全自动无守候动态模拟试验装置控制系统的设计与应用

陈小亮，罗益民，梁宇峰

(南京工业大学 自动化与电气工程学院，南京 210009)

0 引言

随着我国工业技术的不断发展，淡水消耗量急速增加，水资源的浪费与污染越来越严重。因此，提高工业冷却水的循环利用率，节约资源，减少污水的排放已成为我国面临的一个严重问题。动态模拟试验装置的出现，为药剂的研发、配方提供了方便，对水质的处理有着重要的作用。冷却水动态模拟试验装置是用于评价工业循环水水质的专业装置，模拟生产现场的流速、流态水质、金属材质和循环水经过换热器的进口温度，出口温度等主要参数，对于水质的质量进行综合的评价（水质的配方、阻垢的效果），来寻求相应的操作工艺条件。实现在冷却水动态模拟试验过程中对水中一些参数的精确监控，对于现场采集的数据实现自动判断与分析，操作的界面方便，便于观察。在目前工业水处理行业中有着广泛的应用[1,2]。

1 动态模拟试验装置的控制系统

1.1 装置工艺介绍

图1 冷却水动态模拟实验装置流程图

动态模拟试验装置的主要流程如图1所示，左下方的水箱里的水经水泵，进入到试验管，在加热炉中实现热量传递，使加热水部分热量传递给试验管中水，使试管中水的温度保持恒定，试管中升温后的水流进冷却塔顶部，经过冷却塔中的填充材料实现水的冷却，从冷却塔中流到水箱，再由水泵实现循环。流量计可调节并观察水的流速，此装置为双水路循环系统，各自独立。两边的水路可以同时进行试验，也可以单独进行试验。本系统中PH，电导率通过探头检测，经过信号线传输4mA～20mA的模拟信号给PLC，在PLC中实现A/D转换，使PH，电导率实际值显示在触摸屏和上位机WinCC上，便于监测和调节。

1.2 工作原理

图2从整体上介绍了控制系统的工作原理。当电导率值大于所设的回差上限值时，排污阀自动打开，开始排污。此时，补水阀也会自动开启，进行补水，直到电导率的值小于回差下限值，排污阀停止工作，补水加到一定的量，补水阀也会关闭。这样的不断循环，使其电导率值保持在一定的范围之内。在系统工作的过程中，当进口温度值大于所设的回差上限值时，冷却风机会自动运行，运行过程中变频器可以调节风机的转速；直到进口温度值小于回差下限值时，冷却风机才会停止运行。然而，蒸汽温度值小于所设回差下限值时，加热棒开始加热；当蒸汽温度值大于所设回差上限值时，加热棒停止加热。保持水的温度恒定。系统中测量冷凝温度起保护作用，防止设备中没有冷凝水的流入，导致设备出现故障。PH值控制加酸泵的开启与关闭，控制要求也是根据回差控制，来实现此功能。

图2 控制系统的结构图

1.3 自动补水加药控制

由于以前都是采用人工进行补水加药，来不停的观察水质的改善情况，这样不仅耗时又耗力，本文设计进行全自动补水加药，在系统工艺流程中的水箱上安装一个液位计，在装置旁边装一个容积大的水箱，把药剂和水混合加入到这个水箱里，并在两个水箱之间装一台泵，然后连接好。检测到装置中水箱液位的信号，通过PLC来控制水泵的开启与关闭。当液位低于所设下限值时，自动开启水泵进行补水，直到液位高于所设的上限值时，自动关闭水泵，停止补水。实现补水与加药的自动化控制。

2 控制系统的硬件配置和软件设计

2.1 硬件配置

本系统采用德国西门子S7-200 PLC，包括中央处理器CPU 224 XP，模拟量输入模块采用EM231，EM231RTD模块，模拟量输出使用CPU 224 XP自带的一路模拟量输出，该主机具有14个输入点，10个输出点。现场的仪器采用美国米特罗公司生产的流量计，PH计，电导率检测仪表，输出端器件有补水控制电磁阀，排污控制电磁阀，水泵，加热控制器件等。

2.2 软件设计

下位机编程采用西门子公司的STEP7-MicroWIN，它的编程简洁，功能块相互独立，结构清晰，方便实用，学习起来也比较容易。本系统中通过使用梯形图和结构化编程方法设计各个功能，实现泵自动控制，电导率，PH值的回差控制，对加热温度的PID调节，冷却风机的自动与手动的开启与关闭。对电导率，PH值，进口温度，出口温度，冷凝温度设置上下限值，实现报警功能。在编程过程中，把一些功能生成块，以便调用，遇到问题与故障时，也便于检查与排除。

上位机监控采用SMATIC WinCC组态软件，该软件功能强大，具有非常好的实用性，可以实现对现场整个系统进行实时监控。触摸屏软件使用Flexible 2008，此软件使用方便，非常适合现代工业越来越庞大的工作量及功能的需要，可以完成指示，开关，数据输入，数据显示，动态图表，静态显示，报警等功能，是一个非常好的人机界面设计软件。上位机界面流程图如图3所示。

