1、壓力控制系統(tǒng)的原理分析
壓力控制系統(tǒng)基本原理：控制系統(tǒng)給定量SV由人工智能PID調(diào)節(jié)器設(shè)定，被控量為主管路瞬時壓力，反饋量由擴(kuò)散硅壓力變送器PT檢測并送入數(shù)據(jù)采集卡USB6221 進(jìn)行監(jiān)控然后傳遞給PID調(diào)節(jié)器，并與給定量進(jìn)行比較，PID調(diào)節(jié)器按PID控制算法計算出實時控制量以控制變頻器，實時調(diào)節(jié)水泵的出水量，從而調(diào)節(jié)管路中的瞬時壓力，以達(dá)到壓力控制的目的。
2、壓力控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計與連接
被控對象由擴(kuò)散硅壓力變送器、YR-GAD905-020-12-HLNN-P-T人工智能PID調(diào)節(jié)器、西門子變頻器、NI USB6221數(shù)據(jù)采集卡、水箱、管路等有機(jī)地組成，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡與LabView軟件相連，對控制過程進(jìn)行實時監(jiān)測。
2.1擴(kuò)散硅壓力變送器
選用YR-801AG4E1NM4擴(kuò)散硅壓力變送器測量主管路的壓力。YR-801AG4E1NM4屬于擴(kuò)散硅壓阻式壓力變送器，是一種經(jīng)濟(jì)型壓力變送器。具有經(jīng)濟(jì)適用、精度0.25%、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力等領(lǐng)域。
2.2DAQ 模塊的選型
采用NI USB-6221型數(shù)據(jù)采集卡采集主管路中的瞬時壓力，反饋給智能儀表。NI USB-6221是一款USB高性能多功能DAQ模塊，經(jīng)優(yōu)化在高采樣率下也能保持高精度。DAQ模塊即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時間，同時它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本并簡化了信號的連接。
2.3YR-GAD人工智能PID調(diào)節(jié)器
YR-GAD905-020-12-HLNN-P-T人工智能PID調(diào)節(jié)器采用先進(jìn)的人工智能PID控制算法，控制精度高，無超調(diào)，具有模糊自整定功能。儀表輸出采用模塊化硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，可通過更換不同的功能模塊實現(xiàn)多種控制方式。
2.4變頻器介紹
變頻器選用的是SINAMICS V20，其由微處理器控制，具有很高的運行可靠性和功能多樣性。無需調(diào)試軟件，通過簡單參數(shù)設(shè)定即可實現(xiàn)預(yù)定功能。本設(shè)計變頻器具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 變頻器參數(shù)設(shè)置
符號 設(shè)定值 說明
P0756[0] 0 ADC1(模擬量輸入1)，單極性電壓輸入(0-10V)
P0700[0] 2 端子
P0701[0] 1 ON/OFF
P0702[0] 9 故障確認(rèn)
P1000[0] 2 模擬量設(shè)定值
2.5硬件系統(tǒng)接線
PID調(diào)節(jié)器控制的壓力控制系統(tǒng)硬件主接線圖下圖所示。其硬件接線原理分析：系統(tǒng)反饋量由壓力變送器PT檢測并送入數(shù)據(jù)采集卡USB6221進(jìn)行監(jiān)控，然后傳遞給PID調(diào)節(jié)器作為PV，PV與儀表給定量SV進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)器按PID控制算法計算出實時控制量out，來控制變頻器，以達(dá)到控制主管路壓力的目的。
3、控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計與實現(xiàn)
軟件程序設(shè)計是本設(shè)計一個重要環(huán)節(jié)，本設(shè)計利用LabView 軟件進(jìn)行整個監(jiān)控程序的設(shè)計系統(tǒng)總體程序流程圖如下圖所示。
3.1主程序監(jiān)測畫面模塊
采用圖形化編程語言LabVIEW進(jìn)行開發(fā)與設(shè)計。該語言具有直觀、易學(xué)易用、編程系統(tǒng)通用、模塊化等特點，本項目主程序設(shè)計如圖7所示，主要包括電機(jī)控制環(huán)節(jié)、水箱上下限浮子開關(guān)模塊、蜂鳴器模塊、儀表報警模塊等。因本設(shè)計直接采用智能PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，所以本程序未設(shè)計PID模塊。
3.2壓力曲線監(jiān)測模塊
當(dāng)系統(tǒng)運行時在監(jiān)控界面中可以選擇控制對象，本設(shè)計采取設(shè)定值與實時監(jiān)測值在界面中同時顯示，并得到控制曲線。下圖為系統(tǒng)監(jiān)控界面。
系統(tǒng)監(jiān)控框圖程序
系統(tǒng)監(jiān)控界面前面板
4、智能PID控制模塊
采用YR-GAD905-020-12-HLNN-P-T人工智能PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行PID調(diào)整。根據(jù)本項目設(shè)計思路，采用4-20mA信號反饋控制輸出的模式。PID調(diào)節(jié)器相關(guān)主要參數(shù)設(shè)置如表2所示：
表2 PID調(diào)節(jié)器相關(guān)功能參數(shù)設(shè)置
YR-GAD905-020-12-HLNN-P-T人工智能PID調(diào)節(jié)器相關(guān)重要參數(shù)設(shè)置
符號 設(shè)定值 說明
AL1 100 第一報警值
P 37.8(實驗值) 比例
I 4(實驗值) 積分
D 1(實驗值) 微分
Pn 27 輸入信號類型4-20mA
Mode 1 反作用
ouE 1 電流、電壓變送輸出
ouL 0 變送輸出下限值
ouH 100 變送輸出上限值
PL 0 PV測量量程下限值
PH 100 PV測量量程上限值
ctrl 0 單路輸入PID控制
5、系統(tǒng)裝調(diào)與數(shù)據(jù)分析
系統(tǒng)裝調(diào)包括兩個部分，分別是硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。首先要進(jìn)行硬件的調(diào)試工作，檢測變頻器、壓力變送器、電磁閥等是否工作正常等，確認(rèn)傳輸?shù)男盘柺欠衲軌蛘_地輸入DAQ模塊的輸入端口；其次進(jìn)行軟件調(diào)試，對Labview程序進(jìn)行調(diào)試，確認(rèn)其是否運行正常，水泵能夠在變頻器控制器下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等功能。
整個系統(tǒng)通過由DAQ模塊來采集主管路瞬時壓力，傳輸?shù)絇ID調(diào)節(jié)器，通過PID調(diào)節(jié)器設(shè)置PID參數(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，并將控制輸出送給變頻器，來控制水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制水的流量來調(diào)節(jié)主管路的實時壓力。系統(tǒng)運行效果圖如下圖所示。
系統(tǒng)運行界面與數(shù)據(jù)采集
通過反復(fù)實驗驗證，本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，誤差在可控的范圍之內(nèi)。本設(shè)計取設(shè)定值為30kPa，誤差約為±2，符合一般工程規(guī)范要求，達(dá)到預(yù)期目的。
作者：陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張維、王聰慧
