PLC在水下電弧控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
水下電弧有著廣泛的用途，其中應(yīng)用之一是水下制取“電弧氣”。制造電弧氣的一個(gè)關(guān)鍵要素就是保持電弧電壓的穩(wěn)定，使電弧能在水下穩(wěn)定放電。大電流(1000 A，DC)、大功率(50 kW)水下電弧放電本身是一個(gè)復(fù)雜的過程，電弧長度短，具有非線性、變參數(shù)、不易穩(wěn)定等特點(diǎn)。試驗(yàn)表明采用PFC-PID串級控制策略的水下電弧控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)明顯優(yōu)于采用傳統(tǒng)PID控制的系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力。
大多數(shù)PID控制都是基于單片機(jī)進(jìn)行，但單片機(jī)控制的DDC系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處，而PLC在這方面卻是公認(rèn)的最佳選擇。隨著PLC功能的擴(kuò)充，許多PLC控制器中都集成了PID控制功能，因此在邏輯控制與PID控制混合的應(yīng)用場所中采用PLC控制是較為合理的。經(jīng)過認(rèn)真的市場調(diào)研和技術(shù)準(zhǔn)備，筆者使用了目前比較先進(jìn)的PLC技術(shù)開發(fā)控制系統(tǒng)，對現(xiàn)場各種生產(chǎn)過程信號進(jìn)行采集.監(jiān)測、計(jì)量。從實(shí)際應(yīng)用的效果來看，該系統(tǒng)具有性價(jià)比高、可維護(hù)性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)的工作原理
在水下電弧控制系統(tǒng)中，電弧放電在反應(yīng)器中完成，氣體由此產(chǎn)生。電極控制裝置連續(xù)地將碳棒電極送入反應(yīng)器中并維持電極電弧的穩(wěn)定，從而保持電弧電壓和電流的恒定，使得產(chǎn)氣成分穩(wěn)定且產(chǎn)氣效率提高。水下電弧控制系統(tǒng)示意圖如圖l所示。

1.控制器，2.伺服放大器，3.220 W交流伺服電動機(jī)，4.進(jìn)退限位開關(guān)，5.碳棒檢測開關(guān)，6.前進(jìn)限位開關(guān)，7.陰極碳棒，8.陽極碳棒，9.下棒控制電磁閥，10.反應(yīng)堆，T.反應(yīng)罐溫度，P.反應(yīng)罐壓力，U.電弧電壓，I.電弧電流。
碳棒的進(jìn)退是通過伺服電機(jī)經(jīng)傳動作用來實(shí)現(xiàn)控制的?？刂破魍ㄟ^不斷檢測T、P、U、I值的大小及各開關(guān)量的狀態(tài)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過動絲桿傳動作用推動碳棒前進(jìn)，當(dāng)碳棒前進(jìn)速度同碳棒燃燒速度一致時(shí)，可認(rèn)為弧長基本不變，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電弧的電壓電流恒定控制。
由于陰極碳棒相對陽極碳棒燃燒速度較慢，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，將陰極碳棒與推進(jìn)導(dǎo)桿連為一體，由伺服電機(jī)控制該碳棒的進(jìn)退，其換棒工序需人工手動完成；陽極碳棒則與推進(jìn)導(dǎo)軒相分離，導(dǎo)桿只可往前推進(jìn)碳棒，而不能控制其后退，通過位置檢測開關(guān)檢測碳棒是否推進(jìn)到位，以決定是否進(jìn)人自動換棒工序。在進(jìn)行換棒時(shí)，電機(jī)控制陰極導(dǎo)桿快速后退，同時(shí)另一電機(jī)控制陽極碳棒自動跟進(jìn)，以免斷弧。

3 S7-200系列PLC的特點(diǎn)
S7-200為西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC系列小型PLC，無論是獨(dú)立運(yùn)行，還是相連成網(wǎng)絡(luò)，皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，適用于各行各業(yè)、各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。此次選用的CPU226有如下特點(diǎn)：24輸入、16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)；13 KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間；6個(gè)獨(dú)立的30 kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出，具有比例、積分、微分(PID)控制器；2個(gè)RS485通信-編程口，具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由方式通信能力；I/O端子排可很容易地整體拆卸。自由通信是S7-200系列PLC的一大特色。它使S7-200系列PLC可以與任何通信協(xié)議公開的設(shè)備、控制器進(jìn)行通信，即可以由用戶自己定義通信協(xié)議(如ASCⅡ協(xié)議)。波特率最高為38.4 kbit/s(可調(diào)整)。因此可以通信的范圍大大增加，控制系統(tǒng)配置也更加靈活、方便。

