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浅谈PLC在自动加水控制系统中的应用
作者：王安邦
来源：《科技传播》2010年第20期
摘要：本文主要讲述PLC在自动加水系统中的应用，利用可编程控制器(PLC)，设计成本低、效率高的自动加水装置。以PLC为主控制器，结合传感技术、气动装置等技术，使用PID控制技术实现物料的自动加水。系统具有自动化程度高，运行平稳，精度高等特点。 关键词：PLC；PID控制技术；自动加水
中图分类号TM571 文献标识码A 文章编号1674-67 08(2010)29-0103-02
PLC控制是目前工业上最常用的自动化控制方法，能适应恶劣的工作环境。PLC将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，专门为工业控制而设计，具有功能强、环境适应性强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点，因此在工业上的应用越来越广泛。
在梗丝线加料滚筒出口物料的水分控制上面，通过喂料机和电子秤来控制物料流量，当物料进入滚筒后，手动控制阀门的开启对滚筒内的物料进行加水，控制物料的出口水分。这种手动方式下水流量不易控制，出口水分也不稳定，而且由于操作人员操作习惯不同，也会对出口水分稳定性产生一定影响。针对这一问题，我们对加水系统进行了一定的改进，实现加水系统的自动控制。
在整套自动加水系统的控制策略上可以分成两大部分：
首先，根据来料入口水分、设定出口水分和来料流量进行加水量的算法。然后由实际出口水分和设定出口水分的偏差，对加水量进行修正，算出最终加水量。
其次，在管路中增加气动薄膜阀和流量计，接入控制系统中。通过程序控制气动薄膜阀的开度，使实际加水量和计算的加水量一致。
控制方法选用工控领域中成熟的PID调节，很好地保证了整套系统的控制精度。整套系统使用串级PID控制，分为内环PID控制和外环PID控制，内环控制水流量的稳定性，外环根据水分偏差算出加水量的修正值。本文针对硬件系统的组态以及程序算法进行叙述。
1、系统的设计方案
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在加水管路上增加流量计和气动薄膜阀，并在现场I/O分控箱中增加模拟量输入输出模块，把流量计和气动薄膜阀同I/O分控箱内相应的模块进行连接。在PLC编程软件中首先对硬件系统进行组态，使总线系统通讯正常。其次，在PLC中进行软件编程，实现加水量的算法、加水量的修正值和水流量稳定性的控制。系统流程图如图1。 2、系统简介
2.1 在加水管路中增加相应的检测和控制原件
在加水管路中增加流量计和气动薄膜阀，流量计实现对水流量的采集，通过气动薄膜法实现对水流量的自动控制。并在设备上增加电磁阀，控制压缩空气的启停来为气动薄膜阀提供动力源
2.2 在I/O分控箱中添加控制模块并进行硬件组态
由于流量计和气动薄膜阀分别使用模拟量输入模块和模拟量输出模块进行控制，我们在I/O分控箱中增加了相应的模块，对其进行硬件组态并分配地址，实现总线系统通讯状态正常。
2.3 控制程序的调整 2.3.1 加水量的理论值
在程序中编程实现加水量理论值的算法，根据实际入口水分、电子秤流量以及设定出口水分计算出加水量的理论值。再根据生产的实际情况对公式进行调整，使理论加水值尽可能适应满足出口水分稳定性的要求。 2.3.2 加水量的修正值
由于理论加水量是按照公式计算出的数值，在实际加水过程中，实际出口水分会出现一定偏差，在程序中需要增加一个针对这一偏差的加水量修正值。修正值由程序中PID块计算得出。这也是串级控制中的外环。在PID块中，设定参数为设定出口水分，实际参数为实际出口水分，根据实际情况设置PID块的调节上下限(限制修正值的调节幅度)，当滚筒出口物料水分大于一定数值后，PID块开始工作，最终PID块计算得出的输出数值即为修正值。此修正值即是针对实际出口水分的波动，对理论加水量进行调整的幅度。把修正值同加水量的理论值进行相加，得出的数值即为最终加水流量设定值。
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2.3.3 加水流量的控制
上面计算出的最终加水流量的设定值，需要通过气动薄膜阀开启度的自动调整来控制其流量的稳定性。气动薄膜阀开启度控制通过PID块来实现，这也是串级控制中的内环，在PID块中，设定参数为加水流量的最终设定值，实际参数为通过流量计采集的流量数据，根据实际情况设置PID块的调节上下限(限制薄膜阀的开启度范围)，当滚筒入口电子秤流量大于一定数值并经过一定时间延时，PID块开始工作，通过PID块最终运算出气动薄膜阀的开度调节值，实现加水流量的自动控制。
2.3.4 针对物料头尾阶段的处理
在电子秤物料刚进入滚筒时，由于滚筒出口无物料。此时外环PID块不工作，通过公式计算出的理论加水量直接参与水流量控制，当滚筒出口水分大于一定数值后，出口水分修正值参与计算。当电子秤上无物料时，经过一定时间延时，加水系统自动停止运行。 2.3.5 针对PID块中参数的调整
PID块中关于修正值计算以及气动薄膜阀开度的控制过程中。如果PID块调节速度不合适，会引起控制过程的波动。针对整个自动加水控制过程来说，当实际出口水分同设定水分出现较小偏差时：如果系统调节过快会使加水量修正值变化过快。会导致出口水分出现震荡，整个控制过程波动较大；如果系统调节过慢，会使加水量修正值变化缓慢，会导致实际出口水分很长时间内达不到设定值，过程控制的稳定性也达不到要求。所以，我们需要在物料运行过程中，针对PID块中的P参数、I参数和D参数进行仔细的摸索验证和调整，满足过程控制稳定性的要求。最理想的参数是在3个振荡周期内实际出口水分可以达到设定值。
3、系统改进前后的效果验证
通过对梗加料滚筒相关硬件的安装调试及控制程序的重新优化设计，并根据实际生产情况对PID控制块中的P参数、I参数和D参数进行了适当的调整，物料出口水分稳定性明显增加，出口水分的标准偏差以及标偏符合率大幅提高。
4、结 论