研究污水管道流量計在自動化生產(chǎn)過程中的運用

摘要：在自動化生產(chǎn)過程中，需要收集電量、壓力、流量、溫度等參數(shù)，并對這些參數(shù)分析。將相關(guān)設(shè)備、傳感器通過接口和 PLC連接，從而實現(xiàn)流量和壓力控制。基于此，文章*先提出 PLC 的概念，進而探究基于 PLC 的流量與壓力控制系統(tǒng)的應(yīng)用。
引言
隨著我國工業(yè)技術(shù)水平不斷提升，當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)隊液體流量控制精度也隨之提升。傳統(tǒng)的流量控制由于誤差大、控制精度低、無法實時監(jiān)控，無法滿足自動化生產(chǎn)要求。而應(yīng)用 PLC 自動化控制技術(shù)，可以進一步加強工業(yè)生產(chǎn)的流量控制，再加上當(dāng)今 PLC 技術(shù)不斷成熟，其應(yīng)用范圍也在不斷擴大，有助于實現(xiàn)工業(yè)自動化、高精度生產(chǎn)。因此，加強PLC 在流量、壓力控制系統(tǒng)中應(yīng)用研究有著重要意義。
1 PLC 控制系統(tǒng)與 PID 系統(tǒng)相關(guān)闡述
1.1 PLC 系統(tǒng)
PLC 是一種可編程控制器，其核心是微處理器，可以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一項新技術(shù)。作為微機技術(shù)的衍生品，PLC 不僅邏輯功能強，同時還具有數(shù)據(jù)傳輸功能、數(shù)據(jù)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，但是實際控制精度較低。在傳統(tǒng)繼電器邏輯控制當(dāng)中，多數(shù)都是采用手動完成，難以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，難以處理系統(tǒng)模擬量，再加上電氣結(jié)構(gòu)設(shè)置較為復(fù)雜、可靠性不足、缺乏穩(wěn)定性，不利于檢修和維護。
現(xiàn)代化 PLC 設(shè)備具有體積小、性價比高、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，可以安裝到很多標(biāo)準(zhǔn)尺寸空間內(nèi)。應(yīng)用 I/O 連接器有助于降低接線成本，可以騰出更多的接線空間。再者，I/O 可以擴展到 256 個點，可以連接 4 個以上特殊功能模塊。基于PLC 控制流量與壓力的控制系統(tǒng)主要包括控制器、變頻器、傳感器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、接口等部分。
1.2 PID 系統(tǒng)
在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，應(yīng)用作為廣泛的調(diào)節(jié)器就是以比例、積分、微分的控制系統(tǒng)，也就是 PID 系統(tǒng)。利用 PID 運 算、調(diào)節(jié)功能，可以更好的對參數(shù)輸出信號整定，輸送到變頻器當(dāng)中，從而控制電機轉(zhuǎn)速。如今 PID 控制器在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，具有 PID 參數(shù)自整定功能，實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，從而對壓力、流量、溫度、液位監(jiān)控。
新時期下，PID 控制器也得到了發(fā)展，結(jié)合控制理論、智能控制理論等優(yōu)勢，也推出了多個新型的 PID 控制器，如自矯正 PID、專家自適應(yīng) PID、非線性 PID 等，讓 PID 控制超出了線性、非時性范圍。
2 基于 PLC 的流量與壓力控制系統(tǒng)運用
PLC 流量與壓力控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，主要是應(yīng)用了 PID、比值控制，從而實現(xiàn)流量與壓力的自動化控制，保證控制精度。其主要表現(xiàn)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、計算簡單等優(yōu)勢，在工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，適合構(gòu)建精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，提升控制系統(tǒng)的功能。工業(yè)生產(chǎn)中的流量具有非線性、時變性特點，因此難以構(gòu)建精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。在實際生產(chǎn)當(dāng)中，應(yīng)用 PID 可以有效解決自動化系統(tǒng)內(nèi)流量與壓力控制問題。
通過應(yīng)用污水管道流量計來實時獲取供液流量信息，在整個信息采集過程中，可以同時對數(shù)據(jù)放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換操作，之后 PLC 讀入處理后的數(shù)據(jù)，PLC 系統(tǒng)將實時流量數(shù)據(jù)信息和額定流量數(shù)據(jù)（預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)）信息進行對比，通過 PID運算即可得出目標(biāo)控制值，并將控制值進行 D/A 轉(zhuǎn)換之后應(yīng)用到電動調(diào)節(jié)閥上。電動調(diào)節(jié)閥可以結(jié)合給定控制值做出相應(yīng)的動作，自動化調(diào)節(jié)閥門開啟度。整個操作流程可以劃分為比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)，分別對應(yīng)“P”、“I”、“D”。
（1）比例環(huán)節(jié)。整個系統(tǒng)運行誤差可以通過比例形式直接反應(yīng)出來，如果系統(tǒng)運行中產(chǎn)生了偏差問題，則會根據(jù)采集的實時數(shù)據(jù)控制器立刻發(fā)送命令作出動作，從而減少系統(tǒng)偏差。
（2）積分環(huán)節(jié)。針對系統(tǒng)的靜誤差主要是在積分環(huán)節(jié)消除或縮小，對系統(tǒng)誤差率進行改善。積分環(huán)節(jié)運行和積分時間常數(shù)有著直接關(guān)聯(lián)，積分常數(shù)越大，則積分作用越弱；反之，積分常數(shù)越小，積分作用越強。
（3）微分環(huán)節(jié)。誤差信號比變化度在微分環(huán)節(jié)中顯示，同時可以在誤差信號變大前，在系統(tǒng)中引出一個有效的早期修正信號，從而提高整個系統(tǒng)的運行效率，縮短整個調(diào)節(jié)流程的周期。
