仇文君 欧阳峥嵘

(中国科学院强磁场科学中心，合肥 230031)

基于PLC的SHMFF磁体冷却水水温控制系统

仇文君 欧阳峥嵘

(中国科学院强磁场科学中心，合肥 230031)

介绍了一种基于PLC的稳态强磁场实验装置(SHMFF)磁体冷却水水温控制系统。给出系统的硬件构成、软件功能和组态设计。在分析系统工艺机理的基础上，针对磁体入口水温控制超调量较大的问题，提出一种前馈-反馈温度控制策略。结果表明：系统可以在不同磁体上实现稳态精度约±0.2℃、调节时间约3min的控制性能；磁体出口水温TE432作为扰动量起到前馈作用，使超调量降到10%以内。

磁体冷却水水温控制系统 磁体入口水温 前馈-反馈控制 S7-300 PLC PID

稳态强磁场实验装置(SHMFF)是一个为化学、材料、物理及生命等科学研究和多学科交叉研究提供理想稳态强磁场极端实验条件的装置，可最大程度地满足我国多学科前沿发展对强磁场实验条件的需求。作为SHMFF技术装备系统之一的去离子水冷却系统，通过冷却后的自来水和磁体冷却循环水(高纯水)换热，带走磁体线圈通电运行时释放的热量。因此，维持稳定的磁体入口水温是确保磁体标定参数准确、系统安全稳定运行的重要条件。但由于5台水冷磁体的最大功率和运行模式不同，产生的热负荷量及其变化速率也不同，所以采取一种合适的方法对磁体冷却水水温进行控制极其重要。

PID控制器是一种应用广泛的闭环控制器[1]，具有较强的灵活性和适应性，对于无法建立准确数学模型的工业控制对象，使用PID控制器可以得到满意的控制效果。其控制参数也可以在经验数据的基础上，通过被控对象的响应曲线不断调整，以达到最优。然而，传统的PID控制器是基于一种假定的一阶滞后对象设计的，这种对象很难满足现场需求，同时实际系统中热负荷变化大且时延大，传统的PID控制方法难以取得良好的控制效果[2]，超调量常高达20%～30%。因此，笔者针对磁体入口温度控制问题，提出一种前馈-反馈控制策略。在对磁体冷却循环回路工艺机理分析的基础上，选取磁体出口水温作为前馈计算模型，以抑制磁体线圈电流上升速率对系统控制产生的影响，最终通过设计PID控制器实现磁体入口水温的稳定跟踪控制。

1 工艺机理与温度控制策略①

1.1 工艺机理

去离子水冷却系统的单蓄水罐(带布水器)供冷模式的工艺流程如图1所示。

图1 单蓄水罐(带布水器)供冷模式的工艺流程

蓄水罐的罐体中加装了可使冷热水自然分层的布水器，采用夜间蓄冷模式，利用冷水机组制取6℃的冷冻水并存入蓄冷罐中。当磁体实验时，蓄水罐中的冷冻水由冷冻水泵从罐底抽出，经过板式换热器换热后，热水回到罐顶，经过布水器后，自然分布在冷水上方，冷热水之间形成约1m高的自然过渡斜温层，这并不影响斜温层下冷水的使用。同时，磁体冷却水由磁体冷却循环泵输送到磁体容器处，带走磁体运行时释放的热量，热水经过板式换热器和冷冻水换热后又重新进入磁体进行热交换。

磁体实验时，保持磁体入口水温恒定十分关键。若入口水温过高，对于磁体线圈和高纯水的热对流过程来说，温差过小必然影响传热效果，使磁体线圈温度升高、局部过热而烧毁；若入口水温过低，势必要消耗较多的冷冻水才能达到较好的效果，但由于蓄水罐容量有限，需尽量节省冷冻水的使用，以延长实验时间。因此，控制磁体入口水温直接关系到磁体的运行安全与效率。通过机理分析和经验总结，将磁体入口水温控制在10℃。

