基于PLC的带风源淋雨设备研制

石昌飞



基于PLC的带风源淋雨设备研制

石昌飞

（广东省智能制造研究所）

为提高装备在风吹雨淋环境的适应能力和可靠性，研制一种基于PLC的带风源淋雨试验设备，叙述设备主要测控对象温度、风速、流量的具体测量和PID控制方法，并列举了设备的控制系统在研制设计过程中遇到的关键技术问题及其解决办法。

带风源淋雨设备；PLC；PID算法；测控对象

0引言

风吹雨淋属自然环境因素，是很多产品必然要经受考验的外界环境条件之一。因此在材料、装备研制和生产中要进行淋雨及滴雨试验，以提高装备环境适应能力和使用可靠性[1]。为解决目前带风源淋雨试验设备，在滴雨试验中雨滴直径和淋雨试验中流量的控制精度不高，以及系统控制器功能单一的问题，本文研制一种雨滴直径和流量控制精度高、功能较强的带风源淋雨试验设备。

考虑设备应具有稳定性和经济节能性，对淋雨试验设备需要的温度、风速和流量3个测控对象建立统一的测控对象进行PID控制，并使用变频器驱动执行机构风机和水泵达到节能经济的效果[2]。

1设备设计需求

本设备模拟GJB 150.8A-2009淋雨和滴雨试验环境，需要达到以下要求：

1) 箱体结构应有良好的密封性，防止水分泄漏；

2) 试验系统内部材料应具有耐腐蚀性；

3) 箱体骨架采用角钢焊接，且箱内有可转动的工作台；

4) 为使设备在喷水试验时，喷水量覆盖面较大，试验用喷嘴制成一个方格喷雾点阵或其他交错点阵；

5) 系统应配有试验用水循环系统，以循环利用水源；

6) 人机界面采用中文界面菜单，7寸以上彩色触摸屏，可显示控制淋雨试验流量、时间、温度、风速、转盘转速、工作状态和故障信息等；

7) 控制精度要求：时间1 s，风速1 m/s，工作台转速1 r/min，水流量0.1 L/min，温度0.1 度；

8) 其他功能：定值和程序运行、单项手动控制运行、定时关机；提供工作参数输出方式为微型打印机打印；

9) 安全保护系统：具备试验装置工作异常声光报警装置、水路安全保护装置和室体超温安全保护装置。

2设备结构

基于PLC的带风源淋雨试验设备由降雨吹雨装置、滴水装置、强化防水装置及循环通道、风机系统、加热装置、旋转工作台、供水箱、电控柜、推拉门和供水管路组成，设备主体结构如图1所示。

1) 试验箱体，其内壁是SUS304不锈钢板，厚度为1.0 mm，循环通道为立式布置，箱体顶部安装降雨吹雨通道，工作室箱门使用推拉门；

2) 淋雨装置安装在降雨吹雨通道的顶部，保证雨滴的最终速度约为9 m/s；

3) 滴雨装置安装在降雨吹雨通道的底部，滴水箱升降采用直流电动马达，通过丝杆带动滴水盘升降，滴水盘高度可以调节；

4) 风机系统的风源采用轴流风机，风机系统包括变频电机、联轴器、主轴、轴承座、风叶、风筒和导风叶片；

5) 旋转工作台采用直流电机驱动机构防水设计，不锈钢材质，防潮、防锈和防漏电；

6) 加热装置采用不锈钢电热管；

7) 供水管路配有水泵、水质过滤器、流量计、压力表、排水阀和温度传感器。采用立式多级防锈加压不锈钢水泵提供水压；水质过滤器可以观察水质状况，并方便更换；压力变送仪表直接检测显示水的压力；电子流量计追踪变频调节流量，保证风源淋雨试验、滴雨试验所需水流量要求；储水箱最低水位控制开关及回收水泵，保证蓄水池的自动回收使用。

3系统控制硬件组成

基于PLC的带风源淋雨试验设备电气测控系统由温度、风速和流量等传感器测量采集系统、PLC电气控制系统、固态继电器、接触器、变频器和电机等电气执行部件组成，电气系统组成框图如图2所示。

