PLC控制系統(tǒng)在氣體調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

0 概述

氣體公司調(diào)節(jié)間于2001年10月投入運(yùn)行，是我廠技改項(xiàng)目的配套工程。其作用是提供調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)用氣(氧氣、氮?dú)饧皻鍤?，來(lái)滿足生產(chǎn)單位的需求。

近幾年，隨著我廠生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴(kuò)大,就更加要求氣體調(diào)節(jié)在生產(chǎn)中的穩(wěn)定性和快速性，而目前傳統(tǒng)的二次儀表已無(wú)法滿足現(xiàn)有的控制需求。主要表現(xiàn)在：

1)過(guò)程自動(dòng)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(shù)據(jù)采集緩慢、調(diào)節(jié)滯后，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2)儀表內(nèi)部信息儲(chǔ)存量小，采集的壓力、流量等數(shù)據(jù)無(wú)法長(zhǎng)期保存，不便于日后生產(chǎn)工作的歷史查詢和分析。

3)系統(tǒng)可靠性低，需要配專人負(fù)責(zé)該系統(tǒng)的運(yùn)行，造成了人工成本的上升。

鑒于以上三點(diǎn)，通過(guò)采用PLC(可編程控制器)控制系統(tǒng)，解決當(dāng)前存在的問(wèn)題。

1 PLC控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及組成

PLC在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中早己得到了廣泛的應(yīng)用。以PLC的控制功能而言，具有嚴(yán)謹(jǐn)、方便、易編程、易安裝、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。它通用性強(qiáng)，適應(yīng)面廣,特別在數(shù)字量輸入/輸出等邏輯控制領(lǐng)域有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。PLC具有豐富的邏輯控制指令和高級(jí)應(yīng)用指令，它提供高質(zhì)量的硬件、高水平的系統(tǒng)軟件平臺(tái)和易學(xué)易編程的應(yīng)用軟件平臺(tái)。另外，PLC即有自身的網(wǎng)絡(luò)體系又有開(kāi)放I/0及通訊接口，很容易組建網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

PLC采用Siemens公司生產(chǎn)的S7-300系列，由于現(xiàn)場(chǎng)的PLC系統(tǒng)與主控室的上位機(jī)距離較遠(yuǎn)(800米左右)，因此通訊系統(tǒng)需成對(duì)加裝RS-485中繼器，另外在現(xiàn)場(chǎng)增加TP27-10//觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件配置

根據(jù)控制需求，CPU模塊采用CPU314、數(shù)字量輸入(DI)采用SM321模塊，數(shù)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(shí)現(xiàn)機(jī)架擴(kuò)展，上位監(jiān)控機(jī)采用SIEMENS公司CP5611網(wǎng)卡完成計(jì)算機(jī)與PLC之間的數(shù)據(jù)通訊。整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)采用MPI的通訊協(xié)議，從上位機(jī)上可對(duì)整個(gè)氣體調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和操作。

1.2控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

PLC程序的編制直接關(guān)系著供氣系統(tǒng)能否正常工作，而程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于編程者對(duì)工藝系統(tǒng)的理解程度和程序編制技術(shù)的靈活應(yīng)用。因此，在程序設(shè)計(jì)中首先考慮了供氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)，將程序設(shè)計(jì)細(xì)化，分成多個(gè)程序模塊，實(shí)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(xiàn)場(chǎng)對(duì)工藝的調(diào)整，又可針對(duì)配套設(shè)備可控性對(duì)不同程序模塊進(jìn)行完善。

PLC的編程軟件采用SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1軟件平臺(tái)用來(lái)完成硬件組態(tài)、地址和站址的分配以及編制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的控制程序的。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用國(guó)產(chǎn)軟件組態(tài)王，全部采用漢化界面，便于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與操作，該系統(tǒng)運(yùn)行于Windows2000中文平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的全面監(jiān)控，對(duì)重要參數(shù)形成歷史記錄，以報(bào)表或曲線的形式顯示給操作人員。通過(guò)VB語(yǔ)言腳本，可以在主控室的上位機(jī)顯示重要參數(shù)的歷史趨勢(shì)、實(shí)時(shí)趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)的手自動(dòng)切換、操作、壓力的高、低限報(bào)警、流量數(shù)據(jù)的顯示與累計(jì)，滿足高生產(chǎn)率的調(diào)度需求。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)顯示

現(xiàn)場(chǎng)采用TP27觸摸屏進(jìn)行參數(shù)顯示、控制，觸摸屏程序由組態(tài)軟件來(lái)完成，人機(jī)界面采用中文菜單，界面友好，操作方便，功能較強(qiáng)，主要用于現(xiàn)場(chǎng)壓力、流量、閥位的顯示與操作。可作為操作人員現(xiàn)場(chǎng)操作的依據(jù)。

1.4 工控機(jī)配置

工控機(jī)采用研華IPC-610，通過(guò)CP5611卡，完成S7-300 PLC與工控機(jī)的通訊。主要完成下列任務(wù)：傳送現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù);運(yùn)行監(jiān)控;故障記錄和排除提示;參數(shù)設(shè)置;生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理和處理;圖形化示教和離線編程。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了供氣系統(tǒng)的自動(dòng)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(qiáng)大的系統(tǒng)控制功能：