磁体入口水温的控制是通过调节冷冻水泵的频率改变冷冻水流量来实现的。对于板式换热器来说，当换热面积和温差一定时，冷冻水流量越大，带走的热量越多，磁体侧出口水温就越低。而磁体侧出口水温直接影响到磁体入口水温。

1.2原温度控制策略

为了避免大纯滞后过程对系统稳定性的影响[3]，原温度控制策略选用板式换热器磁体侧出口水温TIC401作为控制目标，采用常规PID控制，通过调节冷冻水泵的频率，改变冷冻水流量使控制目标值稳定。根据磁体入口水温TE430和TIC401的温差，手动改变TIC401的设定值，来实现TE430的稳定。此种控制策略可以使调节时间不大于4min，稳态精度在±0.3℃，但超调量高达30%。若减少控制器增益，延长微分时间，超调量略微下降，但牺牲了调节时间。

对于换热器左侧的冷冻水来说，在磁体实验开始前，蓄水罐中保存的是6℃冷冻水，从罐底流出的冷冻水水温基本是恒定的。随着实验的进行，冷热水斜温层逐渐下移，冷冻水的出水温度略有抬升，此时冷冻水流量也会随之加大。但由于冷冻水出水温度变化是一个缓慢渐变的过程，所以对整个系统来说不会造成大的扰动。

当磁体线圈通电时，磁体产生的热负荷是兆瓦级的。不同水冷磁体的最大功率设计值(10～25MW)不同。对于每个磁体来说，在运行时，磁体冷却循环水的流量值是根据该磁体最大功率和板式换热器冷热水最大设计温差值计算得到的。为了安全起见，该流量值在磁体运行过程中需保持恒定，避免对温度控制造成干扰。

磁体线圈通电时释放的热量对于系统来说是主要扰动，其值体现在磁体出口水温的变化中。闭环反馈控制系统的特点是当被控过程受到扰动后，必须等到被控变量出现偏差时，控制器才开始动作以补偿扰动对被控变量的影响。对照图1可见，磁体出口水温的变化需经过时间T才能传输到换热器的入口侧，且T值取决于磁体冷却循环水的流速。在扰动量变换率相等的条件下，T越大，引起的超调就越大。

1.3前馈-反馈温度控制策略

前馈控制的基本思想是根据过程的扰动量(外界扰动和设定值变化)产生合适的控制作用，使被控量不发生偏差。相对于反馈控制，前馈控制是及时的，因此，对于时延大、扰动大且频繁的过程有显著的控制效果[4,5]。

磁体冷却水水温控制系统中，由于磁体出口水温可以实时反映扰动量的变化，且可实现准确测量，所以选取磁体出口水温TE432作为前馈量，控制回路结构示意图如图2所示。经过实验的不断测试，当前馈控制模型选取TE432测量值的60%时可以较好地补偿扰动的影响。

图2 磁体冷却水水温控制回路结构示意图

2 基于PLC的PID控制器

基于PLC的PID控制器设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将它数字化写成离散形式的PID控制方程后[6]，再根据离散方程进行控制程序设计的。典型的基于PLC的PID模拟量闭环控制系统如图3所示，虚线部分即使用PLC实现的。

图3 基于PLC的PID模拟量闭环控制系统框图

PID控制的输入输出关系为：

(1)

式中ev(t)——误差信号，ev(t)=sp(t)-pv(t)；

KP、TI、TD——比例系数、积分时间常数、微分时间常数；

M——积分部分的初始值；

mv(t)——控制器的输出信号。

式(1)中等号右边的前3项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差积分、误差微分成正比。

假设采样周期为Ts，系统开始时刻t=0，用矩形积分近似精确积分，用差分近似精确微分，将式(1)离散化，则第n次采样时控制器的输出mv(n)为：

ev(n-1))]+M

(2)

其中，ev(n-1)是第n-1次采样时的误差值。

S7-300 PLC为用户提供了多种PID控制功能块来实现PID控制，其中系统功能块SFB41“CONT_C”(连续控制器)中，KP、TI、TD和M分别对应于输入参数GAIN、TI、TD和积分初值I_ITLVAL。

