基于PLC的多缸压力检定实验平台研制

刘复玉, 陈 璨, 刘建超, 任旭虎

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580)

基于PLC的多缸压力检定实验平台研制

刘复玉, 陈 璨, 刘建超, 任旭虎

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580)

介绍了一种基于PLC的多缸压力检定实验平台的硬件组成、工作原理、系统软件的构成及使用方法。为了实现标准压力的精确、快速、稳定、无超调的产生及控制,从系统硬件的组成、流程的改进、控制算法的优化等多方面进行了研究和探讨。该实验平台既可用于生产实际,又可作为学生PLC编程、仪表检测等综合实验的硬件平台,具有一定的推广价值。

压力检定； 实验平台； 压力表； PLC

自动控制综合实验是中国石油大学(华东)自动化专业的必修课,涉及的专业课有PLC编程、仪表检测、过程控制等,长期以来这几门课的实验内容相互独立,实验仪器和设备比较简单,实验只是为了配合理论教学,教学效果差强人意。因此选取一个合适的控制对象,针对控制对象设计一种既可以实现跨课程的综合实验,又与实际生产密切相关、具有实用价值的硬件平台就显得很有必要[1]。

指针式压力表是目前应用最普遍的压力测量仪表。为了确保生产安全,压力表需要定期检验,目前这类仪表的检定主要靠手工操作,效率低、劳动强度大,精度也受人为因素影响。实际生产工作中迫切需要实现压力表的自动化校验。国外产品技术比较成熟,但昂贵,英文界面、操作及维修不便,软件系统不对外开放；国内产品稳定性、精确性差强人意,检验效率不太高。为此,研制即可用于生产实际,又可作为学生PLC编程、仪表检测等综合实习的压力检定实验平台很有意义。

1 实验平台介绍

1.1 实验平台结构

根据自动控制综合实习的需要,设计的实验平台由导轨、位于导轨上的摄像头、标准压力源、PLC压力控制、敲击装置等组成。实验平台总体结构简图见图1,实物图见图2[2-4]。其工作过程如下:计算机发出“开始检定”命令, PLC响应命令后精确控制压力源到达所需的压力点,标准表压力值传输到计算机,计算机通过摄像机镜头自动读取被测压力表示值；然后电磁敲击装置模拟人手敲击被检表,再次识别对应被检表的读数,识别结果同标准压力示值相比较,计算出压力表的各项示值误差。摄像机镜头移到下一被检表,重复以上过程,直到所有被检表检定完成同一压力点的检测。计算机对误差进行分析处理和保存,最后显示和打印检定结果。

图1 压力检定实验平台结构简图

图2 压力检定实验平台实物图

1.2 标准压力表选择

作为检验基准的标准压力表,其精度和可靠性直接决定控制系统的精度和可靠性。选择标准压力表应考虑以下几个因素:一是压力表的精度至少应比被测仪表高2个数量级；二是标准压力表的可靠性要高,且有自检功能；三是仪表数据可以远传、实现与控制系统的通信[5-6]。为此，选择北京康斯特仪表科技有限公司的CONST211系列的数字压力表,准确度等级0.05级,若检定1.2 MPa的压力点,其允许误差范围±0.05×1.2×0.01=±6.0×10-4MPa,可检测压力范围0～60MPa,可完全替代指针式精密压力表。

1.3PLC控制器选择

根据系统的需要,PLC控制器[7]需要具有如下功能:(1)3路高速脉冲输出,其中1路作为导轨步进电机的控制信号,另2路作为大小压力缸的控制信号；(2)一路RS485 串口通信接口用来连接温湿度传感器,一路RS232串口用来与标准压力表通信,另外还需要有以太网口与电脑通信；(3)PLC需要有较高的存储空间和逻辑运算能力来满足压力的复杂控制。

经过性能和价格的比较,选择西门子的S7200SMARTPLC。该PLC控制器的CPU模块上集成有以太网口和一个RS485通信口,同时具有通过附加通信板扩展RS232通信口的能力。S7200SMART还能支持多至三轴的高速脉冲输出功能。

1.4 标准压力源硬件结构

图3是标准压力源硬件结构图。电机通过齿轮的变速机构将其转速降低,从而提高其输出力矩。齿轮变速机构的输出轴通过联轴器和丝杠相连,通过丝杠的转动将电机的转动转换成加压活塞的轴向运动,从而使腔体的压力增加[8-9]。

