基于GE Rx3i PLC生產過程控制技術實訓裝置設計與實現(xiàn)

麥艷紅，鐘文

(1.南寧職業(yè)技術學院 機電工程學院，廣西 南寧 530008;2.南寧廣開電氣有限公司，廣西 南寧 530008)

0 引言

實訓是高等院校實踐環(huán)節(jié)的重要組成部分，工業(yè)過程控制系統(tǒng)實訓對培養(yǎng)自動化專業(yè)學生工程實踐能力和職業(yè)技能起著舉足輕重的作用，然而生產過程是個連續(xù)的工業(yè)過程，實際生產中一般不允許改變工藝參數(shù)，所以學生到工廠實習，效果不是很理想，為培養(yǎng)學生的需要，應研制相關的工業(yè)生產過程實訓裝置，創(chuàng)造一個逼真的生產過程環(huán)境，加深學生對工業(yè)生產過程的理解，提高工程實踐能力和創(chuàng)新能力。現(xiàn)代生產過程裝置離不開先進的自動化控制技術，將最新的GE Rx3i PLC自動化技術應用到過程控制實訓裝置中，使學生在掌握系統(tǒng)原理與工藝的基礎上，學習到GE Rx3i PLC相關知識和先進技術。

1 生產過程控制實訓裝置系統(tǒng)工藝

系統(tǒng)主要由3個水箱(1個儲水箱，2個功能水箱)、1個泵(動力源)以及各個支路上完成不同功能的執(zhí)行部件和檢測元件組成。當設備不用時，全部的水都在儲水箱或者全部放空，使用設備時，先往儲水箱中注水，再由泵往兩功能水箱注水，超出水位時，水箱通過溢流管回水至儲水箱。當達到要求水位時，通過各個支路之間的配合，完成實訓要求。過程控制實訓裝置系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

當做流量實驗時，設定固定流量值，系統(tǒng)按照設定流量供水，當需改變系統(tǒng)流量時，只需改變控制終端流量數(shù)值，通過控制變頻器來增大或者改變系統(tǒng)流量大小。現(xiàn)場儀表、觸摸屏、監(jiān)控界面同時顯示當前流量值，便于學生對比。當做壓力實驗時，電磁閥1、手動閥1可選擇閉合，單獨測壓力這個支路，通過調節(jié)支路上的電動執(zhí)行器，來達到恒定壓力的效果。當壓力超過或低于一定值時，系統(tǒng)會相應的調整流量大小來補償。如做液位實驗，則通過電磁閥1、壓力支路的開閉或電動執(zhí)行器2的開閉來補充或放走一部分液體，來達到恒定液位的效果。溫度實驗則需通過加熱管將水箱內的水溫加至設定溫度，等待溫度傳感器檢測，到達設定溫度時，停止加溫，溫度傳感器將進行實時檢測，來保證水箱內水溫恒定。

2 過程控制實訓裝置設計方案

過程控制實訓裝置系統(tǒng)采用兩級控制，下位機為GE公司的PACSystems RX3i控制器，完成數(shù)據采集、PID閉環(huán)控制及邏輯控制功能，上位機采用個人計算機，主要完成動態(tài)流程圖顯示、工藝參數(shù)設置、自動與手動切換、動力設備啟停操作、歷史數(shù)據記錄及報表管理等功能。控制柜內含GE－FANUC標準PAC－3i系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制面板等，相當于實際工業(yè)現(xiàn)場的配電室;控制對象內有模擬現(xiàn)場的水塔，還有工業(yè)級儀表、各種閥類等顯示和執(zhí)行部件，各個終端實時數(shù)據都能在這里采集。另外，通過上位機組態(tài)，我們可以監(jiān)控現(xiàn)場情況，這就相當于實際的控制室。整套設備采用透明有機玻璃擋板，給學生一個開放的實驗環(huán)境和工業(yè)現(xiàn)場的感覺。

圖1 過程控制實訓裝置系統(tǒng)原理圖

2.1 實訓裝置PLC軟硬件設計

本系統(tǒng)輸入輸出控制點多，數(shù)字量輸入7點(浮球開關2個、按鈕5個)，數(shù)字量輸出6點(面板指示等5個、水泵1個)，模擬輸入4點(其中溫度1點、壓力1點、流量1點、超聲波1點)，模擬輸出包括變頻器和調節(jié)閥控制。這里選用PACSystems RX3i系列PLC，整個系統(tǒng)由IC695PSD040電源模塊、IC695CPU310模塊、IC695ETM001通訊模塊、IC694MDL645數(shù)字量輸入模塊、IC694MDL754數(shù)字量輸出模塊、IC695ALG600模擬輸入模塊、IC695ALG708模擬量輸出模塊等組裝完成。PLC中各模塊的型號及I/O地址分配如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 PLC數(shù)字量模塊I/O接口圖

圖3 PLC模擬量模塊輸入接口圖

PAC Systems RX3i控制器是PAC Systems家族中最新增加的部件。它是中、高端過程和離散控制應用的新一代控制器，能統(tǒng)一過程控制系統(tǒng)。PLC的程序設計分主程序和子程序設計。主程序帶PID(比例微分積分)功能模塊，系統(tǒng)啟動后，通過調節(jié)P、I、D和液位SP的值，控制變頻電機和電動調節(jié)閥來滿足液位輸出要求。本系統(tǒng)除了有液位PID調節(jié)回路外，還有溫度、壓力、流量PID調節(jié)回路，每個PID調節(jié)回路對應一個背景數(shù)據庫，可通過上位機改變背景數(shù)據庫內的參數(shù)，修改PID的參數(shù)。