3 系统硬件与软件功能

3.1系统硬件

磁体冷却水水温控制系统是一个典型的闭环温度控制系统，执行机构是冷冻水的变频泵，控制对象是磁体冷却循环水，控制目标是磁体板式换热器出口温度TIC401，测温元件是Pt100一体化温度变送器，PID调节器、A/D和D/A转换器用S7-300 PLC实现。水温值由Pt100一体化温度变送器测量并转换成4～20mA电流信号，然后通过模拟量输入模块采集到PLC中。PLC与变频器之间通过Profibus-DP总线通信，上位机中安装了STEP7 V5.5编程软件和WinCC V7.0组态软件，通过工业以太网与PLC通信。

3.2PID程序

S7-300 PLC为用户提供了PID控制功能块SFB41。该功能块以式(2)为理论依据，通过系统过程值PV_INT与设定值SP_INT得到有效偏差，再对偏差进行PID运算，格式处理后最终得到输出量LMN。启动时，在执行的组织块OB1中和在定时循环OB35中调用FB41，调用时应指定相应的背景数据块。其中用STL形式编写的部分程序如下：

A "FCData".CHP2_2UOR3U.Start//置1，启动PID

JNB_010

CALL "CONT_C","CHP2_2UOR3UDB_PID"//调用PID功能块

COM_RST:=FALSE

MAN_ON:=FALSE

PVPER_ON:=FALSE

P_SEL:=TRUE

I_SEL:=TRUE

D_SEL:=TRUE

CYCLE:=T#100MS//设定采样时间

SP_INT:="PID_Set".CHP2_2UOR3U_PID.Setpoint//设定值

PV_IN:="Inputs".TIC401.Value//系统过程值

GAIN:="PID_Set".CHP2_2UOR3U_PID.P_Input//比例设定值

TI:="PID_Set".CHP2_2UOR3U_PID.I_Input//积分设定值

TD:="PID_Set".CHP2_2UOR3U_PID.D_Input//微分设定值

LMN_HLM:=4.900000e+001//输出值频率上限

LMN_LLM:=6.000000e+000//输出值频率下限

DISV:="TE432 percent".TE432_percent//前馈值

LMN:=#TEMP_PID_OUT//输出值为频率值

该PID程序中，设定值、采样时间与3个PID参数值需要自行设定。另外，程序中还设定了以磁体出口水温TE432作为扰动量DISV，起前馈作用。

3.3其他功能模块

变频器的DP通信与控制功能模块可实现两用一备运行模式下，3台变频泵的启停、控制逻辑、频率设定与反馈、故障报警与响应以及联锁保护等。此程序块在OB1中调用。

输入输出变量量程转换模块中，在调用PID功能块时，给定值(SP_INT)通过所指定的地址由内部给出。过程值(PV_INT)是被控量的实际值，要得到过程实际值，首先应从外围设备(AI模块)读取A/D转换后的数字量(范围为0～27 648)，然后将它进行处理并转换为过程值(实数)。对于PID功能块的输出操作值(实数)，经过实数转整数的处理后，通过DP通信直接发送给变频器。此功能块也在OB1中调用。

4 工控组态软件WinCC的设计

创建项目与通信设置。打开WinCC Explorer窗口，创建一个WinCC单用户项目[7]。在变量管理器添加新的驱动程序SIMATIC S7 Protocol，在TCP/IP下，建立名为“CPU315-2DP”的驱动程序连接。设置IP地址为192.168.100.1，机架号0，插槽号2，这样就建立了WinCC项目与PLC的连接。

在建立的新驱动连接中创建系统所涉及到的所有过程变量，需要注意的是，地址属性对话框中的地址设置必须与PLC中的DB块地址相对应。

磁体冷却水水温控制系统的WinCC监控画面如图4所示，其中左上是磁体冷却水循环界面，左下是实时趋势图界面，右侧是冷冻水循环界面。可以根据趋势图上水温的变化曲线，设定并调整PID参数；在冷冻水循环和磁体冷却循环界面上，可以监测水泵的运行状态和仪表参数。

