PLC控制系統(tǒng)在氣體調節(jié)中的應用

0 概述

氣體公司調節(jié)間于2001年10月投入運行，是我廠技改項目的配套工程。其作用是提供調節(jié)適當的生產用氣(氧氣、氮氣及氬氣)，來滿足生產單位的需求。

近幾年，隨著我廠生產規(guī)模的逐步擴大,就更加要求氣體調節(jié)在生產中的穩(wěn)定性和快速性，而目前傳統(tǒng)的二次儀表已無法滿足現有的控制需求。主要表現在：

1)過程自動化程度低，信息采集和反饋仍采用傳統(tǒng)的二次儀表，致使數據采集緩慢、調節(jié)滯后，降低了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2)儀表內部信息儲存量小，采集的壓力、流量等數據無法長期保存，不便于日后生產工作的歷史查詢和分析。

3)系統(tǒng)可靠性低，需要配專人負責該系統(tǒng)的運行，造成了人工成本的上升。

鑒于以上三點，通過采用PLC(可編程控制器)控制系統(tǒng)，解決當前存在的問題。

1 PLC控制系統(tǒng)的特點及組成

PLC在現代工業(yè)控制領域中早己得到了廣泛的應用。以PLC的控制功能而言，具有嚴謹、方便、易編程、易安裝、可靠性高等優(yōu)點。它通用性強，適應面廣,特別在數字量輸入/輸出等邏輯控制領域有無可比擬的優(yōu)點。PLC具有豐富的邏輯控制指令和高級應用指令，它提供高質量的硬件、高水平的系統(tǒng)軟件平臺和易學易編程的應用軟件平臺。另外，PLC即有自身的網絡體系又有開放I/0及通訊接口，很容易組建網絡并實現遠程訪問。

PLC采用Siemens公司生產的S7-300系列，由于現場的PLC系統(tǒng)與主控室的上位機距離較遠(800米左右)，因此通訊系統(tǒng)需成對加裝RS-485中繼器，另外在現場增加TP27-10//觸摸屏進行數據顯示，確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)結構及硬件配置

根據控制需求，CPU模塊采用CPU314、數字量輸入(DI)采用SM321模塊，數字量輸出(DO) 采用 SM322模塊，模擬量輸入(AI) 采用 SM331模塊，模擬量輸出(AO) 采用 SM332模塊以及IM365等模塊組成，IM365實現機架擴展，上位監(jiān)控機采用SIEMENS公司CP5611網卡完成計算機與PLC之間的數據通訊。整個通訊網絡采用MPI的通訊協(xié)議，從上位機上可對整個氣體調節(jié)過程進行監(jiān)控和操作。

1.2控制系統(tǒng)的功能實現

PLC程序的編制直接關系著供氣系統(tǒng)能否正常工作，而程序設計的關鍵在于編程者對工藝系統(tǒng)的理解程度和程序編制技術的靈活應用。因此，在程序設計中首先考慮了供氣壓力調節(jié)系統(tǒng)的特點，將程序設計細化，分成多個程序模塊，實行模塊化編程。這樣既可以方便的增加或刪除程序模塊，便于現場對工藝的調整，又可針對配套設備可控性對不同程序模塊進行完善。

PLC的編程軟件采用SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1軟件平臺用來完成硬件組態(tài)、地址和站址的分配以及編制整個生產過程的控制程序的。上位機監(jiān)控軟件采用國產軟件組態(tài)王，全部采用漢化界面，便于系統(tǒng)的開發(fā)與操作，該系統(tǒng)運行于Windows2000中文平臺，可實現對生產過程的全面監(jiān)控，對重要參數形成歷史記錄，以報表或曲線的形式顯示給操作人員。通過VB語言腳本，可以在主控室的上位機顯示重要參數的歷史趨勢、實時趨勢，實現壓力調節(jié)的手自動切換、操作、壓力的高、低限報警、流量數據的顯示與累計，滿足高生產率的調度需求。

1.3 現場顯示

現場采用TP27觸摸屏進行參數顯示、控制，觸摸屏程序由組態(tài)軟件來完成，人機界面采用中文菜單，界面友好，操作方便，功能較強，主要用于現場壓力、流量、閥位的顯示與操作?？勺鳛椴僮魅藛T現場操作的依據。

1.4 工控機配置

工控機采用研華IPC-610，通過CP5611卡，完成S7-300 PLC與工控機的通訊。主要完成下列任務：傳送現場監(jiān)控數據;運行監(jiān)控;故障記錄和排除提示;參數設置;生產數據管理和處理;圖形化示教和離線編程。

2 系統(tǒng)實現了供氣系統(tǒng)的自動控制和監(jiān)控，主要包括如下功能：

1)靈活的操作方式以及強大的系統(tǒng)控制功能：

系統(tǒng)可以實現上位機操作、控制柜觸摸屏操作和就地手動操作;

2)報警功能：

當壓力超過工藝要求，可在現場、就地實現高、低限壓力報警;

