研究水流量計在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的運用

摘要：在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，需要收集電量、壓力、流量、溫度等參數，并對這些參數分析。將相關(guān)設備、傳感器通過(guò)接口和 PLC連接，從而實(shí)現流量和壓力控制?；诖?，文章首先提出 PLC 的概念，進(jìn)而探究基于 PLC 的流量與壓力控制系統的應用。
引言
隨著(zhù)我國工業(yè)技術(shù)水平不斷提升，當今工業(yè)生產(chǎn)隊液體流量控制精度也隨之提升。傳統的流量控制由于誤差大、控制精度低、無(wú)法實(shí)時(shí)監控，無(wú)法滿(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)要求。而應用 PLC 自動(dòng)化控制技術(shù)，可以進(jìn)一步加強工業(yè)生產(chǎn)的流量控制，再加上當今 PLC 技術(shù)不斷成熟，其應用范圍也在不斷擴大，有助于實(shí)現工業(yè)自動(dòng)化、高精度生產(chǎn)。因此，加強PLC 在流量、壓力控制系統中應用研究有著(zhù)重要意義。
1 PLC 控制系統與 PID 系統相關(guān)闡述
1.1 PLC 系統
PLC 是一種可編程控制器，其核心是微處理器，可以實(shí)現工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一項新技術(shù)。作為微機技術(shù)的衍生品，PLC 不僅邏輯功能強，同時(shí)還具有數據傳輸功能、數據處理功能。很多工業(yè)生產(chǎn)都是采用水泵控制電機啟停操作，但是實(shí)際控制精度較低。在傳統繼電器邏輯控制當中，多數都是采用手動(dòng)完成，難以實(shí)現自動(dòng)化生產(chǎn)，難以處理系統模擬量，再加上電氣結構設置較為復雜、可靠性不足、缺乏穩定性，不利于檢修和維護。
現代化 PLC 設備具有體積小、性?xún)r(jià)比高、相關(guān)標準統一，可以安裝到很多標準尺寸空間內。應用 I/O 連接器有助于降低接線(xiàn)成本，可以騰出更多的接線(xiàn)空間。再者，I/O 可以擴展到 256 個(gè)點(diǎn)，可以連接 4 個(gè)以上特殊功能模塊?；赑LC 控制流量與壓力的控制系統主要包括控制器、變頻器、傳感器、執行結構、接口等部分。
1.2 PID 系統
在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，應用作為廣泛的調節器就是以比例、積分、微分的控制系統，也就是 PID 系統。利用 PID 運 算、調節功能，可以更好的對參數輸出信號整定，輸送到變頻器當中，從而控制電機轉速。如今 PID 控制器在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應用，具有 PID 參數自整定功能，實(shí)現智能調節，從而對壓力、流量、溫度、液位監控。
新時(shí)期下，PID 控制器也得到了發(fā)展，結合控制理論、智能控制理論等優(yōu)勢，也推出了多個(gè)新型的 PID 控制器，如自矯正 PID、專(zhuān)家自適應 PID、非線(xiàn)性 PID 等，讓 PID 控制超出了線(xiàn)性、非時(shí)性范圍。
2 基于 PLC 的流量與壓力控制系統運用
PLC 流量與壓力控制系統在實(shí)際應用中，主要是應用了 PID、比值控制，從而實(shí)現流量與壓力的自動(dòng)化控制，保證控制精度。其主要表現在：
2.1 PID 流量與壓力控制
PID 是指比例積分微分控制，具有可靠性高、計算簡(jiǎn)單等優(yōu)勢，在工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域的應用十分廣泛，適合構建精準的數學(xué)模型，提升控制系統的功能。工業(yè)生產(chǎn)中的流量具有非線(xiàn)性、時(shí)變性特點(diǎn)，因此難以構建精準的數學(xué)模型。在實(shí)際生產(chǎn)當中，應用 PID 可以有效解決自動(dòng)化系統內流量與壓力控制問(wèn)題。
