高温泵水温控制系统研究论文

时间：2021-09-07 09:09:53 论文范文我要投稿

高温泵水温控制系统研究论文

　　摘要：高温泵试验用水温度控制系统以Ｓ７－３００ＰＬＣ为核心控制模块，调用ＦＢ４１功能块进行ＰＩＤ运算，然后由ＰＬＣ调用脉冲宽度调制器ＦＢ４３将连续变化的模拟量转化为开关量进而控制加热装置。采用分段ＰＩＤ控制，将实际温度值和设定值的偏差分为几个阶段，不同阶段采用不同的ＰＩＤ参数，解决了加热过程中温度超调、波动幅度大以及加热时间长等问题。该方案已应用到实际企业横向课题中，经验证控制精度高、稳定性好。

高温泵水温控制系统研究论文

　　关键词：高温泵；温度控制；分段ＰＩＤ控制

　　随着我国工业化进程的快速发展，高扬程高速泵用于输送高温介质已很普遍。如核电用泵一般都在高温高压条件下工作，其性能及运行可靠性将直接对核电能力及安全产生影响［１－３］。所以出厂前必须对该类泵进行试验。传统的水泵控制系统主要是由继电器控制线路组成，存在诸多不足，本文采用ＰＬＣ控制提高了系统的自动化水平。相对传统水泵微机测试系统而言，其处理速度快、精度高、抗干扰能力强以及实时控制性更好［４－５］。本文以某企业具体横向课题为研究背景，采用Ｓ７－３００ＰＬＣ核心控制系统来实现高温离心泵闭式管路试验，主要分析了温度控制系统，控制过程中采用分段ＰＩＤ控制方法、调用ＦＢ４３功能块将连续变化的模拟量转化为周期性输出的脉冲串，通过固态继电器实现对加热装置的开关控制。

　　１温度控制系统设计

　　１．１温度控制回路组成

　　被试泵为高温泵，做闭式管路试验时需将储水罐内水温加热到指定数值。本试验加热装置是在罐体底部内置的加热棒。控制系统采用Ｓ７－３００ＰＬＣ为控制模块，上位机采用易控组态软件为监控平台，主要进行人机界面设置以及泵的性能分析。利用ＰＴ１００温度传感器进行温度采集，温度信号经过压力变送器后传输给ＰＬＣ的模拟量输入模块ＳＭ３３１，经过ＰＬＣ滤波处理后得到实际温度值，作为过程变量ＰＶ进行下一步计算。利用设定温度值ＳＰ与过程变量ＰＶ的偏差进行ＰＩＤ运算，将ＰＩＤ运算结果以周期性脉冲串输出到固态继电器，由固态继电器控制加热装置，整个控制过程构成一个闭环控制系统。ＰＬＣ通过模拟量采集模块ＳＭ３３１反馈回来的实时温度ＰＶ，获取偏差值ＥＲ，偏差经过ＰＩＤ调节器运算输出，控制加热装置加热时间，以克服偏差，促使偏差趋近于零，温度控制框图见图１。ＰＩＤ输出为模拟量，加热装置的开关为开关量，试验中ＰＬＣ调用ＦＢ４１功能块进行ＰＩＤ运算，然后再调用脉冲宽度调制器ＦＢ４３，ＦＢ４３的脉冲发生器（ＰＵＬＳＥＧＥＮ）一般与ＦＢ４１的连续调节控制器（ＣＯＮＴ＿Ｃ）一起使用，即将ＦＢ４１的输出作为ＦＢ４３的输入。ＦＢ４３的脉冲发生器可以通过调制脉冲宽度，将其输入变量“ＩＮＶ”（＝ＰＩＤ控制器的输出）转换为一恒定周期的脉冲串，即将连续变化的模拟量转化为周期性脉冲串，通过固态继电器实现对加热装置的开关控制。

　　１．２温度传感器数据采集处理

　　罐体上只有一个温度传感器，受外界温度变化及硬件自身精度等因素影响，采集一个温度信号作为过程变量值并不准确。本试验采用均值滤波的方式来保证其准确性。程序中设定每５０ｍｓ取一个温度值并依次排列，顺序取１０个数值，然后去掉最大最小值，剩余取平均值作为实际温度值。均值滤波部分程序如下（该段程序采用结构化控制语言（ＳＣＬ）编写）：ＶＡＲ＿ＯＵＴＰＵＴＰＩＷ＿ＯＵＴ：ＲＥＡＬ；ＥＮＤ＿ＶＡＲＶＡＲ＿ＴＥＭＰＥＮＤ＿ＶＡＲＶＡＲＰＩＷ＿ＩＮ＿ＲＥＡＬ：ＲＥＡＬ；ＤＡＴＡ＿ＳＴＯＲＥ：ＡＲＲＡＹ［０．．９］ＯＦｒｅａｌ；Ｆ＿ＣＯＵＮＴ：ＩＮＴ；ＴＯＴＡＬ＿ＤＡＴＡ：ＲＥＡＬ；ＥＮＤ＿ＶＡＲＴＯＴＡＬ＿ＤＡＴＡ：＝０．０；ＰＩＷ＿ＩＮ＿ＲＥＡＬ：＝ＰＩＷ＿ＩＮ；ＦＯＲＦ＿ＣＯＵＮＴ：＝０ＴＯ８ＢＹ１ＤＯＤＡＴＡ＿ＳＴＯＲＥ［Ｆ＿ＣＯＵＮＴ］：＝ＤＡＴＡ＿ＳＴＯＲＥ［Ｆ＿ＣＯＵＮＴ＋１］；ＥＮＤ＿ＦＯＲ；ＤＡＴＡ＿ＳＴＯＲＥ［９］：＝ＰＩＷ＿ＩＮ＿ＲＥＡＬ；ＦＯＲＦ＿ＣＯＵＮＴ：＝０ＴＯ９ＢＹ１ＤＯＴＯＴＡＬ＿ＤＡＴＡ：＝ＴＯＴＡＬ＿ＤＡＴＡ＋ＤＡＴＡ＿ＳＴＯＲＥ［Ｆ＿ＣＯＵＮＴ］；ＥＮＤ＿ＦＯＲ。