图2　电气系统组成框图

3.1 PLC的选型

本设备的PLC选用S7-1200，其支持标准对象化编程、编程简单可靠、PID控制方便迅速、并且响应快[3]。PLC端口及模块选型设计：

1) 采用14DI/10DO类型的CPU模块，支持4路脉冲输出，用于转台升降装置的步进电机控制，以及温度PID计算结果转化为PWM数字信号，从DO端口输出控制固态继电器；

2) 采用16DI/16RLY类型的数字输入输出扩展模块，用于报警信号、步进电机和试验门限位信号等数字量的输入，以及制冷机组接触器、电磁阀和气缸电磁阀等220 V电气器件的输出控制；

3) 采用4AD/2DA模块，分别采集温度、风速和流量等传感器的4 mA~20 mA模拟信号输入，获得对应的测量值。通过DA模块，可把风速PID的控制输出转换为1 V~5 V电压信号，供给变频器的模拟端口以控制风机转速。

3.2 传感器的选型

在设备供水管路控制系统中，安装在管网上的流量和压力变送器都是关键部件，其精度直接关系到控制的快速响应特性。流量和压力变送器分别选用涡轮式流量计FR60和PMB-SG1120。设备箱内要求试验样品的温度大于雨水温度10℃，温度传感器选择的是铂电阻PT100。在固定采集风场，位置的不同及风速计的精度都会影响风速的采集，本文选用TF-M1脉冲输出型风速计。

3.3变频器的选型

本文采用变频器驱动风机和水泵，达到节能效果。驱动风机和水泵分别使用变频器FR-F740-18.5 kW和FR-E740-3.7 kW。

4电控系统软件设计

基于PLC的带风源淋雨设备研制的关键是控制器的开发，各传感器的测量信号传送给控制器处理，控制器需要实时计算最新的控制输出量，驱动电气执行部件，达到预期设计需求。PLC软件编程平台采用TIA Portal V11，它包含S7-1200的编程软件和WinCC flexible的功能。TIA Portal V11软件使用图形化工程组态的最新技术，具有智能的拖拽功能和共享的数据处理等特点，操作非常方便。编程语言采用梯形图语言，将每一回路的编程模块化，通过程序编辑模块封装各控制段控制功能。

本文研制的设备针对温度、风速和流量建立了统一的测控对象模型，包括如下通用的对象属性：1) 设定值，测量值，控制输出值；2) 范围上下限；3) 报警上下限；4) 输出保护上下限；5) 运行时状态（上升、下降、到达保持、稳定等）；6) 分组/分区PID参数集合；7) 手动分区输出参数集合；8) PID分区Cache值集合。

利用定义的测控对象模型，可以直接静态实例化上述测控对象的数据块，而无需重复定义各测控对象的各个属性变量。由于PLC须保证固定的扫描周期，因此无法支持动态实例化对象。

PLC负责实时测控处理，而触摸屏则负责人机交互处理。PLC采用循环周期扫描方式，即在扫描周期内先读取模拟及数字端口的输入信号，进行控制计算处理，再将结果转换到模拟或数字输出端口[4]。触摸屏采用事件触发处理方式，当用户进行触摸操作，发出操作请求时进行相应的动作处理，并将处理结果数据或通知信息反馈给操作用户，其流程如图3所示。

图3　PLC控制系统处理流程图

PLC测控系统的核心是PID模块的设计。S7-1200的PID算法公式为

其中，为比例增益；为拉普拉斯运算符；为比例作用权重；为设定值；为过程值；T为积分作用时间；为微分延迟系数；T为微分作用时间；为微分作用权重。

当控制流量设定=10 L/min时，以上系数分别取值=2.5，=1，T=60.0，=0，T=0，=0。

简单采用PLC的PID算法难以满足实际控制要求，为此需做如下改进措施：

1) 采用分区或者分组PID控制，根据测控对象设定值区间范围的不同，选用不同的PID参数集；

2) 采用手动控制和PID控制相结合方式，设置手动分区输出功能，分区可采用设定值，测量值，误差值－等多种方式；当测量值与设定值误差较大时，采用手动分区输出；当测量值与设定值接近时启用PID控制；

