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)饧皻鍤猓?，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(yùn)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(yùn)行，造成了人工成本的上升,。

　　鑒于以上三點(diǎn),，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(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)域有無可比擬的優(yōu)點(diǎn),。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(shí)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(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)上可對整個(gè)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(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(gè)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(yùn)行于Windows2000中文平臺，可實(shí)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(bào)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(shí)時(shí)趨勢，實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)的手自動切換,、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?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操作；

　　2）報(bào)警功能：

　　當(dāng)壓力超過工藝要求,，可在現(xiàn)場,、就地實(shí)現(xiàn)高、低限壓力報(bào)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(shí)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(shí)現(xiàn)了流量信號的溫、壓補(bǔ)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(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(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(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線,。

　?。?）報(bào)表打印

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

　　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)過程中著重要考慮的是以下幾個(gè)方面：

　?。?） 數(shù)據(jù)采集及工程量轉(zhuǎn)換

　?。?） 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(jì)算以及流量的累積計(jì)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(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(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

　?。停校?＝ ＧＡＩＮ？（ＳＰｎ－ ＰＶｎ）

　?。停校?＝ ＧＡＩＮ ,？ ＴＳ／ ＴＩ？（ＳＰｎ－ＰＶｎ）＋ ＭＸ

　?。停模?＝ ＧＡＩＮ ,？ ＴＤ／ ＴＳ？（ＰＶｎ－１－ＰＶｎ）

　?。停睿旱冢畲尾蓸訒r(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)。

　?。停模睿旱冢畲尾蓸訒r(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)刻的過程值,。

　?。停兀旱冢睿贝尾蓸訒r(shí)刻的積分作用，每次采樣計(jì)算后自動刷新,。

　?。牵粒桑危夯芈吩鲆妫琍參數(shù),。

　?。裕桑悍e分時(shí)間常數(shù)，即I參數(shù),。

　?。裕桑何⒎謺r(shí)間常數(shù)，即D參數(shù),。

　?。裕樱翰蓸訒r(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

　?。?）計(jì)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(shí)、準(zhǔn)確,，系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可實(shí)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(shí)排除；

　?。?）該系統(tǒng)投入運(yùn)行后,，通過計(jì)算機(jī)顯示與控制，提高了過程自動化的程度,，可實(shí)現(xiàn)無人調(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)新臺階,。

　　5 結(jié)束語

　　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),。