黃學飛

廣州鐵路職業(yè)技術學院 機械與電子學院，廣東 廣州 510430

　　摘要：針對氣動造浪系統(tǒng)的特點及運行的需要，設計了基于PLC（Programmable Logic Controller）和PID技術的氣動造浪監(jiān)控系統(tǒng)。采用PLC完成了多點造波風罩的壓力數(shù)據(jù)采集和對人工造浪系統(tǒng)的現(xiàn)場控制，采用PID技術實現(xiàn)了造波風罩壓力的精確測量和對控制系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓控制，并建立了氣動造浪系統(tǒng)上位機軟件用戶模塊。使用該具有PID反饋的系統(tǒng)不僅保證了氣動造浪系統(tǒng)正常運行，而且具有節(jié)能效果，也為開發(fā)人工氣動造浪系統(tǒng)提供了良好的啟示和借鑒。

　　關鍵詞：氣動造浪系統(tǒng)；PLC；PID

0引言

　　人工氣動造浪系統(tǒng)主要包括電機和鼓風機組成的空氣供給系統(tǒng)、氣體輸送管路、造波風罩、布置在管路上的配氣閥和對應的控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。工作時，通過電機轉(zhuǎn)動帶動鼓風機正常工作，從而產(chǎn)生高壓氣體，氣體通過配氣閥控制造波風罩氣流的周期性變化實現(xiàn)造浪。配氣閥門每一個工作周期均分為兩個半周期，在前半周期空氣自大氣壓入風罩，而水便從風罩內(nèi)排出，在風罩前形成波峰；而后半周期空氣返回大氣，水被吸入風罩，即在風罩前形成波谷［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)也會不同，因此研究壓力大小與造浪的關系對氣動造浪系圖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，基本上通過對電機采用變頻調(diào)速控制，無壓力反饋，系統(tǒng)有時由于一些原因會造成風罩內(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)運行過程中會增大所需要的壓力來保證系統(tǒng)正常運行，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)總體設計

　　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)主要由上位機監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、變頻器、風機、壓力傳感器、閥門分配系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)運行控制過程中，上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過RS232與RS485轉(zhuǎn)換器向PLC控制系統(tǒng)發(fā)出運行控制指令，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)運行指令控制風機的運行，從而產(chǎn)生高壓氣體。同時PLC控制系統(tǒng)控制閥門分配系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)運行的需要調(diào)節(jié)高壓氣體是否進入造波風罩，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)進入造波風罩，從而在風罩前面產(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)排出造波風罩，從而在風罩前面產(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)風機的變頻器，以此控制進入風罩的高壓氣體壓力。

　　在本系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)需要較快的運算速度和較強的運行能力，而S7300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（0.6~0.1 μs）的指令運算速度，可以用浮點數(shù)運算，比較有效地實現(xiàn)了更為復雜的算術運算等功能特點，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口材質(zhì)、線切割機加工工藝，一體化結(jié)構(gòu)設計，適用于大型液壓設備等的壓力測量與控制，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)，在風罩內(nèi)采用不同的壓力。當系統(tǒng)處于前半周期時，系統(tǒng)將給風罩增加空氣的壓力。在增加風罩的空氣壓力時，壓力傳感器會將測量的壓力通過變送器轉(zhuǎn)變成電信號，通過信號線送到PLC的CPU中，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)風罩壓力的給定值與反饋回的實際值進行比較，如果測得的壓力低于設定的風罩壓力，系統(tǒng)通過對參數(shù)運算，調(diào)整PID的參數(shù)［2］，按照PID運算規(guī)律計算出結(jié)果，然后控制系統(tǒng)將根據(jù)計算結(jié)果控制變頻器頻率，系統(tǒng)增大變頻器頻率，從而增大風機的轉(zhuǎn)速，進而增大風機輸出的空氣壓力。如果達到了風罩的壓力，壓力傳感器將此時的壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺鹘oPLC后，控制系統(tǒng)將停止給變頻器輸出頻率，將暫停增大風機的轉(zhuǎn)速，從而使風罩的壓力在滿足使用條件的前提下節(jié)省能源。改進前的系統(tǒng)在造浪系統(tǒng)達到設定的風罩壓力后，系統(tǒng)的風機一直按設定的輸出頻率轉(zhuǎn)動，為穩(wěn)定風罩的壓力，系統(tǒng)通過排出空氣的方式進行卸壓，這樣不僅制造了大量的噪音，而且浪費了大量的能源。

　　當系統(tǒng)運行某一波型的壓力時，系統(tǒng)在前半周期會通過控制系統(tǒng)將風罩的壓力穩(wěn)定在所需的壓力。直至系統(tǒng)在后半周期時釋放壓力。如此周而復始，從而在保證系統(tǒng)滿足所需壓力的情況下確保不會浪費過多的能量。