3) PID稳定输出快存技术，当PID控制进入稳定状态时，控制器自动记录该目标范围所需的稳定输出值，当下次试验重新进入相同设定值范围时，可以直接取出快存，在快存的基础上进行动态调整，节省进入稳定状态的时间。

HMI端的程序实现人机操作的各项界面功能，如定值运行和停止、参数设置、实时趋势、历史曲线和表格显示等，还有如下的特色功能：

1) 试验数据、试验程序、配置参数、工况记录等数据存储，数据记录于SD卡中，可导出到U盘，还可通过Web进行下载；

2) HMI端的操作界面可通过网络进行远程监控，支持智能手机等移动终端通过WiFi操控设备，还可借助VPN进行远程监控；

3) 支持试验程序功能，控制器设计支持1000个试验程序，每个试验程序可包含100个程序步，每个程序包含4个步循环，每个步循环可对100步中的连续若干步进行循环执行，循环次数最大9999次，每个程序也可循环9999次。程序循环执行后可自动链接执行下一试验程序。程序支持跳步、保持步、中途临时停止试验后从中断步恢复执行等功能。

5结语

基于PLC的带风源淋雨设备研制过程中，设计与调试解决的关键问题：

1) 变频器干扰，本设备使用的变频器最大为 75 kW，电磁辐射干扰较强[5]。最初使用的风速传感器，未启动变频器时，测量输出正常，变频器启动后，HMI上显示的风速不停地跳动。避免变频器干扰可采取的措施：易受干扰的信号线增加屏蔽和变频器加装屏蔽罩；变频器与控制部分配电完全分离，设置独立的配电；变频器安装位置远离控制电气部分。

2) 风速传感器的安装位置及测量。固定风速仪所在风场的位置对检测的风速大小至关重要，根据军用标准设备淋雨试验方法和要求，对设备进行综合性规范的淋雨试验，包括程序Ⅰ（降雨和吹雨），吹雨要求伴随的风速可从无风变到极高风速18 m/s[6]，调试实践得出风速传感器的位置固定在风筒出风口前、轴中心下方比较合理。

3) 淋雨和滴雨的流量控制覆盖范围要求比较大，淋雨试验要求降雨强度≥10 cm/h，滴雨试验要求降雨量≥280 L/（m2·h），而在同一箱体内满足2种试验条件，设计上存在一定难度，故实际过程中使用独立的管路和喷嘴克服流量控制覆盖范围大的要求。

带风源淋雨设备研制实施比较复杂，在工程实践中需要解决一系列相关技术问题。本设备产品仍在持续改进和完善中，下一步重点是解决淋雨和滴雨的管路合并，研制特殊的喷嘴可以覆盖大范围的流量控制。设备的电气控制系统设计已趋于成熟，控制软件完全自主开发，功能扩展性强，可以适应设备发展中新的电气控制需求。

[1] 马志宏,李金国,赵书平,等.耐淋雨试验系统的研制[J].装备环境工程,2010,7(6):256-259.

[2] 王兵,徐淑华.基于S7-1200 PLC的变频调速恒压供水系统[J].青岛大学学报,2011,26(2):18-22,27.

[3] 西门子自动化与驱动集团.S7-1200可编程控制器系统手册[M].SIEMENS,2012:378-383.

[4] 胡学林.可编程控制器应用技术[M].北京:高等教育出版社，2005.

[5] 朱晶波,张庆玲.变频器的谐波干扰与抑制问题的探讨[J].电子制作,2012(12):142.

[6] 中国人民解放军总装备部. GJB150.8A-2009 军用装备实验室环境试验方法 第8部分淋雨试验[S].北京:国防工业出版社,2009-08-01.

Development of Air-Raining Equipment Based on PLC

Shi Changfei

(Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing)

To test and improve equipment reliability and adaptability during the wind and rain environmental, author developed a specific environmental equipment based on PLC，the device is designed for measurement and PID control of three major objects of temperature, wind speed and flow. The paper discusses the key technical problems and solutions associated with control system.

Air-Raining Equipment; Programmable Logic Controller; Proportion Integration Differential Algorithm; Measured Controlled Object

石昌飞，男，1988年生，硕士研究生，主要研究方向：工业自动化，环境设备电气控制。E-mail: shichangfei527@163.com