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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?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(xiàn)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。它通用性強，適應面廣,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)軟件平臺和易學易編程的應用軟件平臺。另外，PLC即有自身的網(wǎng)絡體系又有開放I／0及通訊接口，很容易組建網(wǎng)絡并實現(xiàn)遠程訪問。 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(xiàn)場增加TP27-10//觸摸屏進行數(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)機架擴展，上位監(jiān)控機采用SIEMENS公司CP5611網(wǎng)卡完成計算機與PLC之間的數(shù)據(jù)通訊。整個通訊網(wǎng)絡采用MPI的通訊協(xié)議，從上位機上可對整個氣體調(diào)節(jié)過程進行監(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)的靈活應用。因此，在程序設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(xiàn)場對工藝的調(diào)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(chǎn)過程的控制程序的。上位機監(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觸摸屏進行參數(shù)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(xiàn)場壓力、流量、閥位的顯示與操作。可作為操作人員現(xiàn)場操作的依據(jù)。 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(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大的系統(tǒng)控制功能： 系統(tǒng)可以實現(xiàn)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(xiàn)場、就地實現(xiàn)高、低限壓力報警； 3）簡單、方便的參數(shù)設定： 壓力調(diào)節(jié)閥的壓力設定值、P、I、D等參數(shù)可以在上位機中設定。 2.1 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(xiàn)了PID自動調(diào)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(zhuǎn)換處理； 3)實現(xiàn)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。 （4）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定時間段，打印在線趨勢，歷史趨勢曲線。 3 軟件設計 根據(jù)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(shù)據(jù)采集及工程量轉(zhuǎn)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(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： 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(zhì)。 ＭＤｎ：第ｎ次采樣時刻的微分作用，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(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)。 ＴＳ：采樣時間。 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。不能單靠理論計算來確定PID參數(shù)，唯一的衡量標準就是被控參數(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(shù)據(jù)采集與反饋及時、準確，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； （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(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. 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(shù)（第三版）.重慶：重慶大學出版社，2000 Author: Source:中電網(wǎng) |
