PLC控制系统在气体调节中的应用
2006/5/9 17:29:00
摘 要：
本文介绍了基于PLC S7-300的控制系统。该系统通过S7-300与上位机工作站之间进行通讯，实现气体调节的全自动控制，保证系统的稳定运行，减轻工人的劳动强度，在气体生产中发挥重要作用。
关键词：
PLC;送氧调节间；气体调节；通讯
Abstract:
It is introduced based on the PLC s7-300 control system. This system realizes gas adjustment completely automatic control through s700-300 by communicating between the position machine workstation. It can guarantee this system work stably ,reduce workers’labor intensity . It plays the vital role in the gas production.
Key words :
PLC; Delivers the oxygen adjustment ; Gas adjustment ;
Communication
0 概述
气体公司调节间于2001年10月投入运行，是我厂技改项目的配套工程。其作用是提供调节适当的生产用气（氧气、氮气及氩气），来满足生产单位的需求。
近几年，随着我厂生产规模的逐步扩大,就更加要求气体调节在生产中的稳定性和快速性，而目前传统的二次仪表已无法满足现有的控制需求。主要表现在：
1）过程自动化程度低，信息采集和反馈仍采用传统的二次仪表，致使数据采集缓慢、调节滞后，降低了系统运行的稳定性。
2）仪表内部信息储存量小，采集的压力、流量等数据无法长期保存，不便于日后生产工作的历史查询和分析。
3）系统可靠性低，需要配专人负责该系统的运行，造成了人工成本的上升；
鉴于以上三点，通过采用PLC（可编程控制器）控制系统，解决当前存在的问题。
1 PLC控制系统的特点及组成
PLC在现代工业控制领域中早己得到了广泛的应用。以PLC的控制功能而言，具有严谨、方便、易编程、易安装、可靠性高等优点。它通用性强，适应面广,特别在数字量输入/输出等逻辑控制领域有无可比拟的优点。PLC具有丰富的逻辑控制指令和高级应用指令，它提供高质量的硬件、高水平的系统软件平台和易学易编程的应用软件平台。另外，PLC即有自身的网络体系又有开放I／0及通讯接口，很容易组建网络并实现远程访问。
PLC采用Siemens公司生产的S7-300系列，由于现场的PLC系统与主控室的上位机距离较远（800米左右），因此通讯系统需成对加装RS-485中继器，另外在现场增加TP27-10//触摸屏进行数据显示，确保系统运行的稳定性。系统组成如图1所示。
1.1 系统结构及硬件配置
根据控制需求，CPU模块采用CPU314、数字量输入（DI）采用SM321模块，数字量输出(DO) 采用 SM322模块，模拟量输入(AI) 采用 SM331模块，模拟量输出(AO) 采用 SM332模块以及IM365等模块组成，IM365实现机架扩展，上位监控机采用SIEMENS公司CP5611网卡完成计算机与PLC之间的数据通讯。整个通讯网络采用MPI的通讯协议，从上位机上可对整个气体调节过程进行监控和操作。
1．2控制系统的功能实现
PLC程序的编制直接关系着供气系统能否正常工作，而程序设计的关键在于编程者对工艺系统的理解程度和程序编制技术的灵活应用。因此，在程序设计中首先考虑了供气压力调节系统的特点，将程序设计细化，分成多个程序模块，实行模块化编程。这样既可以方便的增加或删除程序模块，便于现场对工艺的调整，又可针对配套设备可控性对不同程序模块进行完善。
PLC的编程软件采用SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1软件平台用来完成硬件组态、地址和站址的分配以及编制整个生产过程的控制程序的。上位机监控软件采用国产软件组态王，全部采用汉化界面，便于系统的开发与操作，该系统运行于Windows2000中文平台，可实现对生产过程的全面监控，对重要参数形成历史记录，以报表或曲线的形式显示给操作人员。通过VB语言脚本，可以在主控室的上位机显示重要参数的历史趋势、实时趋势，实现压力调节的手自动切换、操作、压力的高、低限报警、流量数据的显示与累计，满足高生产率的调度需求。
1.3 现场显示
现场采用TP27触摸屏进行参数显示、控制，触摸屏程序由组态软件来完成，人机界面采用中文菜单，界面友好，操作方便，功能较强，主要用于现场压力、流量、阀位的显示与操作。可作为操作人员现场操作的依据。
1.4 工控机配置
工控机采用研华IPC-610，通过CP5611卡，完成S7-300 PLC与工控机的通讯。主要完成下列任务：传送现场监控数据；运行监控；故障记录和排除提示；参数设置；生产数据管理和处理；图形化示教和离线编程。
2 系统实现了供气系统的自动控制和监控，主要包括如下功能：
1）灵活的操作方式以及强大的系统控制功能：
系统可以实现上位机操作、控制柜触摸屏操作和就地手动操作；
2）报警功能：
当压力超过工艺要求，可在现场、就地实现高、低限压力报警；
3）简单、方便的参数设定：