在實際應(yīng)用中，要結(jié)合對象實際情況選定 PID 參數(shù)，也可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗總結(jié)確定。幅值振蕩系數(shù)通過比例系數(shù)控制，一旦比例系數(shù)增加也會提升振蕩系數(shù)，通過降低振蕩頻率計可以有效提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定時間。響應(yīng)速度快慢主要是決定于積分系數(shù)，如果積分系數(shù)增加則會降低響應(yīng)速度，反之則會增加相應(yīng)速度；微分系數(shù)可以消除靜態(tài)誤差，通常在實際應(yīng)用中會將靜態(tài)誤差設(shè)置小一些，這樣可以減少對系統(tǒng)干擾。
 2.2 流量與壓力比值控制
在工業(yè)自動化生產(chǎn)當(dāng)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按照相關(guān)比例控制系統(tǒng)，也就是比值控制系統(tǒng)。比值控制法可以劃分為開環(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)。*簡單的方法就是開環(huán)控制，而單閉環(huán)控制可以有效對開環(huán)系統(tǒng)完善，但該方案也有不足之處，即只有一個副流量、壓力閉環(huán)控制，缺少主流量閉環(huán)控制。
結(jié)合比值控制原理可知，在流量和壓力閉環(huán)控制中，*個閉環(huán)控制就是主流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，在完成了主流量設(shè)置之后，借助閉環(huán)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)作用，*大程度上消除擾動誤差帶來的影響，這樣即可提高主流量的穩(wěn)定性，維持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，整體上主流量閉環(huán)控制是一種恒值（范圍）控制系統(tǒng)。*二個閉環(huán)控制系統(tǒng)是副流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，副流量輸入量是根據(jù)檢測、變送后流量信號與比值系數(shù)的乘積。整個副流量閉環(huán)控制系統(tǒng)主要包括副控制器、變送器、泵變頻器、檢測點等。
3 基于 PLC 的流量與壓力報警系統(tǒng)設(shè)計
3.1 硬件系統(tǒng)
報警系統(tǒng)作為整個控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括 PLC、流量傳感器、壓力傳感器、語音電路、揚聲器等。
選擇*新的 PLC，確保可以滿足項目要求，同時可以根據(jù)實際使用要求實現(xiàn)多個量擴展。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，實際應(yīng)用中受溫度、密度、介質(zhì)粘度、壓力等參數(shù)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，無需人工編寫程序，可以帶動 256 個負載。該儀器可以保證長期穩(wěn)定運行，并且適應(yīng)性非常強。選擇高精度壓力傳感器，同時滿足穩(wěn)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(nèi)部采用了標(biāo)準(zhǔn)的螺紋引壓測量方法。在高精度壓力傳感器應(yīng)用中，應(yīng)采用密封的齊平膜片，避免安裝應(yīng)力對產(chǎn)品造成負面影響，并配置安全柵。采用智能（AI）語音芯片，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(qū)動揚聲器，具有 MIDI 電子音樂處理能力，放映操作更加靈活，輸出指示量多，可以采用多個封裝方法，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(tǒng)
結(jié)合生產(chǎn)實際標(biāo)準(zhǔn)與硬件特性，編寫自動控制報警的系統(tǒng)編寫。在物理量編寫過程中，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，針對相同部分程序采取模塊化設(shè)計方法。根據(jù)物理量相似特性，可以采用子程序?qū)?shù)據(jù)量轉(zhuǎn)化、運算程序段進行編程。子程序編寫中，要定義符合條件的輸入量、輸出量、中間變量數(shù)據(jù)模型，將相關(guān)的量轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一運算的模型，對子程序中的量進行加、 減、乘、除數(shù)學(xué)運算。并在主程序中調(diào)用子程序，并賦予子程序運行的額定數(shù)值，可以實現(xiàn)連續(xù)兩次調(diào)用。
在程序運行前要先進行初始化設(shè)定，包括流量傳感器管腳定義、壓力傳感器管腳定義、語音系統(tǒng)初始化。在完成初始化操作后，可以設(shè)置流量、壓力參數(shù)，主要包括流量報警和壓力報警的上限、下限以及報警次數(shù)、音量等。在上述內(nèi)容調(diào)整完畢之后，即可正常運行控制報警系統(tǒng)，*先對流量傳感器、壓力傳感器通電，并采集流量和壓力數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為電壓值、電流值，并傳輸給模擬量輸入模塊，*終轉(zhuǎn)化為 PLC 可以識別的數(shù)字量，根據(jù) PLC 數(shù)值與接口傳輸類型，對數(shù)據(jù)進行預(yù)算、對比等操作，從而在PLC 可以達到報警限值數(shù)字量傳輸給模擬量輸出模塊，輸出模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電流、電壓信號傳遞給語音模塊，即可實現(xiàn)語音段尋址功能，生成控制信號，*后將語音系統(tǒng)中設(shè)定的語音報警在揚聲器中播放出來。
4 結(jié)束語
綜上所述，為了能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，基于 PLC 編程的 PID、比值控制方法在工業(yè)自動化生產(chǎn)應(yīng)用中有著重要意義，不僅能夠有效提升流量控制精度、滿足自動化生產(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(tǒng)，如果流量、壓力運行參數(shù)超標(biāo)無法控制，則系統(tǒng)會自動發(fā)出語音警報，從而快速解決系統(tǒng)問題。這樣才能夠充分發(fā)揮 PLC 的應(yīng)用效果。