電動閥智能控制的技術淺議

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摘要：隨著機電一體化的發展不斷升溫，以及微電子技術、計算機技術、通信網絡技術的迅速發展，電動閥門在工程領域中出現越來越多的問題。這些問題主要以對電動閥門的精準控制、故障檢測、工作模式等工作指標的優良性相關。所以相對于現在精準的工程任務的高控制要求，早期的電動閥已無法適應工業現代化的要求。基于TIA博途平臺，以西門子S7-1200PLC為主控制器，分別從工藝要求、系統構成、軟硬件設計、仿真調試進行分析和說明。介紹了PID算法在PLC控制系統中的具體實現方法，構建對電動閥智能控制系統，最終實現該電動閥的控制過程計算機化、通訊功能數字化、監測操作遠程化、故障維修透明化。

關鍵詞：S7-1200PLC；電動閥；PID

PLC以抗干擾、控制能力強的特點為核心快速發展，到現在已經具備高可靠性、使用方便簡單、功耗低、體積小等突出的優點，逐漸成長為當代工業控制的支柱[1]，在工廠和生活中被大量推廣和應用。PLC控制器在流量控制系統中也是很好的選擇，本文在電動調節閥控制流量的系統中選用的核心控制器就是PLC。為了解決以往繼電器控制電動調節閥的可靠性差、穩定性弱、數據處理能力差、工作環節多等問題，本文對基于西門子S7-1200系列PLC并結合PID算法對電動調節閥的智能控制技術進行研究開發。以PLC控制器結合模擬量擴展模塊作為數據轉換與控制的核心器件，通過系統各個器件之間數據與信號的傳輸實現了數據自動采集、閥門開度控制以及對系統啟動與停止的控制，提高流量控制的精度與穩定性，并且采用PID算法來實現對于電動調節閥控制流量恒定輸出的控制要求。本文的控制系統主要是控制檢測管道內水的流量，被控對象為水的流量，控制量為電動調節閥的開度，控制器選用S7-1200PLC，傳感變送器選用流量變送器，執行器選用電動調節閥。通過渦輪流量計采集管道出口的水流量，再進行PID運算輸出一個信號，然后將輸出的模擬量信號送給電動調節閥，來控制閥的開度，從而控制檢測水流量大小并使其穩定輸出。該控制系統能更好地滿足工業生產的需求，實現了實時操作，節約了成本，減少了工作量，提高了控制水平。

1控制方案確定

在設計過程中，選擇以S7-1200PLC作為整個控制系統核心用于控制整個生產過程。在實現對系統進行閉環控制和整定前，首先要對其模擬量進行采集。選擇流量變送器對流量信號進行采集，將物理信號轉化為電流或電壓信號，并結合相關模擬量輸入輸出擴展模塊或CPU模擬量輸入端口，將模擬量轉化為數字量，傳輸至PLC中進行相關整定和運算。系統中要實現的控制要求是：對電動調節閥支路管道內流量大小的控制有自動調節功能，并且能夠穩定輸出，實現系統啟動、停止的手動和自動的轉換，還要有必要的保護措施，例如防止水箱內水滿溢出。被控量為電動調節閥支路的流量，流量變送器作為信號采集器將采集的流量信號作為反饋信號，與給定量比較計算差值，將此差值經過控制器運算后，給出數字量控制信號，該信號由D/A模塊轉換為模擬量信號傳送至電動調節閥，再通過電動調節閥內部電機，控制電動調節閥的閥門開度增大或是減小，最終達到控制管道流量恒定輸出的目的。系統工藝流程結構圖如圖1所示：先在儲水箱中儲存一定水量，然后將閥門F1-1、F1-2全開，手閥F1-3主要作用是防止下水箱滿溢，起到保護作用。系統啟動運行后，磁力驅動泵開始工作，此時管道有水流通過，渦輪流量計將管道內水的流量信號轉換為電流/電壓信號，然后以此流量信號與設定的流量信號為基礎，進行PID運算，計算出電動調節閥所需要的數字量輸入信號，接下來由控制器PLC及其擴展模塊給出控制信號，通過電動調節閥內部電機來驅動其閥門開度，最終使管內實際流量與設定值相同且穩定輸出。