压力调节阀的压力设定值、P、I、D等参数可以在上位机中设定。
2.1 系统控制功能
（1）过程控制的功能：
1)系统对供气压力实现了PID自动调节控制；
2)对所采集的模拟信号进行线性化、滤波、工程单位转换处理；
3)实现了流量信号的温、压补偿，提高了仪表的测量精度。
（2）逻辑控制
联锁逻辑控制实现开/关的控制，逻辑控制及用户自定义功能块等。系统实现了电磁阀控制以及参数越限报警等功能。
（3）人机接口
HMI系统中包含主工艺画面，各系统送气压力、流量，供气压力调节等多幅画面，画面直观、丰富，具备PID在线调节、在线显示调节曲线功能，包括过程量变化趋势的实时趋势曲线、历史趋势曲线。
（4）报表打印
以报表形式绘制报警记录、历史记录画面，调节间数据报表。实时趋势曲线和历史趋势曲线可随意设定时间段，打印在线趋势，历史趋势曲线。
3 软件设计
根据该系统具体情况，PLC系统软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面：
（1） 数据采集及工程量转换
（2） PID算法
（3） 流量温压补偿计算以及流量的累积计算
对于系统中的逻辑控制选用梯形图（LADDER）编程，直观、方便；对于PID回路控制流量温压补偿计算以及流量的累积计算部分则采用语句表（STL）编程，结构紧凑而又灵活。
PID调节是该系统中最为重要的控制程序，因此特将PID算法作一重点介绍。
3．1 ＰＩＤ算法
STEP7提供了两种常用的PID算法：连续型PID（FB41）和离散型PID（FB42），根据实际要求，选用的是FB41。并在组态王中使用画图功能模拟一个PID调节器的操作面板，完成PID调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID参数（比例系数、积分时间）输入等功能。
PID算法的输出实际上是比例（P）、积分（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次采样时刻的输出值。
ＭＰｎ：第ｎ次采样时刻的比例作用，与偏差成正比。
ＭＩｎ：第ｎ次采样时刻的积分作用，可以消除静差，提高控制品质。
ＭＤｎ：第ｎ次采样时刻的微分作用，根据差值的变化率调节，可抑制超调。 ＳＰｎ：第ｎ次采样时刻的设定值。
ＰＶｎ：第ｎ次采样时刻的过程值。
ＭＸ：第ｎ－１次采样时刻的积分作用，每次采样计算后自动刷新。
ＧＡＩＮ：回路增益，P参数。
ＴＩ：积分时间常数，即I参数。
ＴＩ：微分时间常数，即D参数。
ＴＳ：采样时间。
从上面的公式中可以看出，参数P（GAIN）与P、I、D作用都是成正比的，它决定了PID回路的灵敏度，即调节速度的快慢；Ｉ参数越大，积分作用越弱，而D参数越大，微分作用越强。不能单靠理论计算来确定PID参数，唯一的衡量标准就是被控参数（压力）的精度和稳定度，所以在实际调试中，都是参照被控参数的实时曲线，反复观察分析，从而达到最佳的控制效果。
4 采用该系统的意义
（1）计算机化管理使得系统信息储存量大，数据采集与反馈及时、准确，系统的生产数据可实现长期保存，有利于生产数据的历史查询和故障的即时排除；
（2）该系统投入运行后，通过计算机显示与控制，提高了过程自动化的程度，可实现无人调节操作，减少了操作环节，降低了运行成本，使系统的管理和控制上了一个新台阶。
5 结束语
该系统自2005年7月投入运行后，工作稳定、可靠，成功地实现了全部控制功能，取得了比较好的控制效果，达到了预期的控制指标。
[参考文献]
1.殷华文主编.可编程序控制器及工业控制网络. 西安：西安地图出版社，2001
2.SIEMENS公司． SIMATIC S7-300 M7-300可编程序控制器模板规范参考手册，2001.10
3.SIEMENS公司. STEP7_v5.1编程中文手册.2001
4.亚控公司.组态王手册Version 6.5
5.廖常初编著.可编程序控制器应用技术（第三版）.重庆：重庆大学出版社，2000
作者简介：
孙涛，男，汉，1974年生，2004年毕业于山东大学计算机科学技术专业，现在济钢集团石横特殊钢厂气体公司从事计算机监控系统和仪器仪表自动化方面的工作。 联系电话：0538-3973450、3692327 邮编：271612
冯磊，男，汉，1980年生，2001年7月毕业于辽宁工程技术大学自动化
本文介绍了基于PLC S7-300的控制系统。该系统通过S7-300与上位机工作站之间进行通讯，实现气体调节的全自动控制，保证系统的稳定运行，减轻工人的劳动强度，在气体生产中发挥重要作用。
关键词：
PLC;送氧调节间；气体调节；通讯
Abstract:
It is introduced based on the PLC s7-300 control system. This system realizes gas adjustment completely automatic control through s700-300 by communicating between the position machine workstation. It can guarantee this system work stably ,reduce workers’labor intensity . It plays the vital role in the gas production.