2.2 過程控制實訓裝置上水箱液位特性控制

2.2.1 單回路控制系統(tǒng)

上水箱液位控制采用單回路控制系統(tǒng)(圖5)，它是由被控對象、執(zhí)行器、調節(jié)器和測量變送器組成一個單閉環(huán)控制系統(tǒng)。被控量為上水箱的液位高度，將超聲波傳感器檢測到的上水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調節(jié)器控制電動調節(jié)閥的開度，以達到控制上水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調節(jié)器采用PID控制。

圖4 PLC模擬量模塊輸出接口圖

圖5 單回路控制系統(tǒng)方框圖

2.2.2 調節(jié)器參數(shù)的整定

若將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對象往往比較接近，所以無論是控制器的形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表1為經驗法整定參數(shù)的參考數(shù)據，在此基礎上，對調節(jié)器的參數(shù)作進一步修正。若需加微分作用，微分時間常數(shù)按計算。

表1 經驗法整定參數(shù)

2.2.3 操作方法與步驟

實訓前將儲水箱中貯足水量，然后將上水箱的進水閥門全開，上水箱出水閥門開至適當開度，40% ～70%，其余閥門均關閉。水位控制分為兩路基本控制，一路是工頻(就是把變頻器設定為工頻定值)磁力泵加電動調節(jié)閥的控制方式，另外一路是變頻磁力泵加電磁閥的控制方式。在觸摸屏的操作畫面上，切換到手動控制和閥控制。這時候啟動工頻磁力泵，在操作畫面上左側的控制區(qū)域的輸出項中手動設定閥門的開度，等實際的水位值達到設定值以后，投入自動，當實際水位小于設定值時，閥門會逐漸開大，直到閥門全開，水位慢慢上升至設定值，閥門會逐漸關小，直到最后，閥門全部關閉。

2.3 過程控制實訓裝置供水流量特性控制

被控量為電動調節(jié)閥支路(也可采用變頻器支路)的流量，實訓要求電動閥支路流量穩(wěn)定至給定值。將流量計FT1檢測到的流量信號作為反饋信號，并與給定量比較，其差值通過調節(jié)器控制電動調節(jié)閥的開度，以達到控制管道流量的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調節(jié)器應為PI控制，并且在實驗中PI參數(shù)設置要比較大。

流量控制也分為兩路基本控制，一路是工頻磁力泵加電動調節(jié)閥的控制方式，另外一路是變頻磁力泵加電磁閥的控制方式。在觸摸屏的主畫面上，選擇使用閥控制，并切換到手動控制模式;把電動閥打開，同時關閉相關電磁閥和手動閥門，以防止水回流。將電動調節(jié)閥的閥位設置到30%的開度;在控制畫面的流量設定欄中輸入流量設定值，在參數(shù)設定框內設定初始的調節(jié)參數(shù)KP和TI。此時啟動磁力泵(變頻器設定為定值)，在操作畫面上左側的控制區(qū)域的輸出項中手動設定閥門的開度，當實際的流量壓力值達到設定值以后，投入自動，當實際流量小于設定值時，閥門會逐漸開大，直到閥門全開，流量慢慢上升至設定值，閥門會逐漸關小，直到最后，閥門穩(wěn)定在一個合適的范圍內。

2.4 過程控制實訓裝置溫度特性控制

溫度控制與常規(guī)的控制不大一樣，溫度有著很大的滯后性，應選用PID來進行控制調節(jié)。在觸摸屏的主畫面上，選擇溫度控制，并切換到手動控制模式;將變頻磁力泵前面的進水手動球閥和電加熱器進水口前面的手動閥打開;給加熱器進水，加熱水箱的出水口暫時關閉，出水手動閥門在設定溫度到達后打開較小的開度;將變頻器的轉速設置到45%;在控制畫面的流量設定欄中輸入溫度設定值，在參數(shù)設定框內設定初始的調節(jié)參數(shù)KP、TI以及TD;準備工作完成后，啟動電加熱器。當溫度低于40℃的時候才可以手動啟動，當溫度高于55℃的時候自動停，當電加熱器啟動后，需時刻觀察電加熱器的運行狀況，當發(fā)現(xiàn)電加熱器有異常情況時，立即停止運行。

3 結束語

本文分析了生產過程控制實訓裝置的工藝過程和設備的控制要求及方法，介紹了實訓裝置控制系統(tǒng)的總體設計方案，對GEPLC的模塊選型及設計思路給出了說明，GE Rx3i PLC生產過程控制實訓裝置目前已在學校投入使用，通過該實訓裝置平臺，學生可完成溫度、流量、液位、壓力4個基本模擬量的實訓和設置觸摸屏可選擇性監(jiān)控等功能，使學生能夠理論聯(lián)系實際，注重技術的先進性和工程實用性相結合，達到解決生產實際問題的目的。同學們專業(yè)技能有了很大提高，實訓教學效果好。

［1］孫洪程.控制工程項目指南［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［2］原菊梅.可編程自動化控制器技術及應用(提高篇)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［3］郁漢琪.可編程自動化控制器技術及應用(基礎篇)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.