黃學(xué)飛

廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與電子學(xué)院，廣東 廣州 510430

　　摘要：針對(duì)氣動(dòng)造浪系統(tǒng)的特點(diǎn)及運(yùn)行的需要，設(shè)計(jì)了基于PLC（Programmable Logic Controller）和PID技術(shù)的氣動(dòng)造浪監(jiān)控系統(tǒng)。采用PLC完成了多點(diǎn)造波風(fēng)罩的壓力數(shù)據(jù)采集和對(duì)人工造浪系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制，采用PID技術(shù)實(shí)現(xiàn)了造波風(fēng)罩壓力的精確測(cè)量和對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓控制，并建立了氣動(dòng)造浪系統(tǒng)上位機(jī)軟件用戶模塊。使用該具有PID反饋的系統(tǒng)不僅保證了氣動(dòng)造浪系統(tǒng)正常運(yùn)行，而且具有節(jié)能效果，也為開發(fā)人工氣動(dòng)造浪系統(tǒng)提供了良好的啟示和借鑒。

　　關(guān)鍵詞：氣動(dòng)造浪系統(tǒng)；PLC；PID

0引言

　　人工氣動(dòng)造浪系統(tǒng)主要包括電機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)組成的空氣供給系統(tǒng)、氣體輸送管路、造波風(fēng)罩、布置在管路上的配氣閥和對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。工作時(shí)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)正常工作，從而產(chǎn)生高壓氣體，氣體通過配氣閥控制造波風(fēng)罩氣流的周期性變化實(shí)現(xiàn)造浪。配氣閥門每一個(gè)工作周期均分為兩個(gè)半周期，在前半周期空氣自大氣壓入風(fēng)罩，而水便從風(fēng)罩內(nèi)排出，在風(fēng)罩前形成波峰；而后半周期空氣返回大氣，水被吸入風(fēng)罩，即在風(fēng)罩前形成波谷［1］。壓力是造浪過程中主要的控制參數(shù)之一，壓力的大小直接影響到造浪的效果，在不同的壓力下產(chǎn)生的浪的形態(tài)也會(huì)不同，因此研究壓力大小與造浪的關(guān)系對(duì)氣動(dòng)造浪系圖1人工造浪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖統(tǒng)具有重要的意義。目前，人工造浪控制系統(tǒng)基本上是采用PLC控制，控制過程比較單一，能耗比較大。在控制過程中，基本上通過對(duì)電機(jī)采用變頻調(diào)速控制，無壓力反饋，系統(tǒng)有時(shí)由于一些原因會(huì)造成風(fēng)罩內(nèi)壓力不夠，由此形成不了所需的波形，從而造成人工造浪失敗。為保證形成所需的波形，有的廠家在系統(tǒng)運(yùn)行過程中會(huì)增大所需要的壓力來保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，從而無形中造成能耗損失。為此，本文開發(fā)了基于PLC和PID技術(shù)的一種新型的人工造浪監(jiān)控系統(tǒng)。

1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本文提出的控制系統(tǒng)是在原來系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，為了得到壓力反饋，在造波風(fēng)罩上增加了三組壓力變送器，從而使控制系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖2所示。該控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、變頻器、風(fēng)機(jī)、壓力傳感器、閥門分配系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)運(yùn)行控制過程中，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過RS232與RS485轉(zhuǎn)換器向PLC控制系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)行控制指令，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行指令控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，從而產(chǎn)生高壓氣體。同時(shí)PLC控制系統(tǒng)控制閥門分配系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的需要調(diào)節(jié)高壓氣體是否進(jìn)入造波風(fēng)罩，圖2控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

　　在造波系統(tǒng)的前半周期中高壓氣體通過閥門分配系統(tǒng)進(jìn)入造波風(fēng)罩，從而在風(fēng)罩前面產(chǎn)生波峰；在造波系統(tǒng)的后半周期中氣體通過閥門分配系統(tǒng)排出造波風(fēng)罩，從而在風(fēng)罩前面產(chǎn)生波谷。在產(chǎn)生波峰的過程中，通過壓力傳感器來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的變頻器，以此控制進(jìn)入風(fēng)罩的高壓氣體壓力。

　　在本系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)需要較快的運(yùn)算速度和較強(qiáng)的運(yùn)行能力，而S7300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（0.6~0.1 μs）的指令運(yùn)算速度，可以用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，比較有效地實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算等功能特點(diǎn)，所以選用S7300 PLC作為系統(tǒng)的主要控制核心。在本系統(tǒng)中采用S7300 PLC的PID控制功能塊FB 41。壓力傳感器采用佛山市賽普特電子儀器有限公司的PTP702高壓壓力傳感器，該傳感器的彈性體采用特殊進(jìn)口材質(zhì)、線切割機(jī)加工工藝，一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適用于大型液壓設(shè)備等的壓力測(cè)量與控制，可以滿足本控制系統(tǒng)的需要。

