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液位自动控制系统仿真平台的设计与研究

2021-06-01蒋俊 唐庚 范建设

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液位自动控制*仿真*PLC以锥形容器作为调节对象,利用现场广泛应用的PLC控制技术,对其液位进行自动调节。

    拥有较高的技术水平和操作技能的操作人员和技术人员是一个现代化企业成功运行的重要标志。为了对员工进行无风险性的岗位操作培训,开发一套自动控制仿真平台势在必行。因此,通过对武汉钢铁(集团)公司内各类PLC技术、液位控制技术、容器体积模型变换技术进行深入调研,确定设计了1套广泛应用于现场的液位自动控制系统仿真平台。

1 系统结构设计

    液位自动控制仿真平台以锥形容器作为调节对象,运用先进的S7系列中PLC控制技术,融入目前先进的变频技术并结合新的调节控制理论以及容器体积模型变换理论实现了锥形容器的液位自动控制的目的。运用了强大的STEP 7程序设计软件、WINCC界面设计软件及SQL数据库软件实现了界面友好的人机对话画面。系统框图如图1,实物效果图如图2。

液位自动控制系统框图

图1 液位自动控制系统框图

仿真平台实物效果图

图2 仿真平台实物效果图

    1.1 控制回路设计

    为了使仿真平台能够真实模拟现场的生产控制方式,满足对员工的实际操作教学及考试的要求,设计了2套控制回路。回路1如图3所示,为容器排水回路;回路2如图4所示,为容器补水回路。本仿真平台中2个回路可单独使用,也可同时使用。单独使用回路1时,需将回路2中的变频控制器启动并选择适当的工作频率,且处于长期的工作状态;单独使用回路2时,同样需要将回路1中的电动调节阀置于适当的开度;同时使用2个回路时,需注意参数整定的先后顺序。

容器排水回路图

图3 容器排水回路图

容器补水回路图

图4 容器补水回路图

    1.2 控制方案设计

    1.2.1 锥形容器体积-高度变换原理

    本仿真平台调节对象为一锥形容器,在容器补水量和排水量一定但不相等时,被调参数液位高度随时间的变化呈抛物线关系。这使得调节系统在调节的过程中,被调参数液位高度难以快速稳定下来。为此,需对锥形容器进行体积变换,即将锥形容器的被调参数液位高度变换为柱形容器的液位高度,因为柱形容器在补水量和排水量一定但不相等时,液位高度与时间的变化呈线性关系,便于调节。如图5所示,设锥形容器的底面半径为r1,高为h1,任意时刻T的液面半径为rx,液面高度为hx,液体体积为Vx;柱形容器的底面半径为r2,液体体积为Vy,hy为Vy=Vx时的柱形容器的液面高度。则由圆锥体和圆柱体的体积公式可得:

锥形容器与柱形容器等体积变换示意图

图5 锥形容器与柱形容器等体积变换示意图

体积公式

    又由rx/r1=hx/h1可知,rx=hx/h1xr1,代入式(3)可得:

公式

    由于r1、r2、h1是容器的设计参数,为定值,于是设系数K=(r1/r2h1)2,则有:

公式

    从而,通过式(4)的转换关系,以hy作为被调参数,可以提高调节系统的稳定性和准确性。

    本仿真平台设计了2个测控回路,根据2个测控回路的不同组合可以设计出多种调节控制方案,而不同的调节控制方案可以模拟出不同的现场工艺设备。

    1.2.2 控制方案描述

    1)控制方案1。将变频器频率设定为40hz,使水泵工作在某一恒定的转速下,保证锥形容器有一恒定的补水量,通过调节电动调节阀来完成锥形容器液位的控制。图6是一个典型的单回路调节系统框图,此时利用手动给定将变频器的频率设定在40hz,液位变送器的测量值输入到PID调节器并与设定值进行比较,调节器的输出直接控制电动调节阀的开度,从而使锥形容器的液位得到稳定。

控制方案1系统框图

图6 控制方案1系统框图

    2)控制方案2。将电动调节阀打开并使其工作在40%的固定开度下,使锥形容器有一恒定的排水量,通过给定变频器频率,控制水泵的转速来完成锥形容器液位的控制。图7也是一个典型的单回路调节系统框图,此时利用手动给定将电动调节阀的开度控制在40%,液位变送器的测量值输入到PID调节器并与设定值进行比较,调节器的输出直接控制变频器的输出频率,使水泵获得相应的转速,从而使锥形容器的液位得到稳定。

控制方案2系统框图

图7 控制方案2系统框图

    3)控制方案3。图8所示的系统框图是对图6和图7两个单回路调节系统的叠加,补水量和排水量都是动态的。通过调节器Ⅰ调节电动调节阀的开度,控制锥形容器的排水量。通过调节器Ⅱ给定频率,控制水泵的转速,进而控制锥形容器的补水量。通过控制排水量和补水量的平衡来控制锥形容器的液位。

