带压力保护的PID流量控制器
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摘 要:工业生产中的流量控制一般采用通用的PID控制器,这种方式的缺点是在控制流量的同时无法控制压力。为了能在控制流量的同时保证压力在允许的范围内,设计了一款带压力保护的流量控制器。该控制器同时采集流量和压力信号,当压力在允许范围内时,进行正常的流量控制。而当压力超标时,降低流量,从而降低压力,以保护设备。详细阐述了控制器的接口电路,并给出了pid算法和控制策略。
关键词:流量控制器; 压力保护; PID; 控制策略
中图分类号:TN919-34文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)17-0187-02
PID Flow Controller with Pressure Protection
LAN Ruo-ming
(Shandong Normal University, Ji’nan 250014, China)
Abstract: Since the general PID controller commonly used for the flow control in industrial production is unable to control the pressurer, PID flow controller with pressure protection is designed to control the flow while maintaining the pressure within the permissible range. The controller acquisits both of the flow and pressure signals, and works for the normal flow control when the pressure is within the allowable range, but reduces the flow to thus remit the pressure and protect the equipment when the pressure becomes excessive. The interface circuit of the controller is elaborated. The PID algorithm and control strategy are presented.
Keywords: flow controller; pressure protection; PID; control strategy
收稿日期:2010-03-30
在钢厂钢材的穿水淬火处理中,钢材需要穿过充满冷却水的水箱,为了保证淬火效果,水泵以一定的流量向水箱中供给冷却水,同时淬火后的温水从出口流出。正常情况下,将流量控制在工艺设定值时,水箱压力不会超压,但如果发生水箱出口堵塞等故障,正常的流量控制就会造成水箱压力超压,淬火效果也会大大降低。针对这一实际情况,这里设计了一款带压力保护的PID流量控制器。该控制器以PIC16F877A单片机为核心[1],在水箱允许的压力范围内对流量进行控制。如果发生管道堵塞等意外情况,则可以自动降低流量,以防止压力过高而达到保护设备的目的,同时报警停止钢材淬火处理。
1 控制器组成及功能
控制器的硬件组成如图1所示。
首先,压力传感器将设备压力送入PIC16F877A单片机,并与设定压力值进行比较,若设备压力超过设定压力则报警,并通过D/A转换控制变频器[2],进而控制水泵降低流量,以降低设备压力,保护设备。再次,流量控制采用闭环控制,若设备压力未超过设定压力,流量计将检测到的流量送入单片机,与设定值进行比较得出偏差,对此偏差按PID算法进行修正,并通过变频器控制水泵转速,实现对流量的控制。本控制器不包含压力和流量的显示,显示由仪器柜上单独的仪表完成。
图1 控制器的硬件组成
2 接口电路
2.1 流量检测电路
本控制器的流量检测电路如图2所示[3]。
流量检测采用的是具有脉冲输出的电磁流量计,其单位时间内输出的脉冲数与流量成正比。
图2 流量信号光电隔离电路
流量计输出的脉冲信号经过光电隔离后送入PIC16F877A的RC0引脚,RC0引脚是单片机内部计数器1的输入引脚[4]。通过将计数单位时间内的脉冲数[5]代入换算公式,即可以计算出相应的流量值。
2.2 压力变换电路
控制器的压力信号变换电路如图3所示[6]。电路中的运算放大器采用LM358,它是单电源供电,使用方便。
图3 压力信号变换电路
压力传感器输出的是4~20 mA电流信号,经变换电路变换为1~5 V电压信号,送入PIC单片机的A/D转换器。
2.3 压力和流量设定
压力和流量的设定采用带刻度的旋钮式电位器分压得到,然后送入PIC16F877A的A/D转换器。
2.4 A/D转换
PIC16F877A内部包含8路10位A/D转换器,分别将压力变换电路的输出、压力和流量设定电路的输出接PIC16F877A的AN0,AN1,AN2引脚,即可完成相应的A/D转换。
2.5 D/A转换电路
D/A转换电路如图4所示。
D/A转换电路采用MAX5154芯片。MAX5154 是12 位双路电压输出数据转换器件, 单端+5 V工作电源,带有SPI串行接口。
PIC16F877A单片机本身具有SPI接口[7],可以方便地与MAX5154连接。单片机输出的串行数字量经MAX5154转换为1~5 V电压信号,LM358组成电压-电流转换电路,将1~5 V转换为4~20 mA,进而实现对变频器控制。
图4 D/A转换电路
3 PID控制算法
本控制器是一个闭环控制系统。首先单片机对被控量(流量)进行采样,并与设定值比较,再经过控制算法算出控制量,以此控制量作为输出控制变频器,进而控制水泵实现对流量的控制,控制框图如图5所示。
图5 控制器闭环控制框图
PID的调节规律按照离散化后的位置式PID 算法近似计算[8]:
ui=KP[Δfi+TTI∑ij=0Δfj+TDT(Δfi-Δfi-1)]+u0
式中:ui为控制量;fi为第i次实际输出值; T为采样周期;KP为比例系数;TI为积分时间;TD为微分时间;u0是偏差为零时的控制电压;Δfi=f0-fi,f0为设定值。为了保证控制精度,采用周期应足够的小。
4 控制器软件组成
控制器软件流程图如图6所示。
图6 软件流程图
软件采用C语言[9]书写,主要完成压力保护、流量控制两大部分功能。其中,压力保护包括压力检测、 压
力报警和压力故障复位;流量控制包括流量检测[10]、PID运算和控制量输出。控制器的控制策略是,当压力在设备允许范围内时,单片机进行正常的流量控制;当压力超出设备设定压力时,单片机控制变频器降低流量,以降低设备压力并报警,检修人员排除故障后,进行压力故障复位,单片机重新开始流量控制。
5 结 语
该控制器采用单片机作为控制核心,运用PID算法,对流量进行连续自动调整,从实际应用来看,精度和可靠性都很高。此外,在控制过程中加入了压力保护,大大提高了设备运行的安全性。
参考文献
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