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)操作、控制柜觸摸屏操作和就地手動(dòng)操作;

2)報(bào)警功能：

當(dāng)壓力超過(guò)工藝要求，可在現(xiàn)場(chǎng)、就地實(shí)現(xiàn)高、低限壓力報(bào)警;

3)簡(jiǎn)單、方便的參數(shù)設(shè)定：

壓力調(diào)節(jié)閥的壓力設(shè)定值、P、I、D等參數(shù)可以在上位機(jī)中設(shè)定。

2. 系統(tǒng)控制功能

(1)過(guò)程控制的功能：

1)系統(tǒng)對(duì)供氣壓力實(shí)現(xiàn)了PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制;

2)對(duì)所采集的模擬信號(hào)進(jìn)行線性化、濾波、工程單位轉(zhuǎn)換處理;

3)實(shí)現(xiàn)了流量信號(hào)的溫、壓補(bǔ)償，提高了儀表的測(cè)量精度。

(2)邏輯控制

聯(lián)鎖邏輯控制實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)的控制，邏輯控制及用戶自定義功能塊等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電磁閥控制以及參數(shù)越限報(bào)警等功能。

(3)人機(jī)接口

HMI系統(tǒng)中包含主工藝畫(huà)面，各系統(tǒng)送氣壓力、流量，供氣壓力調(diào)節(jié)等多幅畫(huà)面，畫(huà)面直觀、豐富，具備PID在線調(diào)節(jié)、在線顯示調(diào)節(jié)曲線功能，包括過(guò)程量變化趨勢(shì)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線。

(4)報(bào)表打印

以報(bào)表形式繪制報(bào)警記錄、歷史記錄畫(huà)面，調(diào)節(jié)間數(shù)據(jù)報(bào)表。實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線可隨意設(shè)定時(shí)間段，打印在線趨勢(shì)，歷史趨勢(shì)曲線。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)該系統(tǒng)具體情況，PLC系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中著重要考慮的是以下幾個(gè)方面：

(1) 數(shù)據(jù)采集及工程量轉(zhuǎn)換

(2) PID算法

(3) 流量溫壓補(bǔ)償計(jì)算以及流量的累積計(jì)算

對(duì)于系統(tǒng)中的邏輯控制選用梯形圖(LADDER)編程，直觀、方便;對(duì)于PID回路控制流量溫壓補(bǔ)償計(jì)算以及流量的累積計(jì)算部分則采用語(yǔ)句表(STL)編程，結(jié)構(gòu)緊湊而又靈活。

PID調(diào)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(diǎn)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(jù)實(shí)際要求，選用的是FB41。并在組態(tài)王中使用畫(huà)圖功能模擬一個(gè)PID調(diào)節(jié)器的操作面板，完成PID調(diào)節(jié)控制中的手/自動(dòng)切換、給定值輸入、手動(dòng)輸出值輸入、PID參數(shù)(比例系數(shù)、積分時(shí)間)輸入等功能。

PID算法的輸出實(shí)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(shí)刻的輸出值。

MPn：第n次采樣時(shí)刻的比例作用，與偏差成正比。

MIn：第n次采樣時(shí)刻的積分作用，可以消除靜差，提高控制品質(zhì)。

MDn：第n次采樣時(shí)刻的微分作用，根據(jù)差值的變化率調(diào)節(jié)，可抑制超調(diào)。SPn：第n次采樣時(shí)刻的設(shè)定值。

PVn：第n次采樣時(shí)刻的過(guò)程值。

MX：第n-1次采樣時(shí)刻的積分作用，每次采樣計(jì)算后自動(dòng)刷新。

GAIN：回路增益，P參數(shù)。

TI：積分時(shí)間常數(shù)，即I參數(shù)。

TI：微分時(shí)間常數(shù)，即D參數(shù)。

TS：采樣時(shí)間。

從上面的公式中可以看出，參數(shù)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(diào)節(jié)速度的快慢;I參數(shù)越大，積分作用越弱，而D參數(shù)越大，微分作用越強(qiáng)。不能單靠理論計(jì)算來(lái)確定PID參數(shù)，唯一的衡量標(biāo)準(zhǔn)就是被控參數(shù)(壓力)的精度和穩(wěn)定度，所以在實(shí)際調(diào)試中，都是參照被控參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線，反復(fù)觀察分析，從而達(dá)到最佳的控制效果。

4 采用該系統(tǒng)的意義

(1)計(jì)算機(jī)化管理使得系統(tǒng)信息儲(chǔ)存量大，數(shù)據(jù)采集與反饋及時(shí)、準(zhǔn)確，系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期保存，有利于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歷史查詢和故障的即時(shí)排除;

(2)該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示與控制，提高了過(guò)程自動(dòng)化的程度，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人調(diào)節(jié)操作，減少了操作環(huán)節(jié)，降低了運(yùn)行成本，使系統(tǒng)的管理和控制上了一個(gè)新臺(tái)階。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)自2005年7月投入運(yùn)行后，工作穩(wěn)定、可靠，成功地實(shí)現(xiàn)了全部控制功能，取得了比較好的控制效果，達(dá)到了預(yù)期的控制指標(biāo)。

[參考文獻(xiàn)]

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