2PID系統(tǒng)的工作原理

　　PID系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。

　　具體工作原理：在控制過程中，系統(tǒng)根據(jù)波浪的形態(tài)，在風(fēng)罩內(nèi)采用不同的壓力。當(dāng)系統(tǒng)處于前半周期時(shí)，系統(tǒng)將給風(fēng)罩增加空氣的壓力。在增加風(fēng)罩的空氣壓力時(shí)，壓力傳感器會(huì)將測(cè)量的壓力通過變送器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，通過信號(hào)線送到PLC的CPU中，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)罩壓力的給定值與反饋回的實(shí)際值進(jìn)行比較，如果測(cè)得的壓力低于設(shè)定的風(fēng)罩壓力，系統(tǒng)通過對(duì)參數(shù)運(yùn)算，調(diào)整PID的參數(shù)［2］，按照PID運(yùn)算規(guī)律計(jì)算出結(jié)果，然后控制系統(tǒng)將根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制變頻器頻率，系統(tǒng)增大變頻器頻率，從而增大風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而增大風(fēng)機(jī)輸出的空氣壓力。如果達(dá)到了風(fēng)罩的壓力，壓力傳感器將此時(shí)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳給PLC后，控制系統(tǒng)將停止給變頻器輸出頻率，將暫停增大風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使風(fēng)罩的壓力在滿足使用條件的前提下節(jié)省能源。改進(jìn)前的系統(tǒng)在造浪系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的風(fēng)罩壓力后，系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)一直按設(shè)定的輸出頻率轉(zhuǎn)動(dòng)，為穩(wěn)定風(fēng)罩的壓力，系統(tǒng)通過排出空氣的方式進(jìn)行卸壓，這樣不僅制造了大量的噪音，而且浪費(fèi)了大量的能源。

　　當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行某一波型的壓力時(shí)，系統(tǒng)在前半周期會(huì)通過控制系統(tǒng)將風(fēng)罩的壓力穩(wěn)定在所需的壓力。直至系統(tǒng)在后半周期時(shí)釋放壓力。如此周而復(fù)始，從而在保證系統(tǒng)滿足所需壓力的情況下確保不會(huì)浪費(fèi)過多的能量。

　　該控制系統(tǒng)的壓力在反饋過程中采用了單閉環(huán)的PID數(shù)字控制技術(shù)，使PID的參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)在線控制，人工造浪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的壓力輸出，從而保證波型的形成，并在保證系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定壓力的同時(shí)使系統(tǒng)能夠以較低能耗運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能運(yùn)行系統(tǒng)的目的。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　3.1上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

　　上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示氣動(dòng)造浪系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。主要模塊包括實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警、系統(tǒng)參數(shù)配置、系統(tǒng)運(yùn)行管理、系統(tǒng)用戶管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)權(quán)限管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、用戶管理等功能模塊。如圖4所示?！?/p>

　　上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)選用DELPHI2012作為系統(tǒng)的編程軟件。DELPHI2012是一種優(yōu)秀的編程工具，具有功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)便易用和代碼執(zhí)行速度快等優(yōu)點(diǎn)。該開發(fā)工具不僅具有可視化的特點(diǎn)，而且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)支持、與Windows編程緊密結(jié)合、強(qiáng)大而成熟的組件技術(shù)、簡(jiǎn)單易學(xué)等特點(diǎn)［3］。數(shù)據(jù)庫(kù)采用微軟開發(fā)的SQL。監(jiān)控中心系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交互采用ADO數(shù)據(jù)庫(kù)訪問技術(shù)。

