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

摘 要：
　　本文介紹了基于PLC S7-300的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過S7-300與上位機(jī)工作站之間進(jìn)行通訊，實現(xiàn)氣體調(diào)節(jié)的全自動控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，減輕工人的勞動強(qiáng)度，在氣體生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。
　　
　　關(guān)鍵詞：
　　PLC;送氧調(diào)節(jié)間；氣體調(diào)節(jié)；通訊
　　
　　Abstract:
　　It is introduced based on the PLC s7-300 control system. This system realizes gas adjustment completely automatic control through s700-300 by communicating between the position machine workstation. It can guarantee this system work stably ,reduce workers’labor intensity . It plays the vital role in the gas production.
　　
　　Key words :
　　PLC; Delivers the oxygen adjustment ; Gas adjustment ;
　　Communication
　　
　　0 概述
　　　　氣體公司調(diào)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(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)用氣（氧氣、氮氣及氬氣），來滿足生產(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)的二次儀表已無法滿足現(xiàn)有的控制需求。主要表現(xiàn)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(shù)據(jù)采集緩慢、調(diào)節(jié)滯后，降低了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
　　2）儀表內(nèi)部信息儲存量小，采集的壓力、流量等數(shù)據(jù)無法長期保存，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(dāng)前存在的問題。
　　1 PLC控制系統(tǒng)的特點及組成
　　　　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。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)域有無可比擬的優(yōu)點。PLC具有豐富的邏輯控制指令和高級應(yīng)用指令，它提供高質(zhì)量的硬件、高水平的系統(tǒng)軟件平臺和易學(xué)易編程的應(yīng)用軟件平臺。另外，PLC即有自身的網(wǎng)絡(luò)體系又有開放I／0及通訊接口，很容易組建網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問。
　　　　PLC采用Siemens公司生產(chǎn)的S7-300系列，由于現(xiàn)場的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)需成對加裝RS-485中繼器，另外在現(xiàn)場增加TP27-10//觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)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(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)卡完成計算機(jī)與PLC之間的數(shù)據(jù)通訊。整個通訊網(wǎng)絡(luò)采用MPI的通訊協(xié)議，從上位機(jī)上可對整個氣體調(diào)節(jié)過程進(jìn)行監(jiān)控和操作。
　　
　　1．2控制系統(tǒng)的功能實現(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)計的關(guān)鍵在于編程者對工藝系統(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)計中首先考慮了供氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點，將程序設(shè)計細(xì)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(xiàn)場對工藝的調(diào)整，又可針對配套設(shè)備可控性對不同程序模塊進(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(chǎn)過程的控制程序的。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用國產(chǎn)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(xiàn)對生產(chǎn)過程的全面監(jiān)控，對重要參數(shù)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(jī)顯示重要參數(shù)的歷史趨勢、實時趨勢，實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)的手自動切換、操作、壓力的高、低限報警、流量數(shù)據(jù)的顯示與累計，滿足高生產(chǎn)率的調(diào)度需求。
　　
　　1.3 現(xiàn)場顯示
　　　　現(xiàn)場采用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)場壓力、流量、閥位的顯示與操作?？勺鳛椴僮魅藛T現(xiàn)場操作的依據(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)場監(jiān)控數(shù)據(jù)；運行監(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)實現(xiàn)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(qiáng)大的系統(tǒng)控制功能：
　　系統(tǒng)可以實現(xiàn)上位機(jī)操作、控制柜觸摸屏操作和就地手動操作；
　　2）報警功能：
　　 當(dāng)壓力超過工藝要求，可在現(xiàn)場、就地實現(xiàn)高、低限壓力報警；
　　3）簡單、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。
　　
　　2.1 系統(tǒng)控制功能
　?。?）過程控制的功能：
　　1)系統(tǒng)對供氣壓力實現(xiàn)了PID自動調(diào)節(jié)控制；
　　2)對所采集的模擬信號進(jìn)行線性化、濾波、工程單位轉(zhuǎn)換處理；
　　3)實現(xiàn)了流量信號的溫、壓補(bǔ)償，提高了儀表的測量精度。
　　
　?。?）邏輯控制
　　聯(lián)鎖邏輯控制實現(xiàn)開/關(guān)的控制，邏輯控制及用戶自定義功能塊等。系統(tǒng)實現(xiàn)了電磁閥控制以及參數(shù)越限報警等功能。
　　
　　（3）人機(jī)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(diào)節(jié)等多幅畫面，畫面直觀、豐富，具備PID在線調(diào)節(jié)、在線顯示調(diào)節(jié)曲線功能，包括過程量變化趨勢的實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線。
　　
　?。?）報表打印
　　　　以報表形式繪制報警記錄、歷史記錄畫面，調(diào)節(jié)間數(shù)據(jù)報表。實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線可隨意設(shè)定時間段，打印在線趨勢，歷史趨勢曲線。
　　
　　3 軟件設(shè)計
　　　　根據(jù)該系統(tǒng)具體情況，PLC系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中著重要考慮的是以下幾個方面：　　　　
　?。?） 數(shù)據(jù)采集及工程量轉(zhuǎn)換　　
　　（2） PID算法　　　
　?。?） 流量溫壓補(bǔ)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(bǔ)償計算以及流量的累積計算部分則采用語句表（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(diào)節(jié)器的操作面板，完成PID調(diào)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(shù)（比例系數(shù)、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：
　?。停睿剑停校睿停桑睿停模睢　?BR>　　ＭＰｎ ＝ ＧＡＩＮ（ＳＰｎ－ ＰＶｎ）　　
　?。停校?＝ 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。
　?。停桑睿旱冢畲尾蓸訒r刻的積分作用，可以消除靜差，提高控制品質(zhì)。
　?。停模睿旱冢畲尾蓸訒r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)?！　　　。樱校睿旱冢畲尾蓸訒r刻的設(shè)定值。
　?。校郑睿旱冢畲尾蓸訒r刻的過程值。
　?。停兀旱冢睿贝尾蓸訒r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(shù)。
　　ＴＩ：積分時間常數(shù)，即I參數(shù)。
　　ＴＩ：微分時間常數(shù)，即D參數(shù)。
　?。裕樱翰蓸訒r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)。不能單靠理論計算來確定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，所以在實際調(diào)試中，都是參照被控參數(shù)的實時曲線，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
　　　?。?）計算機(jī)化管理使得系統(tǒng)信息儲存量大，數(shù)據(jù)采集與反饋及時、準(zhǔn)確，系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可實現(xiàn)長期保存，有利于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歷史查詢和故障的即時排除；
　　　?。?）該系統(tǒng)投入運行后，通過計算機(jī)顯示與控制，提高了過程自動化的程度，可實現(xiàn)無人調(diào)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(jié)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(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)。