PID控制在集中过滤系统的应用研究

李远彬，杜书权，高超浪

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

PID控制在集中过滤系统的应用研究

李远彬，杜书权，高超浪

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

为了满足集中过滤系统供液时压力尽量稳定的要求，提出了一种基于PID控制（比例-积分-微分控制）变频泵的运行系统。较之于传统工频启动电机泵，有效避免了电机启动/停止过程对管网内部的压力冲击。再配合PLC控制（可编程逻辑控制）增加或减少投入运行泵的台数，拓宽了供应切削液的流量范围。现已经用于发动机工厂加工中心水基切削液的供应，实践表明：该系统运行稳定，具有控制效果好，适应能力强等特点，满足工程上的应用要求。

机械加工；集中过滤系统；PID控制；PLC控制

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.056

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-163-03

引言

随着工厂对节能减耗要求的不断提高，给加工机床集中供应切削液的方式逐渐成为主流。与每台机床都配一套分离循环系统的单机过滤方式相比，集中过滤系统很好地降低投资和运行成本，节省厂房面积，并在减少故障率、节能降耗、改善工作环境等方面具有突出的优势[1]。但集中过滤系统的工频供液水泵随着机床的用液量变化，在启动/关闭瞬时会对供液管路造成冲击，而引起供液压力和流量的大幅变化，进而造成机床加过不稳定。采用PID控制变频泵的方式能有效降低电机在启动/停止瞬时对供液管路的冲击[2]，为满足机床对恒定供液压力的需求，提供了技术支撑。再通过增加或减少投入运行的供液泵台数，极大地扩大了能供应切削液的流量范围，以满足一条或多条生产线上多台机床对切削液的大量用液需求。

1、变频恒压功能

集中过滤系统具备变频恒压功能，主要是依靠压力传感器、模拟量输入输出模块、PLC控制器、变频器和供液水泵等部件构成一个闭环压力控制系统。

变频恒压集中过滤系统工作过程如下：

压力传感器持续监控供液管道的压力，并将压力以模拟量信号的形式输出给模拟量输入模块。模拟量输入模块将压力传感器实时监测的压力值转化为PLC可以处理的数字量。PLC控制器采集来自压力传感器的模拟量输入信号，然后对该信号进行分析于处理后，通过模拟量输出模块给变频器一个能连续控制变频器频率和电压的电流信号。变频器根据控制信号调节供液水泵的转速和转矩，实现水泵随外界负载的变化而随动。水泵运行工况的变化，进而会影响供液管路的压力。如此闭环控制，以实现供液管路压力相对稳定的目的。

可以看出PLC控制器的分析处理能力是变频恒压控制系统的核心，而这种分析能力是通过PLC自带的PID控制功能实现的。

2、PLC实现PID控制

2.1 PID控制

PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。在做出正确的测量和比较后，PID控制器能很好的纠正系统。其输入e (t）与输出u (t）的关系为[3]：

它的传递函数为：

其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。

PID控制具有不需要精确的控制系统数学模型，较强的灵活性和适应性等特点，非常适用于工程上对模拟量的控制。

2.2 PLC实现PID控制方式

利用PLC对供液压力进行PID控制时，可以采用PID过程控制模块、PID功能指令和自编PID程序三种方法来加以实现。PID过程控制模块是PLC生产厂家设计的，存放在模块中，使用时只需设置参数，具有使用方便的特点，但是价格较高；一般PLC都自带PID控制的功能指令块，如GE的PID IND指令块，通过与模拟量输入输出模块搭配使用，可以达到PID过程控制模块的功能，成本上会便宜许多；在没有自带PID控制指令或者想采用改进的PID控制算法，用户可以自己编制PID控制程序[4]。本文着重于研究使用PID控制指令实现PID控制功能。如通用电气GE的PAC PLC控制系统的自带PID指令，各操作功能如下表：

表1 PID控制指令描述

PLC PID变频恒压供液系统闭环控制原理：当实际供液压力反馈值小于设定值时，PID模块通过增加模拟量输出值（CV）来达到加速水泵电机的运行；当实际供液压力反馈值大于设定值时，PID模块通过减小模拟量输出值（CV）来达到减速水泵电机的运行；PLC PID通过不断的修正模拟量输出值的大小来调节水泵电机的转速，从而让管网供液压力稳定。如图1所示：

图1 PID控制原理图

3、PLC控制逻辑

一台泵能够提供的供液流量是一定的，为了扩大供液范围，通常用多泵组合工作的方式，其中每个泵都能工频和变频运行。但系统中只有一台变频水泵运行，其他泵根据实际需要来决定是否工频运行。以2个供液水泵为例，其控制逻辑如下图所示：

图2 2供液水泵变频控制原理图

系统要正常工作的必要条件是箱体里面存储的切削液必须高于最低标示液位。当低于最低液位时，供液泵会出现吸空现象，此时要求系统立即停机。在液位高于低液位的前提条件下，系统启动一个变频泵运行，并实时监控管路压力。为避免管路压力变化，导致工频泵频繁启停对管路供液造成冲击。只有在延时一定的时间内压力持续低于设定压力，供液工频泵才会启动。工频泵启动后，变频泵会减低转速以满足管路设定压力。若管路压力经过延时后，一直高于设定压力，系统则会选择退出工频泵。随着外界供液需求的变化，系统根据设定压力，自动地不断反复调节，以保证供液压力的稳定。

4、结论

通过以上分析和生产现场的使用情况可知，变频恒压控制的集中过滤系统能够满足工厂对大流量下供液压力稳定的要求。于单机过滤装置相比，系统采用了集中供液和变频控制技术，具有很好的经济性，较高的可靠性。于工频控制相比，变频恒压控制改变了定量供应方式，降低了管网压力的波动且在节能降耗上效果显著。

[1] 李浩,王树春,王永峰.针对车桥生产的切削液集中过滤系统设计[J].工程建筑与设计,2011,8(3):54-56.

[2] 王宏岩.基于PLC的多泵循环变频恒压供水系统[OL].豆丁网（http://www.docin.com） .

[3] 李景志.分布式水利灌溉自动系统的研究与设计[D].兰州：兰州理工大学,2008.

[4] 范永胜,王岷.电气控制于PLC应用[M].中国电力出版社,2004.

PID control application research in the filtration system

Li Yuanbin, Du Shuquan, Gao Chaolang
(SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd, Guangxi Liuzhou 545007)

A system based on PID (Proportional-Integral-Derivative) control of variable frequency pump operation was proposed in order to satisfy requirments for liquid pressure stability as far as possible. Compared with the traditional power frequency start motor pump, effectively avoid the shock pressure when motors start or stop. Combined with PLC (programmable logic control) increases or decreases in pump stations ,the scope of the fluid flow was broaden . Now used for engine factory fluid supply. Practice shows that the system runs stably , has good control effect and characteristics of adaptability, meet the requirements of engineering application.

Mechanical processing; The central filtration system; PID control; PLC control

U463.6

A

1671-7988 (2016)12-163-03

李远彬（1987-），男，电控工程师，就职于上汽通用五菱汽车股份有限公司，研究方向电气自动化。