图3 标准压力源硬件结构图

对于压力检定系统来说,产生高精度的、稳定的定点压力是整个检定系统的关键。检定系统中控制的难点在于如何同时兼顾定点压力产生的精度及速度。定点压力产生过程中无论是升压还是降压,不应有冲击和回程现象,即在产生某一定点压力时,压力值应单向递增或递减地靠近该点,而不应有超调现象[10]。为了实现压力单方向、平稳快速地达到定点压力的要求,需要从多方面考虑。为此，在系统的硬件方面,设有大小2个压力缸,当实际压力和设定压力(即定点压力)差值较大时,大压力缸起主要作用；当实际压力逼近设定压力(即定点压力)时,大压力缸停止,小压力缸起微调作用。压力系统是一个典型的非线性系统,除系统的硬件结构外,更需要结合压力系统的特点,从定点压力的控制方法进行研究和优化。

当X*=(S5-C3)/S5时，dY/dt=0恒成立。当购房者购买和使用被动房的比例达到1-X=C3/C5，博弈达到均衡状态，政府和购房者都坚定其策略。

2 定点压力的控制方法

2.1 压力系统的特点

多缸压力检定实验平台的压力测量范围为0～60MPa,大小压力缸的有效行程均为250mm,两压力缸活塞截面积比为4∶1。经过试验,发现对于大压力缸,压力缸行程与压力之间具有严重的非线性,而且受压力介质特性、管路中是否含有气体等因素影响。表1是其中比较典型的一组实验数据。

表1 大压力缸行程与压力的数据

对于单独运行小压力缸,经过试验,行程为0～250 mm压力值只能实现0～1.5 MPa的压力控制范围,不能满足定点压力量程的需要,所以小压力缸只能起压力微调的辅助作用。为了充分利用大压力缸压力控制的快速性和小压力的精确性,首先利用大压力缸进行打压,在压力接近定点压力时大压力缸逐渐减速直到停止,在这一过程中,小缸启动并接管压力的控制。小压力缸压力微调的实验数据见表2。

表2 小压力缸压力与行程的关系

从以上数据可以看到,在不同的压力下,虽然压力差(定点压力与起始压力差)一样,但压力缸的行程却不同,因此压力的控制完全不同于常规的位置控制和伺服控制。另外，实验过程中,如果打压速度过快,即使停止打压,液体在惯性的作用下压力继续上升,而压力检定对定点压力的要求是单方向、平稳快速、不超调,这一切都对控制提出了很高的要求。

2.2 压力分段的模糊PID复合控制

以0～60 MPa的压力测量范围为例,为了提高实验平台对定点压力的控制精度,根据实验结果,将压力分为低压(0～5 MPa)、中压(5～30 MPa)和高压(30～60 MPa)3段,对3段分别实施模糊PID控制。从表1和表2可知,对于同样的压力差,如果初始压力不同,压力缸所需要运行的行程也不同,即压力控制与压力差、初始压力都有关系。

对于本控制系统来说,系统有2个控制对象,为了产生速度快、精度高、不超调的定点压力,大压力缸和小压力缸既需要单独控制又需要相互配合。对于每个压力缸,尤其是大压力缸,在低压、中压和高压段,PID控制的Kp,Ki,Kd参数有很大差异,与其他的控制对象区别很大。基于以上原因,本控制系统有其独特的结构和特点,其结构见图4。模糊控制器以压力差e(压力设定值与测量值之差)和压力差变化ec作为输入,同时以压力测量值作为模糊控制器的另一辅助输入,通过模糊控制规则在线找出PID参数与e和ec之间的模糊关系,在运行中需要不断检测e和ec,根据模糊推理对3个参数进行在线调整和修改,以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求,最终实现压力分段的模糊PID复合控制[11-13]。限于篇幅,仅对大压力缸在中压(5～30 MPa)条件下的控制作一简要阐述。

图4 分段模糊PID控制器系统结构

如前所述,压力控制与压力差、初始压力都有关系,如果压力区间不同,即使e和ec相同控制规则也不同。为此，首先采集压力测量值获得当前压力,同时判断压力位于的区间(低压、中压还是高压)。接着将e和ec变化的范围定义为模糊集上的论域,并且分别确定各模糊子集的隶属度,针对Kp,Ki,Kd参数分别建立相对应的模糊控制规则表,然后利用模糊合成推理设计出PID参数的模糊矩阵表[14]。