　　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，使PID的參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)在線控制，人工造浪系統(tǒng)實現(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)達到穩(wěn)定壓力的同時使系統(tǒng)能夠以較低能耗運行，從而達到節(jié)能運行系統(tǒng)的目的。

3系統(tǒng)實現(xiàn)

　　3.1上位機監(jiān)控系統(tǒng)

　　上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)實時顯示氣動造浪系統(tǒng)的運行狀態(tài)、管理整個系統(tǒng)的運行和對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理。主要模塊包括實時監(jiān)控和報警、系統(tǒng)參數(shù)配置、系統(tǒng)運行管理、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。　

　　上位機監(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，具有功能強大、簡便易用和代碼執(zhí)行速度快等優(yōu)點。該開發(fā)工具不僅具有可視化的特點，而且具有強大的數(shù)據(jù)庫支持、與Windows編程緊密結(jié)合、強大而成熟的組件技術、簡單易學等特點［3］。數(shù)據(jù)庫采用微軟開發(fā)的SQL。監(jiān)控中心系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互采用ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術。

　　上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是顯示氣動造浪過程中運行實時狀態(tài)、采集和處理氣動造浪過程中的空氣壓力數(shù)據(jù)等。為保證這些任務具有實時性，需要系統(tǒng)支持多任務和并行處理多任務。在開發(fā)上位機監(jiān)控系統(tǒng)時采用了多線程技術。根據(jù)上位機監(jiān)控系統(tǒng)運行需求，上位機監(jiān)控系統(tǒng)需要如下幾個線程：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)的正常運行和系統(tǒng)的實時性，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。其中，系統(tǒng)主線程是系統(tǒng)從開始運行到系統(tǒng)結(jié)束運行的線程，該線程主要負責氣動造浪系統(tǒng)顯示運行狀態(tài)、查詢上位機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及對系統(tǒng)進行交互操作；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)開機后一直運行；數(shù)據(jù)處理線程是系統(tǒng)單獨建立的一個線程，主要任務是處理通過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)對系統(tǒng)進行相應的處理，處理完畢后根據(jù)需要將數(shù)據(jù)保存在SQL數(shù)據(jù)庫中，該線程自數(shù)據(jù)采集線程運行后開始運行。由于采集的數(shù)據(jù)處理過后需要保存在數(shù)據(jù)庫中，計算機在處理這一過程中，需要花費一定的時間，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)庫中而不出錯，在系統(tǒng)中建立了臨時內(nèi)存機制，將需要保存的數(shù)據(jù)臨時保存在內(nèi)存中。在采集數(shù)據(jù)的同時也可以處理數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)“同步”進行。

　　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，中斷程序主要運行在前半周期，這個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運算，并根據(jù)運算結(jié)果把控制量輸出到風機的變頻器，從而控制風機的電機，最終實現(xiàn)風罩壓力的恒壓控制和系統(tǒng)正常運行。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示?！　?/p>

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

　　上位機監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)連接采用RS485串行總線技術。由于RS485串行通信方式采用一對平衡雙絞線作為傳輸媒體，具有多點雙向通信能力，允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，具有傳輸距離長、傳輸速率高、抗干擾能力強、控制方便且成本低廉的特點，故得到了廣泛的應用［4］。由于上位機監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)距離較遠，故采用RS485串行總線技術。因為采用的上位機沒有485接口，只有232接口，所以上位機與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軟件包的動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)氣動造浪監(jiān)控系統(tǒng)的上位機監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)的讀寫操作。上位機監(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。其中，load_tool 用于PC機與PLC系統(tǒng)初始化鏈接；unload_tool用于斷開PC機與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。上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過靜態(tài)引入方式訪問PRODAVE動態(tài)鏈接庫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

　　為檢驗該系統(tǒng)運行過程中的可靠性和實時性，在某公司開發(fā)的造浪池對本系統(tǒng)進行現(xiàn)場安裝調(diào)試。將開發(fā)的系統(tǒng)安裝到現(xiàn)場，并根據(jù)現(xiàn)場對程序的部分參數(shù)進行了調(diào)整。在系統(tǒng)運行過程中，采用不同的波形（左右浪、排浪、鉆石浪、搖擺浪等）進行測試，經(jīng)過多次測試，當系統(tǒng)達到設計的參數(shù)時，系統(tǒng)都能夠正常實現(xiàn)所需的波形，并對浪高、造浪間隔、波形等實現(xiàn)自動控制。同時與之前系統(tǒng)相比，系統(tǒng)在運行過程中能耗大大減少?，F(xiàn)場測試表明，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，利用現(xiàn)場測試的壓力作為反饋參數(shù)對系統(tǒng)進行控制，同時上位機對人工造浪系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。通過試驗表明，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)的應用，提高了人工造浪監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實時性, 在人工造浪領域值得推廣應用。

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