　　２分段ＰＩＤ控制及提前加热补偿

　　２．１分段ＰＩＤ控制方法应用

　　ＰＩＤ控制规律是通过比例（Ｐ）、积分（Ｉ）以及微分（Ｄ）计算获得输出结果，将ＰＩＤ中的微分部分设置为０，则ＰＩＤ控制变为ＰＩ控制。本文的温度控制系统采用ＰＩ控制。温度控制过程中，在设置比例系数和积分时间常数时，要么超调量过大，要么调节时间过长，难以找到一个合适的比例系数和积分时间。如果引入分段ＰＩＤ控制，将比例系数与积分时间作为变量，而不是整个控制过程用一固定值。当设定值（ＳＰ）与过程变量（ＰＶ）偏差较大时，适当加强比例与积分作用，使ＰＩＤ输出在短时间内迅速增长；当偏差较小时，将比例与积分作用适当减弱，让ＰＩＤ输出减速；当偏差很小时，再进一步减小比例与积分作用，让ＰＩＤ的输出加速度进一步放慢。该控制过程在偏差较大时加快了升温速度，偏差较小时又避免了超调情况出现，使得整个系统的控制性能大大提高［６］。按照上述控制思路将ＰＩＤ分为三段。程序编写时需根据系统的实际情况而定，分段点以偏差率为基准，偏差率等于偏差值ＥＲ除以设定值ＳＰ。当偏差率大于５０％时，比例系数与积分时间分别为ｇａｉｎ１和ＴＩ１；当偏差率在５０％～２０％时比例系数与积分时间分别为ｇａｉｎ２和ＴＩ２；当偏差率小于２０％时比例系数与积分时间分别为ｇａｉｎ３和ＴＩ３。比例系数和积分时间具体数值通过多次试验归纳总结得出。

　　２．２提前加热补偿应用

　　本闭式管路系统需对４种不同规格型号的泵进行试验，４种泵对应管径分别为ＤＮ１５、ＤＮ２５、ＤＮ５０、ＤＮ１００。试验过程如下：当罐体内水温达到设定值时，先开启对应管路阀门，然后开被试泵电机进行试验。由于加热罐为密封罐，管路中水温相对加热罐中水温度低很多，当被试泵初运转时，随着管路中水循环进入加热罐，罐体内水温会急剧下降，管径不同，下降幅度不同，管径越大，下降幅度越大。管径ＤＮ１００的被试泵初运行时，检测到罐体内温度大约降１５℃左右，管径ＤＮ５０的大约降１０℃左右，管径ＤＮ２５的大约降７℃左右，ＤＮ１５管路水温下降不大，采用正常ＰＩＤ调节即可。针对上述问题，为了加快升温速度，在程序中引入提前加热补偿的方法，具体如下：在被试泵开启之前，开阀门时就进行加热补偿，如ＤＮ１００管路，将补偿输出设为２０％，此时正常ＰＩＤ的输出若为２０％，则两者相加之和为４０％，将４０％作为ＦＢ４３功能块的输入。即在温度骤降之前就进行加热补偿，充分了利用这个时间差。当检测到罐体内水温和设定温度值之差在２℃以内，则停止加热补偿，进行正常的ＰＩＤ调节。由ＰＩＤ调节器的.输出工作模式可知ＰＩＤ输出是０％～１００％中的一个值，加上补偿后可能大于１００％，为此将两者之和限幅为１００％。提前加热补偿与正常不进行补偿的调节相比，加热速度明显提升。

　　３结论

　　本文通过调用ＦＢ４３功能块，将ＰＩＤ模拟量输出转化为周期性脉冲串输出，控制加热装置开关。分段ＰＩＤ控制方法的应用使得系统的控制性能得到改善；提前加热补偿提高了加热速度，具体补偿量目前是根据试验多次尝试获得的，后续研究可进一步进行理论验证并寻找出更合适的方法。

　　参考文献：

　　［１］朱祖超．高温高速离心泵的研制［Ｊ］．动力工程，２０００，２（１）：５７６－５７９．

　　［２］沙玉俊，刘树红，吴玉林，等．平衡孔对高温高压离心泵性能的影响研究［Ｊ］．水利发电学报，２０１２，３１（６）：２５９－２６３．

　　［３］马宗毅，曾绍稳．基于ＰＬＣ的液体混合加热温度控制系统设计［Ｊ］．软件开发与应用，２０１７（１２）：１０７－１０９．

　　［４］钱磊，张萌．浅析Ｓ７－２００ＰＬＣ水泵测试控制系统的设计创新［Ｊ］．工程技术与产业经济，２０１０（４）：２６．

　　［５］吴登昊，王洋．基于ＰＬＣ的水泵测试控制系统设计［Ｊ］．农机化研究，２００８（４）：１９５－２０１．

　　［６］申辉阳，申栋梁．封闭式液位控制系统的ＰＬＣ分段ＰＩＤ控制方法［Ｊ］．测控技术，２０１２，４１（２）：３１－３３．

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