基于PLC和组态软件的螺杆压缩机组监控系统

摘要： HT-7U低温系统是为保证HT-7U托卡马克全超导先进稳态可控核聚变实验装置的纵场和极向场超导磁体稳定运行提供冷量，螺杆压缩机组是HT-7U低温系统的 子系统之一。本文详细论述了基于PLC和组态软件的螺杆压缩机组监控系统，给出了监控系统的硬件结构、控制思想、软件结构和实现的功能。 关键字：HT-7U；监控系统 ； PLC； Controller Link 网络；组态软件 Based PLC and Configuration Software for Supervisory System of Screw Compressor Station Jin Yibin Zhuang Ming Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Science,Hefei ,Anhui province 230031,China Abstract: The HT-7U fully superconducting tokamak is an advanced steady-state plasma physics experimental device. The cryogenic system for HT-7U tokamak supplies the forced flow supercritical helium to cool down the 16 TF coils and 14 PF coils which are made of NbTi/Cu CICC and operate at 3.8K. Screw compressor station is a subsystem of HT-7U cryogenic system. The paper discusses the survey system of screw compressor station based on PLC and configuration software in detail. The hardware and software structure, control philosophy and functions of the survey system are presented. Key words: HT-7U; supervisory system; PLC; Controller Link network; configuration software 引言 HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置是中科院等离子体物理研究所承担的国家级大科学工程项目，其目标是能在装置上对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的前沿性物理问题开展探索性的实验研究。HT－7U低温系统，作为该项目中主要子系统之一，是为HT-7U超导托卡马克的纵向和极向场超导磁体稳定运行提供冷量，同时该系统的2KW/4K制冷机还用来生产液氦以满足其他实验及用户的需求。低温系统由三部分构成：压缩机站、制冷机冷箱部分、托卡马克磁体冷却部分。采用OMRON公司的CS1G CPU44 PLC作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和运算的主要设备，其它测量监控设备为辅的方案，实现了压缩机站的实时监测、自动控制和系统运行诊断，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求，。 1.系统介绍 HT-7U氦低温系统的压缩机站部分包括两级螺杆压缩机组、除油系统等设备，其系统流程图见图1。 压缩机部分由低压级和高压级二级串联组成，低压级为三台LG25Ⅱ型螺杆压缩机并联，将氦气从0.104Mpa(P0)压缩至0.51Mpa(P1)，总的质量流量250g/s；高压级为两台LG20Ⅱ螺杆压缩机并联，将氦气从0.51Mpa(P1)压缩至2Mpa(P2)，总的质量流量超过360g/s。压缩机站的作用是 图1 压缩机站系统流程图 为制冷机的降温、回温、液化、制冷等各种运行模式提供需要的稳定压力和高纯度的氦气流量，它对整个低温系统的稳定性和制冷机的工作效率至关重要。根据制冷机需要的氦气流量选择投入或停止压缩机的台数，通过对螺杆压缩机能量滑阀和五个控制阀门的调节使PO、P1、P2稳定在要求的精度范围之内。螺杆压缩机站需要测量的工艺参数主要有：压力、温度、差压、流量、液位、转速、真空度、气体纯度、阀门开度、电机电流、压缩机能量滑阀位置，系统共有数字量输入99路, 模拟量输入59路, 数字量输出59路, 模拟量输出6路；需要控制的主要过程有螺杆压缩机的启动、停车和安全运转，压缩机油温的调节，各设备故障时的处理等。 2.监控系统硬件结构 压缩机组监控系统采用上位机和下位机组成，系统硬件结构图如图2所示。上位机使用两台研华工控机，一台作为操作站实现整个系统的监控和数据检测，另一台作为工程师站完成组态软件的设计和开发、PLC程序的开发以及将软件通过串口传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器OMRON CS1G-CPU44 PLC实现压缩机站大多数参数的采集和控制，一些不参与压力控制的参数如油吸附器压力、缓冲罐压力等信号由研华的ADAN数据采集模块采集，并以串行数据的形式传送给上位机，采用屏蔽电缆作为工控机串口与PLC和ADAM模块串行通信的介质。