 等，讓 PID 控制超出了線性、非時(shí)性范圍。
2 基于 PLC 的流量與壓力控制系統(tǒng)運(yùn)用
PLC 流量與壓力控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，主要是應(yīng)用了 PID、比值控制，從而實(shí)現(xiàn)流量與壓力的自動(dòng)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(jì)算簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，適合構(gòu)建精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)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(shí)變性特點(diǎn)，因此難以構(gòu)建精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，應(yīng)用 PID 可以有效解決自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)流量與壓力控制問(wèn)題。
通過(guò)應(yīng)用水流量計(jì)來(lái)實(shí)時(shí)獲取供液流量信息，在整個(gè)信息采集過(guò)程中，可以同時(shí)對(duì)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(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)信息和額定流量數(shù)據(jù)（預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)）信息進(jìn)行對(duì)比，通過(guò) PID運(yùn)算即可得出目標(biāo)控制值，并將控制值進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換之后應(yīng)用到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥可以結(jié)合給定控制值做出相應(yīng)的動(dòng)作，自動(dòng)化調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)啟度。整個(gè)操作流程可以劃分為比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)，分別對(duì)應(yīng)“P”、“I”、“D”。
（1）比例環(huán)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行誤差可以通過(guò)比例形式直接反應(yīng)出來(lái)，如果系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生了偏差問(wèn)題，則會(huì)根據(jù)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制器立刻發(fā)送命令作出動(dòng)作，從而減少系統(tǒng)偏差。
（2）積分環(huán)節(jié)。針對(duì)系統(tǒng)的靜誤差主要是在積分環(huán)節(jié)消除或縮小，對(duì)系統(tǒng)誤差率進(jìn)行改善。積分環(huán)節(jié)運(yùn)行和積分時(shí)間常數(shù)有著直接關(guān)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(qiáng)。
（3）微分環(huán)節(jié)。誤差信號(hào)比變化度在微分環(huán)節(jié)中顯示，同時(shí)可以在誤差信號(hào)變大前，在系統(tǒng)中引出一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，縮短整個(gè)調(diào)節(jié)流程的周期。
在實(shí)際應(yīng)用中，要結(jié)合對(duì)象實(shí)際情況選定 PID 參數(shù)，也可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)確定。幅值振蕩系數(shù)通過(guò)比例系數(shù)控制，一旦比例系數(shù)增加也會(huì)提升振蕩系數(shù)，通過(guò)降低振蕩頻率計(jì)可以有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)間。響應(yīng)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(huì)降低響應(yīng)速度，反之則會(huì)增加相應(yīng)速度；微分系數(shù)可以消除靜態(tài)誤差，通常在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)將靜態(tài)誤差設(shè)置小一些，這樣可以減少對(duì)系統(tǒng)干擾。
 2.2 流量與壓力比值控制
在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)當(dāng)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(dòng)按照相關(guān)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(kāi)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(jiǎn)單的方法就是開(kāi)環(huán)控制，而單閉環(huán)控制可以有效對(duì)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)完善，但該方案也有不足之處，即只有一個(gè)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(gè)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(shè)置之后，借助閉環(huán)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，*大程度上消除擾動(dòng)誤差帶來(lái)的影響，這樣即可提高主流量的穩(wěn)定性，維持在標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(cè)、變送后流量信號(hào)與比值系數(shù)的乘積。整個(gè)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(cè)點(diǎn)等。
3 基于 PLC 的流量與壓力報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 硬件系統(tǒng)
報(bào)警系統(tǒng)作為整個(gè)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(yǔ)音電路、揚(yáng)聲器等。
選擇*新的 PLC，確?？梢詽M足項(xiàng)目要求，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際使用要求實(shí)現(xiàn)多個(gè)量擴(kuò)展。流量傳感器采用插入式渦街流量計(jì)，該流量計(jì)具有壓力損失小、量程范圍大，實(shí)際應(yīng)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(jì)，可靠性非常強(qiáng)，維護(hù)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(wú)需人工編寫(xiě)程序，可以帶動(dòng) 256 個(gè)負(fù)載。該儀器可以保證長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并且適應(yīng)性非常強(qiáng)。選擇高精度壓力傳感器，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的螺紋引壓測(cè)量方法。在高精度壓力傳感器應(yīng)用中，應(yīng)采用密封的齊平膜片，避免安裝應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品造成負(fù)面影響，并配置安全柵。采用智能（AI）語(yǔ)音芯片，具有操作靈活、音質(zhì)好、分段多等優(yōu)勢(shì)。PWM 級(jí)別 D 揚(yáng)聲器放大器，可以直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，具有 MIDI 電子音樂(lè)處理能力，放映操作更加靈活，輸出指示量多，可以采用多個(gè)封裝方法，擴(kuò)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(shí)際標(biāo)準(zhǔn)與硬件特性，編寫(xiě)自動(dòng)控制報(bào)警的系統(tǒng)編寫(xiě)。在物理量編寫(xiě)過(guò)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(duì)相同部分程序采取模塊化設(shè)計(jì)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(yùn)算程序段進(jìn)行編程。子程序編寫(xiě)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(guān)的量轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一運(yùn)算的模型，對(duì)子程序中的量進(jìn)行加、 減、乘、除數(shù)學(xué)運(yùn)算。并在主程序中調(diào)用子程序，并賦予子程序運(yùn)行的額定數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)兩次調(diào)用。
在程序運(yùn)行前要先進(jìn)行初始化設(shè)定，包括流量傳感器管腳定義、壓力傳感器管腳定義、語(yǔ)音系統(tǒng)初始化。在完成初始化操作后，可以設(shè)置流量、壓力參數(shù)，主要包括流量報(bào)警和壓力報(bào)警的上限、下限以及報(bào)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(yùn)行控制報(bào)警系統(tǒng)，*先對(duì)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(shí)別的數(shù)字量，根據(jù) PLC 數(shù)值與接口傳輸類(lèi)型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)算、對(duì)比等操作，從而在PLC 可以達(dá)到報(bào)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(hào)傳遞給語(yǔ)音模塊，即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音段尋址功能，生成控制信號(hào)，*后將語(yǔ)音系統(tǒng)中設(shè)定的語(yǔ)音報(bào)警在揚(yáng)聲器中播放出來(lái)。
4 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，為了能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，基于 PLC 編程的 PID、比值控制方法在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)應(yīng)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(dòng)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(bào)系統(tǒng)，如果流量、壓力運(yùn)行參數(shù)超標(biāo)無(wú)法控制，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出語(yǔ)音警報(bào)，從而快速解決系統(tǒng)問(wèn)題。這樣才能夠充分發(fā)揮 PLC 的應(yīng)用效果。

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