图3 上位机界面流程图

3 模糊PID控制器的设计

在本系统中对进口温度的控制是一个非常重要的环节。进口温度的偏高或者偏低，都会影响模拟试验的结果，导致试验数据测量的误差较高，而温度受外界的干扰影响比较大，并且控制对象往往具有非线性，大滞后，大惯性和时变性的特点[8]。用传统的控制理论和方法很难达到较好控制效果，因此本文采用模糊PID控制器对其进口温度实现调控。

采用二维模糊控制,进口温度给定值与实际测量值偏差为e，偏差变化率为ec,E和EC分别为e和ec模糊化后的模糊量。控制器结构图如图4所示。

图4 控制器结构图

当系统正常运行情况下，输入输出量都有一个基本的变化范围，e=实际输出（r0）-输入(ri)，设定偏差e的变化范围是[-0.3，+0.3]；偏差变化率ec的变化范围是[-0.02，+0.02]；控制输出量u的变化范围是[0，50]，模糊变量E、EC、U的模糊论域都取为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，则根据工艺的要求，偏差e的量化因子Ke=3/0.3=10，偏差变化率ec的量化因子Kec=3/0.02=150，输出u的比例因子Ku=0.5。在论域E、EC、和U上定义7个模糊子集分别对应7个语言变量，语言变量分别为负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，根据控制经验得到语言变量的赋值表。

经过试验，e、ec和u均取三角形隶属函数，选用“若a且b则c”的形式(其中a、b、c均为输出、输入语言变量中的元素)，并根据现场所要设定温度的控制经验和控制要求得出控制规则表[6]。运用得到的语言变量赋值表和控制规则表，由模糊推理法求出对应的模糊关系矩阵R，并做相应的调整，进行模糊判决，最后得出模糊控制查询表，如表1所示。

表1 模糊查询表

把模糊PID算法在S7-200 PLC中实现，首先，将量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的初始值依次存入数据块DB1中；根据采样时间计算e和ec并存入DB1中；将模糊化后得到的E和EC也存入DB1中。其次，把模糊查询表中的各个元素按从上到下依次放入数据存储区中，同时通过将模糊论域[-3、-2、-1、0、1、2、3]转化为[0、1、2、3、4、5、6、7]，可以为查询过程提供极大的便利。最后根据算式并采用间接寻址方式查表，即得到模糊控制量U，在与比例因子Ku相乘去模糊化，得到实际输出量u。最终通过将u送给PID控制器来对变频器进行调控，从而实现模糊PID对冷却风机的变频调控。模糊PID在PLC中的流程如图4所示。

4 远距离通信设计

无线远程通信由GPRS技术实现，GPRS技术是在GSM通信技术的基础上发展起来的，它基于移动分组数据业务，无需布线，具有永远在线、自由切换、传输速率教高、计费灵活等优点。系统采用MD-309GDTU与PLC200通过485串口连接，在PLC-200中写人支持Modbus slave程序，实现GPRS无线通信在MD-309G中设置数据中心的IP和端口后，MD-309G利用GPRS无线网络拨号连上Internet，随后发起对所配置的IP和端口的连接。另外，当数据送到MD-309G之后，便通过GPRS Internet传到中心计算机上，在中心的计算机上先由mserver接收到，之后通过mserver虚拟出来的串口发出送到opcserver上，之后传到作为opcclient端的Wincc上。

图5 模糊PID在PLC中的流程图

MD-309G和opcserver中参数设计：波特率9600bps；数据位8bit；奇偶效验N；停止位1；流控N。

图6 数据远程传输结构图

5 结束语

本系统通过利用西门子S7-200 PLC、Wincc和触摸屏对冷却水动态模拟试验装置进行控制系统的设计，模拟现场的实际条件，对水质进行监测与调节，并实现系统补水和加药的自动化控制，设计无线通信与远程监控，满足系统的全自动和无守候控制。另外，通过设计模糊PID控制器对冷却风机变频调节控制装置中的进口温度，提高了控制精度，解决温度控制受大惯性和外界干扰的影响，使其系统更加的稳定，试验结果更加准确。目前，此装置已经运用到企业当中，使用效果良好，达到了预期目标，节约能源。

[1]于忠得,李仁庆.循环水动态模拟装置的分布式计算机测控系统[J].大连轻工业学院学报.2007.

[2]蔡世军,赵新义,王莹莹.循环冷却水节水技术研究进展[J].工业水处理.2009.

[3]Chao Deng,Hui-na Li,Jie Han.Water Supply System of Constant Pressure Based on PLC Control [J].Recent Advances in Computer Science and Information Engineering,2012,192:339-344.

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[5]蔡小亮,罗益民,孙峰,朱斌.基于PLC和WINCC的智能双腔监测换热器[J].化工自动化及仪表,2012.

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[7]黄卫华,方康玲.模糊控制系统及应用[M].电子工业出版社.2012.

[8]初振宇,许忠仁,佟慧艳.基于S7-300PLC的工业循环水加药控制系统[J].计算机测量与控制.2005.

[9]宗素兰,章家岩,尹成贺.模糊PID控制在温度控制系统的应用[J].工业控制计算机.2010.

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