Key words :
PLC; Delivers the oxygen adjustment ; Gas adjustment ;
Communication
0 概述
气体公司调节间于2001年10月投入运行，是我厂技改项目的配套工程。其作用是提供调节适当的生产用气（氧气、氮气及氩气），来满足生产单位的需求。
近几年，随着我厂生产规模的逐步扩大,就更加要求气体调节在生产中的稳定性和快速性，而目前传统的二次仪表已无法满足现有的控制需求。主要表现在：
1）过程自动化程度低，信息采集和反馈仍采用传统的二次仪表，致使数据采集缓慢、调节滞后，降低了系统运行的稳定性。
2）仪表内部信息储存量小，采集的压力、流量等数据无法长期保存，不便于日后生产工作的历史查询和分析。
3）系统可靠性低，需要配专人负责该系统的运行，造成了人工成本的上升；
鉴于以上三点，通过采用PLC（可编程控制器）控制系统，解决当前存在的问题。
1 PLC控制系统的特点及组成
PLC在现代工业控制领域中早己得到了广泛的应用。以PLC的控制功能而言，具有严谨、方便、易编程、易安装、可靠性高等优点。它通用性强，适应面广,特别在数字量输入/输出等逻辑控制领域有无可比拟的优点。PLC具有丰富的逻辑控制指令和高级应用指令，它提供高质量的硬件、高水平的系统软件平台和易学易编程的应用软件平台。另外，PLC即有自身的网络体系又有开放I／0及通讯接口，很容易组建网络并实现远程访问。
PLC采用Siemens公司生产的S7-300系列，由于现场的PLC系统与主控室的上位机距离较远（800米左右），因此通讯系统需成对加装RS-485中继器，另外在现场增加TP27-10//触摸屏进行数据显示，确保系统运行的稳定性。系统组成如图1所示。
1.1 系统结构及硬件配置
根据控制需求，CPU模块采用CPU314、数字量输入（DI）采用SM321模块，数字量输出(DO) 采用 SM322模块，模拟量输入(AI) 采用 SM331模块，模拟量输出(AO) 采用 SM332模块以及IM365等模块组成，IM365实现机架扩展，上位监控机采用SIEMENS公司CP5611网卡完成计算机与PLC之间的数据通讯。整个通讯网络采用MPI的通讯协议，从上位机上可对整个气体调节过程进行监控和操作。
1．2控制系统的功能实现
PLC程序的编制直接关系着供气系统能否正常工作，而程序设计的关键在于编程者对工艺系统的理解程度和程序编制技术的灵活应用。因此，在程序设计中首先考虑了供气压力调节系统的特点，将程序设计细化，分成多个程序模块，实行模块化编程。这样既可以方便的增加或删除程序模块，便于现场对工艺的调整，又可针对配套设备可控性对不同程序模块进行完善。
PLC的编程软件采用SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1软件平台用来完成硬件组态、地址和站址的分配以及编制整个生产过程的控制程序的。上位机监控软件采用国产软件组态王，全部采用汉化界面，便于系统的开发与操作，该系统运行于Windows2000中文平台，可实现对生产过程的全面监控，对重要参数形成历史记录，以报表或曲线的形式显示给操作人员。通过VB语言脚本，可以在主控室的上位机显示重要参数的历史趋势、实时趋势，实现压力调节的手自动切换、操作、压力的高、低限报警、流量数据的显示与累计，满足高生产率的调度需求。
1.3 现场显示
现场采用TP27触摸屏进行参数显示、控制，触摸屏程序由组态软件来完成，人机界面采用中文菜单，界面友好，操作方便，功能较强，主要用于现场压力、流量、阀位的显示与操作。可作为操作人员现场操作的依据。
1.4 工控机配置
工控机采用研华IPC-610，通过CP5611卡，完成S7-300 PLC与工控机的通讯。主要完成下列任务：传送现场监控数据；运行监控；故障记录和排除提示；参数设置；生产数据管理和处理；图形化示教和离线编程。
2 系统实现了供气系统的自动控制和监控，主要包括如下功能：
1）灵活的操作方式以及强大的系统控制功能：
系统可以实现上位机操作、控制柜触摸屏操作和就地手动操作；
2）报警功能：
当压力超过工艺要求，可在现场、就地实现高、低限压力报警；
3）简单、方便的参数设定：
压力调节阀的压力设定值、P、I、D等参数可以在上位机中设定。
2.1 系统控制功能
