PID控制在集中過(guò)濾系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李遠(yuǎn)彬，杜書(shū)權(quán)，高超浪

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

PID控制在集中過(guò)濾系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李遠(yuǎn)彬，杜書(shū)權(quán)，高超浪

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

為了滿足集中過(guò)濾系統(tǒng)供液時(shí)壓力盡量穩(wěn)定的要求，提出了一種基于PID控制（比例-積分-微分控制）變頻泵的運(yùn)行系統(tǒng)。較之于傳統(tǒng)工頻啟動(dòng)電機(jī)泵，有效避免了電機(jī)啟動(dòng)/停止過(guò)程對(duì)管網(wǎng)內(nèi)部的壓力沖擊。再配合PLC控制（可編程邏輯控制）增加或減少投入運(yùn)行泵的臺(tái)數(shù)，拓寬了供應(yīng)切削液的流量范圍?，F(xiàn)已經(jīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)工廠加工中心水基切削液的供應(yīng)，實(shí)踐表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有控制效果好，適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，滿足工程上的應(yīng)用要求。

機(jī)械加工；集中過(guò)濾系統(tǒng)；PID控制；PLC控制

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.056

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-163-03

引言

隨著工廠對(duì)節(jié)能減耗要求的不斷提高，給加工機(jī)床集中供應(yīng)切削液的方式逐漸成為主流。與每臺(tái)機(jī)床都配一套分離循環(huán)系統(tǒng)的單機(jī)過(guò)濾方式相比，集中過(guò)濾系統(tǒng)很好地降低投資和運(yùn)行成本，節(jié)省廠房面積，并在減少故障率、節(jié)能降耗、改善工作環(huán)境等方面具有突出的優(yōu)勢(shì)[1]。但集中過(guò)濾系統(tǒng)的工頻供液水泵隨著機(jī)床的用液量變化，在啟動(dòng)/關(guān)閉瞬時(shí)會(huì)對(duì)供液管路造成沖擊，而引起供液壓力和流量的大幅變化，進(jìn)而造成機(jī)床加過(guò)不穩(wěn)定。采用PID控制變頻泵的方式能有效降低電機(jī)在啟動(dòng)/停止瞬時(shí)對(duì)供液管路的沖擊[2]，為滿足機(jī)床對(duì)恒定供液壓力的需求，提供了技術(shù)支撐。再通過(guò)增加或減少投入運(yùn)行的供液泵臺(tái)數(shù)，極大地?cái)U(kuò)大了能供應(yīng)切削液的流量范圍，以滿足一條或多條生產(chǎn)線上多臺(tái)機(jī)床對(duì)切削液的大量用液需求。

1、變頻恒壓功能

集中過(guò)濾系統(tǒng)具備變頻恒壓功能，主要是依靠壓力傳感器、模擬量輸入輸出模塊、PLC控制器、變頻器和供液水泵等部件構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)。

變頻恒壓集中過(guò)濾系統(tǒng)工作過(guò)程如下：

壓力傳感器持續(xù)監(jiān)控供液管道的壓力，并將壓力以模擬量信號(hào)的形式輸出給模擬量輸入模塊。模擬量輸入模塊將壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的壓力值轉(zhuǎn)化為PLC可以處理的數(shù)字量。PLC控制器采集來(lái)自壓力傳感器的模擬量輸入信號(hào)，然后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析于處理后，通過(guò)模擬量輸出模塊給變頻器一個(gè)能連續(xù)控制變頻器頻率和電壓的電流信號(hào)。變頻器根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)供液水泵的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)水泵隨外界負(fù)載的變化而隨動(dòng)。水泵運(yùn)行工況的變化，進(jìn)而會(huì)影響供液管路的壓力。如此閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)供液管路壓力相對(duì)穩(wěn)定的目的。

可以看出PLC控制器的分析處理能力是變頻恒壓控制系統(tǒng)的核心，而這種分析能力是通過(guò)PLC自帶的PID控制功能實(shí)現(xiàn)的。

2、PLC實(shí)現(xiàn)PID控制

2.1 PID控制

PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。在做出正確的測(cè)量和比較后，PID控制器能很好的糾正系統(tǒng)。其輸入e (t）與輸出u (t）的關(guān)系為[3]：

它的傳遞函數(shù)為：

其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時(shí)間常數(shù)； TD為微分時(shí)間常數(shù)。

PID控制具有不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性等特點(diǎn)，非常適用于工程上對(duì)模擬量的控制。

2.2 PLC實(shí)現(xiàn)PID控制方式

利用PLC對(duì)供液壓力進(jìn)行PID控制時(shí)，可以采用PID過(guò)程控制模塊、PID功能指令和自編PID程序三種方法來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。PID過(guò)程控制模塊是PLC生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的，存放在模塊中，使用時(shí)只需設(shè)置參數(shù)，具有使用方便的特點(diǎn)，但是價(jià)格較高；一般PLC都自帶PID控制的功能指令塊，如GE的PID IND指令塊，通過(guò)與模擬量輸入輸出模塊搭配使用，可以達(dá)到PID過(guò)程控制模塊的功能，成本上會(huì)便宜許多；在沒(méi)有自帶PID控制指令或者想采用改進(jìn)的PID控制算法，用戶可以自己編制PID控制程序[4]。本文著重于研究使用PID控制指令實(shí)現(xiàn)PID控制功能。如通用電氣GE的PAC PLC控制系統(tǒng)的自帶PID指令，各操作功能如下表：