4 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
如圖2所示，本控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制部分選用了S7-200 Micro PLC CPU226 DC/DC/DC型和SIMATIC TP 270型觸摸式面板作為基層控制部分。PLC與觸摸屏間的通訊通過RS-485串行總線完成。PLC控制器本機(jī)系統(tǒng)通過其擴(kuò)展模塊主要完成5方面功能：DI(開關(guān)量輸入)、DO(開關(guān)量輸出)、AI(模擬量輸入)、AO(模擬量輸出)、通訊。其中DI口用于檢測開關(guān)狀態(tài)(如液位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)等)；DO口用于高速脈沖的發(fā)送、變頻器的開?？刂啤⒏麟姍C(jī)的開?？刂啤㈦姶砰y的控制等。AI用于模擬量的采樣，現(xiàn)場模擬量主要包括反映罐溫度、壓力、電弧的電壓電流等，從現(xiàn)場傳送到AI模塊的信號為4 mA~20 mA電流信號。AO則根據(jù)現(xiàn)場采集到的信號調(diào)節(jié)模擬量輸出大小來控制變頻器頻率的高低，進(jìn)而通過變頻器來實(shí)現(xiàn)對循環(huán)泵和氣體壓縮泵的速度控制。伺服電機(jī)的控制則通過告訴脈沖輸出控制來完成。在控制柜內(nèi)部預(yù)留出用于其它功能模塊的擴(kuò)展空間，如額外的壓力檢測、氣體濃度檢測，還有Medem上網(wǎng)模塊，以后系統(tǒng)升級可將現(xiàn)場得到的各種數(shù)據(jù)通過Modem發(fā)送到Internet。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
5.1 PLC程序設(shè)計(jì)說明
CPU226是西門子S7-200系列中的高檔PLC，本機(jī)自帶24個(gè)數(shù)字輸入口、16個(gè)數(shù)字輸出口及兩個(gè)RS-422/485串行通訊口，最多可擴(kuò)展7個(gè)應(yīng)用模塊。這里通過擴(kuò)展EM231模擬輸入模塊來采集電壓信號，輸入模擬信號可選擇O V～10 V、5 V、0 mA~20 mA等多種信號輸入方式。最終PLC根據(jù)輸入電壓信號的大小控制脈沖發(fā)送周期的大小，從而達(dá)到控制伺服電機(jī)速度的目的。本系統(tǒng)中控制程序主要完成以下幾個(gè)任務(wù)：
1)系統(tǒng)參數(shù)的初始化；
2)各種檢測開關(guān)的讀??；
3)電壓、電流、工作壓力、溫度等的讀??；
4)電機(jī)、變頻器、電磁閥等的控制。
為了完成上述各種功能，程序分為七大模塊，分別為：
1)初始化程序：完成系統(tǒng)各種參數(shù)的初始化，如在控制面板上對參數(shù)作了修改，則下次運(yùn)行時(shí)會自動用新參數(shù)完成初始
化；
2)模擬量的讀取：開機(jī)工作便開始完成電壓、電流、工作壓力、溫度等的監(jiān)測與讀取，實(shí)時(shí)傳遞數(shù)據(jù)到面板顯示；
3)主控程序：完成各子程序使能模塊的調(diào)用及切換，各種限制及保護(hù)功能等；
4)手動控制程序：實(shí)現(xiàn)各種控制狀態(tài)的手動操作；
5)自動控制程序：完成自動換棒、自動補(bǔ)水、自動引弧、各種電機(jī)等的控制；
6)控制算法程序：完成對產(chǎn)氣壓力和工作電弧的恒定控制；
7)PWM/PTO脈沖控制：根據(jù)檢測到的電弧電壓及碳棒狀態(tài)自動調(diào)節(jié)脈沖頻率或脈沖個(gè)數(shù)、兩個(gè)脈沖口的配合與切換、PWM/PTO工作方式的配合與切換等。
5.2 程序控制流程
整個(gè)程序的控制難點(diǎn)在于對電弧的控制，因此，本文僅給出電弧控制的流程，如圖3所示。電弧控制難的主要原因在于電弧燃燒時(shí)其間距較小，容易受到外界干擾，引起控制器的震蕩。在換棒過程中，最容易出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象，針對電弧燃燒時(shí)陰極和陽極燃燒速度不同設(shè)計(jì)了以下控制程序(陽極燃燒速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰極)。

在換棒時(shí)，右電機(jī)(控制陽極碳棒)控制滾軸絲桿全速后退，左電機(jī)(控制陰極碳棒)則進(jìn)入PID調(diào)節(jié)程序自動跟進(jìn)，當(dāng)檢測到碳棒到位，右電機(jī)先控制滾軸絲桿快速前進(jìn)以彌補(bǔ)虛位，然后將PID控制切換到右電機(jī)上，左電機(jī)緩慢后退。

6 結(jié)束語
基于PLC的水下電弧控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)較為簡單，但邏輯控制功能強(qiáng)大，由于許多PLC控制器中都擴(kuò)充了PID控制功能，因此在邏輯控制與PID控制混合的應(yīng)用場合采用PLC控制是較為合理的。從系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的效果來看，該系統(tǒng)性價(jià)比高、可維護(hù)性強(qiáng)、性能穩(wěn)定。