模糊规则是若干语言变量构成的模糊条件语句,所以要把误差、误差的变化和控制量分档,每一档用一个语言量描述。本控制系统输入为{e,ec},输出为{Kp,Ki,Kd}。根据实验结果,压力差e分为如下6档11级:

{- 5, - 4, - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5}；模糊子集:{NB(负大), NM(负中), NS(负小), PS(正小), PM(正中), PB(正大)}；

压力差变化ec分为5档7级:{3, - 2, - 1, 0, +l, +2, +3}；模糊子集:{NB(负大), NS(负小), Z(零), PS(正小), PB(正大)}；

控制变量KP分为5档7级：{3, - 2, - 1, 0, +l, +2, +3}；模糊子集:{ 零, 一, 二, 三, 四}。

在选择各变量隶属函数时, 结合实际控制要求,对变量采用三角函数形式。压力差e隶属度见表3,压力差变化ec隶属度见表4,Kp隶属度见表5(表中空白处值为0)。

表3 压力差e的隶属度

表4 压力差变化ec的隶属度

表5 Kp的隶属度

2.3 模糊控制规则

根据资料和现场经验, 模糊控制规则见表6。

表6 模糊控制规则

模糊控制的总模糊关系矩阵:R=R1ⅴR2ⅴ…ⅴRi…，Ri为每条规则的模糊关系,可以用下面方法得到:

将得到的模糊关系进行合并运算,可以得到总的关系矩阵。已知模糊关系的前提下, 采用加权平均法,可计算得到总的控制表。以上模糊控制可存放在PLC 内存中, 作为控制查询表来实现模糊控制规则[15]。限于篇幅,输出Ki和Kd这里不再详述。

3 程序框图

系统的程序框图见图5,控制器首先读取当前压力值,接受打压命令,判断当前压力值属于低压、中压还是高压,然后转入对应的控制子程序,通过大小压力缸的协调配合完成压力的迅速、无超调的实现。

图5 控制系统程序框图

4 实验结果

利用量程为25 MPa的压力表做测试,压力表有5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa几个大刻度,实验数据见表7。

表7 25 MPa压力表实验数据

从表7数据可以看出,因为对压力范围分段进行有针对性的控制和调节,同时通过大小2个压力缸配合使用,使压力的控制精度得到明显提高,到达设定压力误差范围内所需时间比传统控制方法缩短许多。不过需要注意的是:如果实验平台的硬件有改变,PID的参数需要重新调节和设计。

5 结语

针对学生跨课程的综合实验和生产实际需要,设计了一种基于PLC的多缸压力检定实验平台。通过创造性地对双压力缸的硬件结构设计, 配合分段的模糊PID控制方案,实现了压力的迅速、无超调的控制。该硬件平台不但满足了学生综合实习和实验的基本硬件需要,而且通过本硬件平台学生可以进行各种先进控制算法的验证和实现。该实验平台极大地提高了压力表检定的工作效率和检定的准确性,大大减轻了检定人员的劳动强度,具有很高的推广应用价值。

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Development of experimental platform for multi-cylinder pressure test based on PLC

Liu Fuyu, Chen Can, Liu Jianchao, Ren Xuhu

(College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580, China)

The hardware composition, working principle, system software structure and utilization methods are introduced for the experimental platform for multi-cylinder pressure test based on PLC. In order to achieve the accurate, fast and stably non-overshooting generation and control of the standard pressure, the research and exploration are carried out from many aspects such as the composition of the system hardware, process improvement, optimization of the control algorithm, etc. This experimental platform can be used not only for the actual production, but also as the hardware platform for comprehensive practice for the student PLC programming, instrument testing, etc. The platform has the certain promotional value.

pressure test； experimental platform; pressure gauge； PLC

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.021

2016-07-08

山东省重点教改项目“基于能力培养的电工电子学课程体系与教学模式的探索与实践”(2015Z025);中国石油大学(华东)实验教改项目“具有故障点设置功能的数字电路实验箱研制”(YJ-A201624)

刘复玉(1963—)，男，山东临朐，硕士，副教授，实验教学中心主任，主要研究方向为智能信息处理、计算机测量与控制.

TH823；TP273

A

1002-4956(2017)3-0082-05