通過(guò)應用水流量計來(lái)實(shí)時(shí)獲取供液流量信息，在整個(gè)信息采集過(guò)程中，可以同時(shí)對數據放大、濾波、A/D 轉換操作，之后 PLC 讀入處理后的數據，PLC 系統將實(shí)時(shí)流量數據信息和額定流量數據（預設數據）信息進(jìn)行對比，通過(guò) PID運算即可得出目標控制值，并將控制值進(jìn)行 D/A 轉換之后應用到電動(dòng)調節閥上。電動(dòng)調節閥可以結合給定控制值做出相應的動(dòng)作，自動(dòng)化調節閥門(mén)開(kāi)啟度。整個(gè)操作流程可以劃分為比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節，分別對應“P”、“I”、“D”。
（1）比例環(huán)節。整個(gè)系統運行誤差可以通過(guò)比例形式直接反應出來(lái)，如果系統運行中產(chǎn)生了偏差問(wèn)題，則會(huì )根據采集的實(shí)時(shí)數據控制器立刻發(fā)送命令作出動(dòng)作，從而減少系統偏差。
（2）積分環(huán)節。針對系統的靜誤差主要是在積分環(huán)節消除或縮小，對系統誤差率進(jìn)行改善。積分環(huán)節運行和積分時(shí)間常數有著(zhù)直接關(guān)聯(lián)，積分常數越大，則積分作用越弱；反之，積分常數越小，積分作用越強。
（3）微分環(huán)節。誤差信號比變化度在微分環(huán)節中顯示，同時(shí)可以在誤差信號變大前，在系統中引出一個(gè)有效的早期修正信號，從而提高整個(gè)系統的運行效率，縮短整個(gè)調節流程的周期。
在實(shí)際應用中，要結合對象實(shí)際情況選定 PID 參數，也可以根據工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗總結確定。幅值振蕩系數通過(guò)比例系數控制，一旦比例系數增加也會(huì )提升振蕩系數，通過(guò)降低振蕩頻率計可以有效提高系統的運行穩定時(shí)間。響應速度快慢主要是決定于積分系數，如果積分系數增加則會(huì )降低響應速度，反之則會(huì )增加相應速度；微分系數可以消除靜態(tài)誤差，通常在實(shí)際應用中會(huì )將靜態(tài)誤差設置小一些，這樣可以減少對系統干擾。
 2.2 流量與壓力比值控制
在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)當中，流量與壓力比值控制是指將兩種或兩種以上物料量自動(dòng)按照相關(guān)比例控制系統，也就是比值控制系統。比值控制法可以劃分為開(kāi)環(huán)比值控制、閉環(huán)比值控制，其中閉環(huán)比值控制還可以劃分為單閉環(huán)、雙閉環(huán)。最簡(jiǎn)單的方法就是開(kāi)環(huán)控制，而單閉環(huán)控制可以有效對開(kāi)環(huán)系統完善，但該方案也有不足之處，即只有一個(gè)副流量、壓力閉環(huán)控制，缺少主流量閉環(huán)控制。
結合比值控制原理可知，在流量和壓力閉環(huán)控制中，首個(gè)閉環(huán)控制就是主流量閉環(huán)控制系統，在完成了主流量設置之后，借助閉環(huán)系統的自動(dòng)調節作用，最大程度上消除擾動(dòng)誤差帶來(lái)的影響，這樣即可提高主流量的穩定性，維持在標準范圍內，整體上主流量閉環(huán)控制是一種恒值（范圍）控制系統。第二個(gè)閉環(huán)控制系統是副流量閉環(huán)控制系統，副流量輸入量是根據檢測、變送后流量信號與比值系數的乘積。整個(gè)副流量閉環(huán)控制系統主要包括副控制器、變送器、泵變頻器、檢測點(diǎn)等。
3 基于 PLC 的流量與壓力報警系統設計
3.1 硬件系統