（1）过程控制的功能：
1)系统对供气压力实现了PID自动调节控制；
2)对所采集的模拟信号进行线性化、滤波、工程单位转换处理；
3)实现了流量信号的温、压补偿，提高了仪表的测量精度。
（2）逻辑控制
联锁逻辑控制实现开/关的控制，逻辑控制及用户自定义功能块等。系统实现了电磁阀控制以及参数越限报警等功能。
（3）人机接口
HMI系统中包含主工艺画面，各系统送气压力、流量，供气压力调节等多幅画面，画面直观、丰富，具备PID在线调节、在线显示调节曲线功能，包括过程量变化趋势的实时趋势曲线、历史趋势曲线。
（4）报表打印
以报表形式绘制报警记录、历史记录画面，调节间数据报表。实时趋势曲线和历史趋势曲线可随意设定时间段，打印在线趋势，历史趋势曲线。
3 软件设计
根据该系统具体情况，PLC系统软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面：
（1） 数据采集及工程量转换
（2） PID算法
（3） 流量温压补偿计算以及流量的累积计算
对于系统中的逻辑控制选用梯形图（LADDER）编程，直观、方便；对于PID回路控制流量温压补偿计算以及流量的累积计算部分则采用语句表（STL）编程，结构紧凑而又灵活。
PID调节是该系统中最为重要的控制程序，因此特将PID算法作一重点介绍。
3．1 ＰＩＤ算法
STEP7提供了两种常用的PID算法：连续型PID（FB41）和离散型PID（FB42），根据实际要求，选用的是FB41。并在组态王中使用画图功能模拟一个PID调节器的操作面板，完成PID调节控制中的手/自动切换、给定值输入、手动输出值输入、PID参数（比例系数、积分时间）输入等功能。
PID算法的输出实际上是比例（P）、积分（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次采样时刻的输出值。
ＭＰｎ：第ｎ次采样时刻的比例作用，与偏差成正比。
ＭＩｎ：第ｎ次采样时刻的积分作用，可以消除静差，提高控制品质。
ＭＤｎ：第ｎ次采样时刻的微分作用，根据差值的变化率调节，可抑制超调。 ＳＰｎ：第ｎ次采样时刻的设定值。
ＰＶｎ：第ｎ次采样时刻的过程值。
ＭＸ：第ｎ－１次采样时刻的积分作用，每次采样计算后自动刷新。
ＧＡＩＮ：回路增益，P参数。
ＴＩ：积分时间常数，即I参数。
ＴＩ：微分时间常数，即D参数。
ＴＳ：采样时间。
从上面的公式中可以看出，参数P（GAIN）与P、I、D作用都是成正比的，它决定了PID回路的灵敏度，即调节速度的快慢；Ｉ参数越大，积分作用越弱，而D参数越大，微分作用越强。不能单靠理论计算来确定PID参数，唯一的衡量标准就是被控参数（压力）的精度和稳定度，所以在实际调试中，都是参照被控参数的实时曲线，反复观察分析，从而达到最佳的控制效果。
4 采用该系统的意义
（1）计算机化管理使得系统信息储存量大，数据采集与反馈及时、准确，系统的生产数据可实现长期保存，有利于生产数据的历史查询和故障的即时排除；
（2）该系统投入运行后，通过计算机显示与控制，提高了过程自动化的程度，可实现无人调节操作，减少了操作环节，降低了运行成本，使系统的管理和控制上了一个新台阶。
5 结束语
该系统自2005年7月投入运行后，工作稳定、可靠，成功地实现了全部控制功能，取得了比较好的控制效果，达到了预期的控制指标。
[参考文献]
1.殷华文主编.可编程序控制器及工业控制网络. 西安：西安地图出版社，2001
2.SIEMENS公司． SIMATIC S7-300 M7-300可编程序控制器模板规范参考手册，2001.10
3.SIEMENS公司. STEP7_v5.1编程中文手册.2001
4.亚控公司.组态王手册Version 6.5
5.廖常初编著.可编程序控制器应用技术（第三版）.重庆：重庆大学出版社，2000
作者简介：
孙涛，男，汉，1974年生，2004年毕业于山东大学计算机科学技术专业，现在济钢集团石横特殊钢厂气体公司从事计算机监控系统和仪器仪表自动化方面的工作。 联系电话：0538-3973450、3692327 邮编：271612
冯磊，男，汉，1980年生，2001年7月毕业于辽宁工程技术大学自动化
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