2控制系統軟硬件設計

在本控制系統設計中主要的硬件設備有電動調節閥、流量計、磁力驅動泵、S7-1200PLC及其擴展模塊。本系統采用智能直行程電動調節閥來調節其支路管道內水的流量。選擇的電動調節閥型號為QSTP-16K，其流量特性為從0～100%任意變化，且配備了PSL智能型直行程電動執行機構[2]，該機構的作用是可以自行檢測故障并報警，在信號中斷或停止時可使閥門保持全開或全關狀態，可以滿足控制系統需求。它的輸出方式為直線行程，閥芯結構為上導向柱塞型單閥芯，法蘭按JB79-94標準進行連接。流量計選用渦輪流量計，產品型號為LWA-11，其測量范圍為0～1.2m3/h，供電電壓為直流24V，輸出信號4~20mA，傳輸方式為兩線制。主控制器選用的是西門子公司的S7-1200系列的PLC，該型號是西門子的一款基本型模塊化的小型PLC，依靠Profinet接口可實現強大的網絡通信功能，同時其可擴展性極高，滿足本次設計要求。在S7-1200系列PLC中又具有多個細分類型的CPU，如CPU1215、CPU1212、CPU1214等，供電形式上也不同。經過綜合比較，采用CPU1212CDC/DC/DC型號的CPU作為主要控制中心。CPU1212C模擬量接線以及電動調節閥輸入/輸出接線圖如圖2所示：本機模擬量輸入第一通道地址IW64，第二通道地址IW66。信號板模擬量輸出第一通道地址QW80。使用博途軟件對系統進行編程調試[3]，其系統和時鐘寄存器設置界面、模擬量輸入輸出設置界面如圖3所示：系統根據要求對通過電動調節閥的流量進行調節，使其達到設定值且能夠穩定不變[4]。過程變量由渦輪流量計提供，渦輪流量計的量程為0～1.2m3/h，輸出值是電動調節閥開度，可在允許最大值的0～100%之間變化。由于流量計已知可測最大流量為1.2m3/h，所以在0.0到1.0之間每個單位（0.1）所表示的流量數值為0.12m3/h。在編寫程序給目標流量賦初值時，給定值乘以1.2即為實際流量。使用S7-1200系列PLC進行PID調節時，在循環中斷組織塊（OB塊）中調用PID_Compact指令用于進行PID算法調節。PID控制器使用以下公式來計算PID_Compact指令的輸出值：y=KP（b•w-x）+1s•TI（w-x）+TD•sa•TD•s+1（c•w-x[]）其中，y為輸出值，x為過程值，w為設定值，s為拉普拉斯算子，KP為比例增益，a為微分延時系數，TI為積分作用時間，b為比例作用加權，TD為微分作用時間，c為微分作用加權。在調節過程中先進行比例調節，如果選用的比例增益過小，則會導致調整過程過長、力度較小，無法達到要求的狀態；若增益太大，則會調節過度，產生振動現象。積分部分用于提高控制精度，需要做的是減小甚至消除比例控制帶來的穩態誤差。在設置完成后需要對其進行自整定，初步確定PID的參數為積分時間3s，微分時間為0s，采樣時間0.3s，增益2.5；然后在上機調試時可以對其進行反復修改，直到輸出的反饋值更好。第一步進行調節前的參數設置；第二步對系統進行預調節，從系統上看到過程量與設定量基本重合，則證明預調節完成；第三步對系統進行精確調節，通過輸出值的不斷變化使過程量和設定量之間的差值保持在較小范圍內。在精確調節完成后，在測試時對設定量定期調整，以確保精確調節后參數的準確性。精確調節后的系統曲線如圖4所示：程序現場調試與監控如圖5所示。整個現場調試與運行大致分為兩步：第一步，將編好的程序下載到PLC，監視其上機運行是否能夠通過，并分析數據判斷是否達到控制要求，在調試之前先將啟動按鈕I0.0、停止按鈕I0.1及磁力驅動泵輸出Q0.0接入電路；第二步，程序運行通過后，進行現場設備的連接和監控。通過現場運行監控發現，設備能夠滿足控制要求。

3結束語

通過啟動、停止按鈕控制磁力驅動泵的啟/停，實現了對電動調節閥的閥門開度以及其支路管道流量的控制；通過硬件和軟件的設計以及現場設備調試，實現了電動閥可靠的智能控制。

參考文獻

［1］成成，王洪強，李陽，等.基于S7-1200和WinCC的坩堝冷卻水循環監控系統［J］.真空，2021，58（5）：85-88

［2］王海榮.電動執行機構的智能控制研究［D］.廣州：華南理工大學，2011

［3］康凱，李明.一種智能電動閥控制系統的設計［J］.工業控制計算機，2019，32（4）：35-37

［4］譚罕.西門子S7-200的PID控制用于流量控制應用［J］.液壓氣動與密封，2015，35（1）：62-64

作者:井玉霏 單位:西安石油大學電子工程學院