采用ADAN 4520 RS485/232C转换器是为解决RS232C的通讯距离短和干扰较大等问题 图2 压缩机站监控系统硬件结构图 监控系统的硬件配置为：研华工控机，CPU为PIII 733，操作站还扩展了Controller Link 支持卡3G8F5 CLK01-E, PLC配置的模块有基本I/O单元：3块16点输入单元ID212、6块16点输出单元OC225，高密度I/O单元：2块32点输入单元ID216，特殊I/O单元：4块8路模拟量输入单元AD003、1块8路模拟量输出单元DA004、3块温度传感器单元TS102，Controller Link 通讯单元CS1W CLK21, ADAN模块有4块8通道模块ADAN 4017、2块3通道模块ADAN 4013和1块RS485/232 转换器ADAN 4520。 通过在现场级PLC的Controller Link线缆通信单元CLK21和操作站ISA插槽上扩展的通信单元3G8F5-CLK01-E，将上位机和下位机组成Omron Controller Link网络。OMRON公司的Controller Link网络（控制器网）是OMRON主要的FA（工厂自动化）级别的网络，是一种使用令牌总线通信的网络，网络中的每个节点都可作为主站进行数据的发送和接收，通过设置数据链接节点间可以自动交换预置区域那的数据。该网络中控制通信的节点称为发牌单元，它控制令牌，检查网络和执行相关的任务。这种总线型拓扑结构具有最大的灵活性，易于扩充和维护，满足了系统可扩展性要求。由于采用了分布式控制技术，可确保Controller Link网络不会因某个站点故障而崩溃，提高了系统的稳定性。本系统中采用屏蔽双绞线作为Controller Link网络的通信介质，由于各节点距离小于500m，所以传输速率达2Mbps，可满足系统实时性要求。ＰＬＣ网络在完成物理连接后,必须对进行必要的参数设置并建立路径表, 这是整个网络配置过程中最重要的部分。设置的参数包括通信单元的单元号、所在网络的节点号、Ｉ/Ｏ表、数据链接等。只有在完成这些必要的工作后，才能实现ＰＬＣ网络的互连。本系统中CLK21和3G8F5 CLK01-E模块的参数设置见表1。 表1 Controller Link 通信单元参数设置表 3.监控软件结构设计 工业控制组态软件是可以从可编程控制器、各种数据采集卡等设备中实时采集数据，发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包，组态软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据库等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。北京亚控公司开发的KingView 5.1是运行在Window98/NT上的一种组态软件，由工程浏览器TouchMAK和画面运行系统TouchVEW两部分组成。TouchMAK是KingView软件的核心部分和管理开发系统,它的功能是建立动画显示窗口。通过它提供的工具箱可方便建立实时曲线图、历史趋势图和报警记录显示。TouchVEW是显示TochMAK中建立的图形窗口的运行环境。在螺杆压缩机监控系统中，工程师站可运行TouchMAK和TouchVEW,而操作站只允许运行TochVEW。图3是监控软件的结构。KingView 5.1驱动程序通过Controller Link网络与PLC进行通信，通过串口与ADAN模块进行通信，分别访问相应的寄存器，以获取压缩机现场各工艺参数的实际值或对现场的开关量和模拟量如各控制阀门的开度进行控制。本系统中将PLC的DM0～DM199设置为可读写区，即上位机可对下位机该区域进行读写操作；将DM200～DM399设置为只读区，即上位机只能读出下位机该区域的值而不能改变。 图3 监控软件结构图 螺杆压机站测量和控制系统上位机的组态软件基本实现了螺杆压机站测控的要求。简洁且形象的模拟了压机站的工艺流程，操作人员能在中央控制室的计算机屏幕上了解压机站的全部运行状况，包括各种报警。取得权限的操作人员能在中央控制室实现对任何一台压缩机单独操作或联机操作，所有的自动与半自动之间的切换都是无扰切换。每个控制按钮和每个自动与半自动切换按钮都有进一步的确认或取消，防止误操作。 4.控制系统设计思想 采用低压级和高压级二级串联的大型螺杆压缩机组系统在德国、日本和法国等国家有过成功例证，在国内尚应用不多。这种系统的压力控制方法主要有二种：一为前级控制，二为后级控制。前级控制把压缩机进气压力作为控制依据，这种方法使系统耦合减小，但压缩机排气压力波动较大；后级控制把压缩机排气压力作为控制依据，压缩机排气压力控制精度高，但系统耦合程度大，系统实现复杂。螺杆压缩机依靠被称为能量滑阀的结构元件的增减载（由电磁换向阀的通断实现）来调节压缩机的容积流量，。补气阀和收气阀调节系统中的气体流量。 压缩机控制系统要求在保证压力稳定的前提下，提供给制冷机在各个工况下不同的气体流量，所以压缩机控制系统首先要保持氦气循环系统的流量平衡；同时要保证供气压力（二级压力）的稳定性。按照压缩机系统的结构体系，将图1中P0、P1、P2分别单独进行控制，然后形成串级控制，这种控制方案可降低系统内部的耦合程度，减少控制的复杂性 。由于压缩机控制系统属于大滞后强耦合多变量过程控制系统，控制系统的数学模型难以辨识，调节