3)簡單、方便的參數設定：

壓力調節(jié)閥的壓力設定值、P、I、D等參數可以在上位機中設定。

2. 系統(tǒng)控制功能

(1)過程控制的功能：

1)系統(tǒng)對供氣壓力實現了PID自動調節(jié)控制;

2)對所采集的模擬信號進行線性化、濾波、工程單位轉換處理;

3)實現了流量信號的溫、壓補償，提高了儀表的測量精度。

(2)邏輯控制

聯鎖邏輯控制實現開/關的控制，邏輯控制及用戶自定義功能塊等。系統(tǒng)實現了電磁閥控制以及參數越限報警等功能。

(3)人機接口

HMI系統(tǒng)中包含主工藝畫面，各系統(tǒng)送氣壓力、流量，供氣壓力調節(jié)等多幅畫面，畫面直觀、豐富，具備PID在線調節(jié)、在線顯示調節(jié)曲線功能，包括過程量變化趨勢的實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線。

(4)報表打印

以報表形式繪制報警記錄、歷史記錄畫面，調節(jié)間數據報表。實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線可隨意設定時間段，打印在線趨勢，歷史趨勢曲線。

3 軟件設計

根據該系統(tǒng)具體情況，PLC系統(tǒng)軟件設計過程中著重要考慮的是以下幾個方面：

(1) 數據采集及工程量轉換

(2) PID算法

(3) 流量溫壓補償計算以及流量的累積計算

對于系統(tǒng)中的邏輯控制選用梯形圖(LADDER)編程，直觀、方便;對于PID回路控制流量溫壓補償計算以及流量的累積計算部分則采用語句表(STL)編程，結構緊湊而又靈活。

PID調節(jié)是該系統(tǒng)中最為重要的控制程序，因此特將PID算法作一重點介紹。

3.1 PID算法

STEP7提供了兩種常用的PID算法：連續(xù)型PID(FB41)和離散型PID(FB42)，根據實際要求，選用的是FB41。并在組態(tài)王中使用畫圖功能模擬一個PID調節(jié)器的操作面板，完成PID調節(jié)控制中的手/自動切換、給定值輸入、手動輸出值輸入、PID參數(比例系數、積分時間)輸入等功能。

PID算法的輸出實際上是比例(P)、積分(I)、微分(D)三部分作用之和：

Mn=MPn+MIn+MDn

MPn = GAIN?(SPn- PVn)

MPn = GAIN ? TS/ TI?(SPn-PVn)+ MX

MDn = GAIN ? TD/ TS?(PVn-1-PVn)

Mn：第n次采樣時刻的輸出值。

MPn：第n次采樣時刻的比例作用，與偏差成正比。

MIn：第n次采樣時刻的積分作用，可以消除靜差，提高控制品質。

MDn：第n次采樣時刻的微分作用，根據差值的變化率調節(jié)，可抑制超調。SPn：第n次采樣時刻的設定值。

PVn：第n次采樣時刻的過程值。

MX：第n-1次采樣時刻的積分作用，每次采樣計算后自動刷新。

GAIN：回路增益，P參數。

TI：積分時間常數，即I參數。

TI：微分時間常數，即D參數。

TS：采樣時間。

從上面的公式中可以看出，參數P(GAIN)與P、I、D作用都是成正比的，它決定了PID回路的靈敏度，即調節(jié)速度的快慢;I參數越大，積分作用越弱，而D參數越大，微分作用越強。不能單靠理論計算來確定PID參數，唯一的衡量標準就是被控參數(壓力)的精度和穩(wěn)定度，所以在實際調試中，都是參照被控參數的實時曲線，反復觀察分析，從而達到最佳的控制效果。

4 采用該系統(tǒng)的意義

(1)計算機化管理使得系統(tǒng)信息儲存量大，數據采集與反饋及時、準確，系統(tǒng)的生產數據可實現長期保存，有利于生產數據的歷史查詢和故障的即時排除;

(2)該系統(tǒng)投入運行后，通過計算機顯示與控制，提高了過程自動化的程度，可實現無人調節(jié)操作，減少了操作環(huán)節(jié)，降低了運行成本，使系統(tǒng)的管理和控制上了一個新臺階。

5 結束語

該系統(tǒng)自2005年7月投入運行后，工作穩(wěn)定、可靠，成功地實現了全部控制功能，取得了比較好的控制效果，達到了預期的控制指標。

[參考文獻]

1.殷華文主編.可編程序控制器及工業(yè)控制網絡. 西安：西安地圖出版社，2001

2.SIEMENS公司. SIMATIC S7-300 M7-300可編程序控制器模板規(guī)范參考手冊，2001.10

3.SIEMENS公司. STEP7_v5.1編程中文手冊.2001

4.亞控公司.組態(tài)王手冊Version 6.5

5.廖常初編著.可編程序控制器應用技術(第三版).重慶：重慶大學出版社，2000