图4 WinCC监控画面

5 系统控制效果

PID参数整定采用经验法，即在经验值的基础上，根据系统特征做精确调整。磁体线圈的升流速度和磁体冷却循环水的流速都会影响PID的控制性能。实验证明，在相同的磁体热负荷变化率下，冷却水流量较低的磁体回路比例环节大、惯性环节时间常数大，所以PID控制器宜采用较小的KP和较大的TI，以符合PID串联校正的工程设计方法。

图5为系统实际运行时的磁体冷却水水温监控曲线，随着磁体电流的上升，出口水温越来越高，入口水温通过PID加前馈控制得以保持稳定。系统可以在不同磁体上实现稳态精度约±0.2℃、调节时间约3min的控制性能。另外，磁体出口水温TE432作为扰动量起到前馈作用，使超调量降低到10%以内。

6 结束语

磁体冷却水水温控制系统采用基于S7-300 PLC的PID功能块，对磁体入口水温进行实时控制，以满足磁体运行的控制要求。该系统具有良好的人机界面，能方便地在线修改参数，可以实现对整个磁体冷却循环系统工艺流程的控制。通过设置不同的PID参数，可应对不同工况的磁体冷却回路，获得较为满意的动静态控制效果。前馈控制的加入很好地抑制了大扰动给系统造成的影响，当磁体出口水温出现波动时，控制系统能够通过前馈环节快速响应，减小出口水温对系统造成的影响。该系统的不足之处是没有实现磁体入口水温的直接控制，且PID算法是固定的。为了适应磁体运行工况的变化，在今后的实践中可以考虑设计一种可在线修改的自适应控制或模糊控制算法，以获得更理想的控制效果。

图5 磁体冷却水水温监控曲线

[1] 任俊杰,李永霞,李媛,等.基于PLC的闭环控制系统PID控制器的实现[J].制造业自动化,2009,31(4):20～23.

[2] Gungor A,Eskin N.Two-dimensional Coal Combustion Modeling of CFB[J].International Journal of Thermal Sciences, 2008,47(2):157～174.

[3] 吕群,于标.大纯滞后系统的一种PID预估控制方法[J].武汉职业技术学院学报,2007,6(5):87～90.

[4] 马良玉,阎秦,王兵树,等.过热汽温内模自适应控制方案设计及仿真[J].微计算机信息,2007,23(10):32～33.

[5] 陈以,杨启伟.模糊Smith智能温度控制器的设计与仿真[J].控制工程,2007,14(4):422～425.

[6] 廖常初.S7-300/400 PLC应用教程[M].北京:机械工业出版社,2009.

[7] 苏昆哲.深入浅出西门子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

(Continued from Page 1238)

lyzing their working principles and development, both service conditions and relative merits of these instruments were summarized.

Keywordsinterface measurement, oil-water phase,measurement technology

CoolingWaterTemperatureControlSystemofSteadyHighMagneticFieldFacilitiesBasedonPLC

QIU Wen-jun, OUYANG Zheng-rong

(HighMagneticFieldLaboratory,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China)

A PLC-based control system for cooling water temperature control of steady high magnetic field facilities was introduced, including the system’s structure and software functions and configuration design. Basing on analyzing its mechanism and considering obvious inlet temperature’s overshoot existed in the magnetic facility cooling water, a control strategy with feed-forward-feedback control for magnetic outlet temperature was proposed. Results show that, the system can realize a ±0.2℃ steady accuracy, 3min settling time in various magnetic facilities; and the outlet water temperature TE432 as disturbance variable has feed-forward action which can reduce the overshoot to less than 10%.

temperature control system for magnetic cooling water, inlet water temperature at magnetic facility, feed-forward-feedback control, S7-300 PLC, PID

TH862

A

1000-3932(2016)12-1248-05

2016-07-11(修改稿)