　　上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是顯示氣動(dòng)造浪過程中運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)、采集和處理氣動(dòng)造浪過程中的空氣壓力數(shù)據(jù)等。為保證這些任務(wù)具有實(shí)時(shí)性，需要系統(tǒng)支持多任務(wù)和并行處理多任務(wù)。在開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)采用了多線程技術(shù)。根據(jù)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行需求，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)需要如下幾個(gè)線程：系統(tǒng)主線程、數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)處理線程等。這些線程保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。其中，系統(tǒng)主線程是系統(tǒng)從開始運(yùn)行到系統(tǒng)結(jié)束運(yùn)行的線程，該線程主要負(fù)責(zé)氣動(dòng)造浪系統(tǒng)顯示運(yùn)行狀態(tài)、查詢上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行交互操作；數(shù)據(jù)采集線程主要是系統(tǒng)采集PLC控制系統(tǒng)發(fā)送回的數(shù)據(jù)，該線程在監(jiān)控系統(tǒng)開機(jī)后一直運(yùn)行；數(shù)據(jù)處理線程是系統(tǒng)單獨(dú)建立的一個(gè)線程，主要任務(wù)是處理通過PLC控制系統(tǒng)傳回的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理完畢后根據(jù)需要將數(shù)據(jù)保存在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，該線程自數(shù)據(jù)采集線程運(yùn)行后開始運(yùn)行。由于采集的數(shù)據(jù)處理過后需要保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，計(jì)算機(jī)在處理這一過程中，需要花費(fèi)一定的時(shí)間，而采集數(shù)據(jù)的速度也很快，為保證數(shù)據(jù)能正確保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中而不出錯(cuò)，在系統(tǒng)中建立了臨時(shí)內(nèi)存機(jī)制，將需要保存的數(shù)據(jù)臨時(shí)保存在內(nèi)存中。在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)也可以處理數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)“同步”進(jìn)行。

　　3.2PLC控制系統(tǒng)

　　本控制系統(tǒng)采用西門子S7300 PLC作為控制核心，采用指令編制系統(tǒng)程序。本控制系統(tǒng)的程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。子程序包括人工造波浪前半周期控制子程序和后半周期的子程序，中斷程序主要運(yùn)行在前半周期，這個(gè)程序首先要完成壓力數(shù)據(jù)的采集，并根據(jù)控制系統(tǒng)的給定值，完成在線數(shù)字PID運(yùn)算，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果把控制量輸出到風(fēng)機(jī)的變頻器，從而控制風(fēng)機(jī)的電機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)罩壓力的恒壓控制和系統(tǒng)正常運(yùn)行。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示?！　?/p>

　　3.3上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)連接

　　上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)連接采用RS485串行總線技術(shù)。由于RS485串行通信方式采用一對(duì)平衡雙絞線作為傳輸媒體，具有多點(diǎn)雙向通信能力，允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，具有傳輸距離長(zhǎng)、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、控制方便且成本低廉的特點(diǎn)，故得到了廣泛的應(yīng)用［4］。由于上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)距離較遠(yuǎn)，故采用RS485串行總線技術(shù)。因?yàn)椴捎玫纳衔粰C(jī)沒有485接口，只有232接口，所以上位機(jī)與PLC控制系統(tǒng)連接中需要RS232和RS485的轉(zhuǎn)換器，以保證系統(tǒng)正常連接。在通信過程中，通過調(diào)用PRODAVE S7軟件包的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)造浪監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)的讀寫操作。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)用到的PRODAVE函數(shù)主要有l(wèi)oad_tool、unload_tool、db_read、db_write四個(gè)。其中，load_tool 用于PC機(jī)與PLC系統(tǒng)初始化鏈接；unload_tool用于斷開PC機(jī)與PLC系統(tǒng)鏈接；db_read用于從PLC的DB塊中讀數(shù)據(jù)字；db_write用于向PLC的DB塊中寫數(shù)據(jù)字。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過靜態(tài)引入方式訪問PRODAVE動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL（DynamicLinkLibrary）中的例程，即在單元的Interface部分用External指示字列出要從DLL中引入的例程［5］。

4系統(tǒng)調(diào)試

　　為檢驗(yàn)該系統(tǒng)運(yùn)行過程中的可靠性和實(shí)時(shí)性，在某公司開發(fā)的造浪池對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試。將開發(fā)的系統(tǒng)安裝到現(xiàn)場(chǎng)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)程序的部分參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，采用不同的波形（左右浪、排浪、鉆石浪、搖擺浪等）進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過多次測(cè)試，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)的參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)都能夠正常實(shí)現(xiàn)所需的波形，并對(duì)浪高、造浪間隔、波形等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。同時(shí)與之前系統(tǒng)相比，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能耗大大減少?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)性能表現(xiàn)比之前系統(tǒng)效果更加良好，系統(tǒng)也更穩(wěn)定、可靠。

5結(jié)束語

　　提出了基于PLC的人工造浪監(jiān)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)中采用了PID數(shù)字控制技術(shù)，利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的壓力作為反饋參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)上位機(jī)對(duì)人工造浪系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)不僅滿足了系統(tǒng)的使用要求，而且比現(xiàn)有人工造浪監(jiān)控系統(tǒng)更加節(jié)能。該監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了人工造浪監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性, 在人工造浪領(lǐng)域值得推廣應(yīng)用。

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