控制方案3系统框图

图8 控制方案3系统框图

    不同的调节控制方案实现控制的难易程度、控制效果与PTD参数整定的方法均不同。这不仅能使操作人员直观地认识PTD参数,还能使其逐步深入地掌握PTD参数整定的各种方法。这对操作人员实际操作能力的培养和考试有着深远的意义。

    1.3 主要硬件说明

    这套仿真平台除了使用了Siemens S7-300控制器、传统的Siemens I/O模块,还采用了变频器、水泵、电动调节阀、翻板液位计、差压变送器。

    1.3.1 变频器MM440

    变频器MM440根据电流的大小控制输出的频率。通过变频器基本操作板(BOP)可以对水泵进行参数组态,使水泵的转速0~2760r/min与变频器的控制频率0~50hz呈抛物线的关系,从而实现电机转速与控制电流呈基本线性的关系。

    1.3.2 电动调节阀

    电动调节阀根据AO模块送出的4~20mA电流信号控制调节阀0°~90°角度行程。控制调节阀的电流信号通过电子伺服控制器对执行机构进行定位,大大提高了定位精度。该调节阀同时采用电子限位和机械限位,很好地保证了调节的精度和定位的准确性。

    1.3.3 磁翻板液位计

    磁翻板液位计用于测量容器液位,并对实际液位进行监视,同时输出2路报警信号———高位报警、低位报警。另外,磁翻板液位计的测量值可以通过AI模块引入到PLC,但是这个测量值是电阻信号,要经过一系列的线性变换才能正确显示以mmH2O为单位的液位值,这可以作为一项编程的重要考点。

    1.3.4 差压变送器

    差压变送器有2台,1台EJA差压变送器用于测量容器液位高度并参与控制,1台rosemount差压变送器用于仪表校准的教学与考试。

2 系统软件设计

    2.1 系统软件介绍

    2.1.1 STEP 7

    STEP 7是用于对SIMATIC可编程控制器(PLC)进行硬件组态和软件编程的软件包,其中有PID等仪表控制所需的各类软件包,编程非常灵活,采用梯形图和语句表等编程语言,供操作者根据自己的特点进行编程,达到控制现场设备的目的。

    2.1.2 WinCC

    WinCC6.0为画面编程软件,具有强大的数据库、图库功能和控制自动化过程的强大功能,它提供了成熟可靠的操作和高效的组态功能。其预设置的各种软件模块可非常容易地实现和完成监控层的各项功能,并能很好地与Siemens系列的PLC无缝连接。用其作为开发工具,具有开发周期短、灵活等优点。

    2.1.3 SQL

    SQL结构化查询语言,是一种数据库查询和程序设计语言,用于存取数据以及查询、更新和管理关系数据库系统。其主要的功能为面向数据库执行查询;可从数据库取回数据;可在数据库中插入新的记录;可更新数据库中的数据;可从数据库删除记录等。具有功能强大,结构简洁,使用简单,管理方便,可靠性高等特点。

    2.2 PC机与PLC之间的通信

    本仿真平台通过接口网络MPI实现PLCS7-300与安装于PC机上的工控组态软件WinCC之间的通信。在PC机上配置用于MPI通信的网卡CP5611,用专用电缆将其与S7-300的CPU MPI接口进行连接,同时在WINDOWSXP操作系统的控制面板中选择“Set PG/PC Interface”组件,对PC机接口进行软件设置。

    PC机与PLC之间通过MPI通信协议完成设备间的双向通信以实现WinCC中的控制指令能准确无误的送到PLC完成控制,同时也能完成PLC将I/O模块采集到的数据显示到WinCC画面中。

    2.3 人机接口软件的设计

    WinCC可为操作者开发用户程序,建立人机接口。WinCC的主界面进入运行状态后,在开发制作的用户界面中显示了锥形容器的液位、液位各报警信号、水泵、变频器的启/停状态和频率输出值、调节阀的阀位输出值和反馈值、PID各参数设定等。

3 结语

    液位自动控制仿真平台于2010年研制完成,在武钢第13届技术运动会仪表维检工技术状元实际操作考试中得到了充分的运用。由于系统设计构思以现场实际工艺为基础,模块结构灵活,考试题目形式多样,既能考察选手的理论基础知识,也能通过爬坡题选出拔尖人才,受到专家和比赛选手的好一致好评。在今后的技术运动会中,将对现有的仿真平台进行改进,让这套仿真平台继续发挥作用。

    该套仿真平台还被用于仪表专业技师、高级技师实际操作考试、新员工实际操作的技能培训和各种液位系统、四炼钢软水箱液位系统等工程离线模拟在线调试,均起到了较好的效果。仿真平台可模拟现场工艺中各种液位,油位系统,能完成此类系统的离线模拟调试,在公司承接的四炼钢软水系统改造等工程项目中成功模拟了四炼钢软水箱液位系统的在线调试,不仅缩短了现场调试的时间,还为公司节省了大量的编程和调试费用。

责任编辑:程玥
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