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0 概述 氣體公司調節間于2001年10月投入運行，是我廠(chǎng)技改項目的配套工程。其作用是提供調節適當的生產(chǎn)用氣（氧氣、氮氣及氬氣），來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)單位的需求。 近幾年，隨著(zhù)我廠(chǎng)生產(chǎn)規模的逐步擴大,就更加要求氣體調節在生產(chǎn)中的穩定性和快速性，而目前傳統的二次儀表已無(wú)法滿(mǎn)足現有的控制需求。主要表現在： 1）過(guò)程自動(dòng)化程度低，信息采集和反饋仍采用傳統的二次儀表，致使數據采集緩慢、調節滯后，降低了系統運行的穩定性。 2）儀表內部信息儲存量小，采集的壓力、流量等數據無(wú)法長(cháng)期保存，不便于日后生產(chǎn)工作的歷史查詢(xún)和分析。 3）系統可靠性低，需要配專(zhuān)人負責該系統的運行，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，解決當前存在的問(wèn)題。 1 PLC控制系統的特點(diǎn)及組成 PLC在現代工業(yè)控制領(lǐng)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(diǎn)。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(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應用指令，它提供高質(zhì)量的硬件、高水平的系統軟件平臺和易學(xué)易編程的應用軟件平臺。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)現遠程訪(fǎng)問(wèn)。 PLC采用Siemens公司生產(chǎn)的S7-300系列，由于現場(chǎng)的PLC系統與主控室的上位機距離較遠（800米左右），因此通訊系統需成對加裝RS-485中繼器，另外在現場(chǎng)增加TP27-10//觸摸屏進(jìn)行數據顯示，確保系統運行的穩定性。系統組成如圖1所示。 
1.1 系統結構及硬件配置 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(shí)現機架擴展，上位監控機采用SIEMENS公司CP5611網(wǎng)卡完成計算機與PLC之間的數據通訊。整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò )采用MPI的通訊協(xié)議，從上位機上可對整個(gè)氣體調節過(guò)程進(jìn)行監控和操作。 1．2控制系統的功能實(shí)現 PLC程序的編制直接關(guān)系著(zhù)供氣系統能否正常工作，而程序設計的關(guān)鍵在于編程者對工藝系統的理解程度和程序編制技術(shù)的靈活應用。因此，在程序設計中首先考慮了供氣壓力調節系統的特點(diǎn)，將程序設計細化，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，便于現場(chǎng)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(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(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。上位機監控軟件采用國產(chǎn)軟件組態(tài)王，全部采用漢化界面，便于系統的開(kāi)發(fā)與操作，該系統運行于Windows2000中文平臺，可實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)程的全面監控，對重要參數形成歷史記錄，以報表或曲線(xiàn)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顯示重要參數的歷史趨勢、實(shí)時(shí)趨勢，實(shí)現壓力調節的手自動(dòng)切換、操作、壓力的高、低限報警、流量數據的顯示與累計，滿(mǎn)足高生產(chǎn)率的調度需求。 1.3 現場(chǎng)顯示 現場(chǎng)采用TP27觸摸屏進(jìn)行參數顯示、控制，觸摸屏程序由組態(tài)軟件來(lái)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(chǎng)壓力、流量、閥位的顯示與操作�？勺鳛椴僮魅藛T現場(chǎng)操作的依據。 1.4 工控機配置 工控機采用研華IPC-610，通過(guò)CP5611卡，完成S7-300 PLC與工控機的通訊。主要完成下列任務(wù)：傳送現場(chǎng)監控數據；運行監控；故障記錄和排除提示；參數設置；生產(chǎn)數據管理和處理；圖形化示教和離線(xiàn)編程。 2 系統實(shí)現了供氣系統的自動(dòng)控制和監控，主要包括如下功能： 1）靈活的操作方式以及強大的系統控制功能： 系統可以實(shí)現上位機操作、控制柜觸摸屏操作和就地手動(dòng)操作； 2）報警功能： 當壓力超過(guò)工藝要求，可在現場(chǎng)、就地實(shí)現高、低限壓力報警； 3）簡(jiǎn)單、方便的參數設定： 壓力調節閥的壓力設定值、P、I、D等參數可以在上位機中設定。 2.1 系統控制功能 （1）過(guò)程控制的功能： 1)系統對供氣壓力實(shí)現了PID自動(dòng)調節控制； 2)對所采集的模擬信號進(jìn)行線(xiàn)性化、濾波、工程單位轉換處理； 3)實(shí)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(lián)鎖邏輯控制實(shí)現開(kāi)/關(guān)的控制，邏輯控制及用戶(hù)自定義功能塊等。系統實(shí)現了電磁閥控制以及參數越限報警等功能。 （3）人機接口 HMI系統中包含主工藝畫(huà)面，各系統送氣壓力、流量，供氣壓力調節等多幅畫(huà)面，畫(huà)面直觀(guān)、豐富，具備PID在線(xiàn)調節、在線(xiàn)顯示調節曲線(xiàn)功能，包括過(guò)程量變化趨勢的實(shí)時(shí)趨勢曲線(xiàn)、歷史趨勢曲線(xiàn)。 （4）報表打印 以報表形式繪制報警記錄、歷史記錄畫(huà)面，調節間數據報表。實(shí)時(shí)趨勢曲線(xiàn)和歷史趨勢曲線(xiàn)可隨意設定時(shí)間段，打印在線(xiàn)趨勢，歷史趨勢曲線(xiàn)。 3 軟件設計 根據該系統具體情況，PLC系統軟件設計過(guò)程中著(zhù)重要考慮的是以下幾個(gè)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 對于系統中的邏輯控制選用梯形圖（LADDER）編程，直觀(guān)、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(yǔ)句表（STL）編程，結構緊湊而又靈活。 PID調節是該系統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：連續型PID（FB41）和離散型PID（FB42），根據實(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調節器的操作面板，完成PID調節控制中的手/自動(dòng)切換、給定值輸入、手動(dòng)輸出值輸入、PID參數（比例系數、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，根據差值的變化率調節，可抑制超調。ＳＰｎ：第ｎ次采樣時(shí)刻的設定值。 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，每次采樣計算后自動(dòng)刷新。 ＧＡＩＮ：回路增益，P參數。 ＴＩ：積分時(shí)間常數，即I參數。 ＴＩ：微分時(shí)間常數，即D參數。 ＴＳ：采樣時(shí)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(lái)確定PID參數，唯一的衡量標準就是被控參數（壓力）的精度和穩定度，所以在實(shí)際調試中，都是參照被控參數的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)，反復觀(guān)察分析，從而達到最佳的控制效果。 4 采用該系統的意義 （1）計算機化管理使得系統信息儲存量大，數據采集與反饋及時(shí)、準確，系統的生產(chǎn)數據可實(shí)現長(cháng)期保存，有利于生產(chǎn)數據的歷史查詢(xún)和故障的即時(shí)排除； （2）該系統投入運行后，通過(guò)計算機顯示與控制，提高了過(guò)程自動(dòng)化的程度，可實(shí)現無(wú)人調節操作，減少了操作環(huán)節，降低了運行成本，使系統的管理和控制上了一個(gè)新臺階。 5 結束語(yǔ) 該系統自2005年7月投入運行后，工作穩定、可靠，成功地實(shí)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(wǎng)絡(luò ). 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(zhù).可編程序控制器應用技術(shù)（第三版）.重慶：重慶大學(xué)出版社，2000 Author: Source:中電網(wǎng) |