表1 PID控制指令描述

PLC PID變頻恒壓供液系統(tǒng)閉環(huán)控制原理：當(dāng)實(shí)際供液壓力反饋值小于設(shè)定值時(shí)，PID模塊通過(guò)增加模擬量輸出值（CV）來(lái)達(dá)到加速水泵電機(jī)的運(yùn)行；當(dāng)實(shí)際供液壓力反饋值大于設(shè)定值時(shí)，PID模塊通過(guò)減小模擬量輸出值（CV）來(lái)達(dá)到減速水泵電機(jī)的運(yùn)行；PLC PID通過(guò)不斷的修正模擬量輸出值的大小來(lái)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而讓管網(wǎng)供液壓力穩(wěn)定。如圖1所示：

圖1 PID控制原理圖

3、PLC控制邏輯

一臺(tái)泵能夠提供的供液流量是一定的，為了擴(kuò)大供液范圍，通常用多泵組合工作的方式，其中每個(gè)泵都能工頻和變頻運(yùn)行。但系統(tǒng)中只有一臺(tái)變頻水泵運(yùn)行，其他泵根據(jù)實(shí)際需要來(lái)決定是否工頻運(yùn)行。以2個(gè)供液水泵為例，其控制邏輯如下圖所示：

圖2 2供液水泵變頻控制原理圖

系統(tǒng)要正常工作的必要條件是箱體里面存儲(chǔ)的切削液必須高于最低標(biāo)示液位。當(dāng)?shù)陀谧畹鸵何粫r(shí)，供液泵會(huì)出現(xiàn)吸空現(xiàn)象，此時(shí)要求系統(tǒng)立即停機(jī)。在液位高于低液位的前提條件下，系統(tǒng)啟動(dòng)一個(gè)變頻泵運(yùn)行，并實(shí)時(shí)監(jiān)控管路壓力。為避免管路壓力變化，導(dǎo)致工頻泵頻繁啟停對(duì)管路供液造成沖擊。只有在延時(shí)一定的時(shí)間內(nèi)壓力持續(xù)低于設(shè)定壓力，供液工頻泵才會(huì)啟動(dòng)。工頻泵啟動(dòng)后，變頻泵會(huì)減低轉(zhuǎn)速以滿足管路設(shè)定壓力。若管路壓力經(jīng)過(guò)延時(shí)后，一直高于設(shè)定壓力，系統(tǒng)則會(huì)選擇退出工頻泵。隨著外界供液需求的變化，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定壓力，自動(dòng)地不斷反復(fù)調(diào)節(jié)，以保證供液壓力的穩(wěn)定。

4、結(jié)論

通過(guò)以上分析和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的使用情況可知，變頻恒壓控制的集中過(guò)濾系統(tǒng)能夠滿足工廠對(duì)大流量下供液壓力穩(wěn)定的要求。于單機(jī)過(guò)濾裝置相比，系統(tǒng)采用了集中供液和變頻控制技術(shù)，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，較高的可靠性。于工頻控制相比，變頻恒壓控制改變了定量供應(yīng)方式，降低了管網(wǎng)壓力的波動(dòng)且在節(jié)能降耗上效果顯著。

[1] 李浩,王樹(shù)春,王永峰.針對(duì)車橋生產(chǎn)的切削液集中過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工程建筑與設(shè)計(jì),2011,8(3):54-56.

[2] 王宏巖.基于PLC的多泵循環(huán)變頻恒壓供水系統(tǒng)[OL].豆丁網(wǎng)（http://www.docin.com） .

[3] 李景志.分布式水利灌溉自動(dòng)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].蘭州：蘭州理工大學(xué),2008.

[4] 范永勝,王岷.電氣控制于PLC應(yīng)用[M].中國(guó)電力出版社,2004.

PID control application research in the filtration system

Li Yuanbin, Du Shuquan, Gao Chaolang
(SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd, Guangxi Liuzhou 545007)

A system based on PID (Proportional-Integral-Derivative) control of variable frequency pump operation was proposed in order to satisfy requirments for liquid pressure stability as far as possible. Compared with the traditional power frequency start motor pump, effectively avoid the shock pressure when motors start or stop. Combined with PLC (programmable logic control) increases or decreases in pump stations ,the scope of the fluid flow was broaden . Now used for engine factory fluid supply. Practice shows that the system runs stably , has good control effect and characteristics of adaptability, meet the requirements of engineering application.

Mechanical processing; The central filtration system; PID control; PLC control

U463.6

A

1671-7988 (2016)12-163-03

李遠(yuǎn)彬（1987-），男，電控工程師，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向電氣自動(dòng)化。