報警系統作為整個(gè)控制系統的重要組成部分，主要包括 PLC、流量傳感器、壓力傳感器、語(yǔ)音電路、揚聲器等。
選擇最新的 PLC，確?？梢詽M(mǎn)足項目要求，同時(shí)可以根據實(shí)際使用要求實(shí)現多個(gè)量擴展。流量傳感器采用插入式渦街流量計，該流量計具有壓力損失小、量程范圍大，實(shí)際應用中受溫度、密度、介質(zhì)粘度、壓力等參數影響小，甚至可以忽略不計，可靠性非常強，維護工作量小。模擬量傳輸距離為 1000m、脈沖輸出量為 500m，可以直接和 PLC 接口連接，無(wú)需人工編寫(xiě)程序，可以帶動(dòng) 256 個(gè)負載。該儀器可以保證長(cháng)期穩定運行，并且適應性非常強。選擇高精度壓力傳感器，同時(shí)滿(mǎn)足穩定、精度、體積、可靠等要求，并且選擇端面密封形式。高精度壓力傳感器采用了恒流源、恒壓源供電，內部采用了標準的螺紋引壓測量方法。在高精度壓力傳感器應用中，應采用密封的齊平膜片，避免安裝應力對產(chǎn)品造成負面影響，并配置安全柵。采用智能（AI）語(yǔ)音芯片，具有操作靈活、音質(zhì)好、分段多等優(yōu)勢。PWM 級別 D 揚聲器放大器，可以直接驅動(dòng)揚聲器，具有 MIDI 電子音樂(lè )處理能力，放映操作更加靈活，輸出指示量多，可以采用多個(gè)封裝方法，擴展性能較好，工作電壓控制在 2.7-3.6V 之間，音頻輸出電流在 20-120mA 之間，適用范圍更廣。
3.2 軟件系統
結合生產(chǎn)實(shí)際標準與硬件特性，編寫(xiě)自動(dòng)控制報警的系統編寫(xiě)。在物理量編寫(xiě)過(guò)程中，很多量程序段存在相同部分。為了降低工作量、確保程序更加直觀(guān)，針對相同部分程序采取模塊化設計方法。根據物理量相似特性，可以采用子程序對數據量轉化、運算程序段進(jìn)行編程。子程序編寫(xiě)中，要定義符合條件的輸入量、輸出量、中間變量數據模型，將相關(guān)的量轉化為統一運算的模型，對子程序中的量進(jìn)行加、 減、乘、除數學(xué)運算。并在主程序中調用子程序，并賦予子程序運行的額定數值，可以實(shí)現連續兩次調用。
在程序運行前要先進(jìn)行初始化設定，包括流量傳感器管腳定義、壓力傳感器管腳定義、語(yǔ)音系統初始化。在完成初始化操作后，可以設置流量、壓力參數，主要包括流量報警和壓力報警的上限、下限以及報警次數、音量等。在上述內容調整完畢之后，即可正常運行控制報警系統，首先對流量傳感器、壓力傳感器通電，并采集流量和壓力數據，將采集的數據信息轉化為電壓值、電流值，并傳輸給模擬量輸入模塊，最終轉化為 PLC 可以識別的數字量，根據 PLC 數值與接口傳輸類(lèi)型，對數據進(jìn)行預算、對比等操作，從而在PLC 可以達到報警限值數字量傳輸給模擬量輸出模塊，輸出模塊將數據轉化為電流、電壓信號傳遞給語(yǔ)音模塊，即可實(shí)現語(yǔ)音段尋址功能，生成控制信號，最后將語(yǔ)音系統中設定的語(yǔ)音報警在揚聲器中播放出來(lái)。
4 結束語(yǔ)
綜上所述，為了能夠實(shí)現工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，基于 PLC 編程的 PID、比值控制方法在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)應用中有著(zhù)重要意義，不僅能夠有效提升流量控制精度、滿(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)要求、保證工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量、降低資源成本、提高生產(chǎn)效率。此外，借助 PLC 的流量、壓力控制警報系統，如果流量、壓力運行參數超標無(wú)法控制，則系統會(huì )自動(dòng)發(fā)出語(yǔ)音警報，從而快速解決系統問(wèn)題。這樣才能夠充分發(fā)揮 PLC 的應用效果。

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