基于PLC的調節閥控制器研究

徐柳濱

（1.哈爾濱工程大學，哈爾濱150000；2.哈電集團哈爾濱電站閥門有限公司，哈爾濱150046）

1 引 言

調節閥主要用于電站系統調節自動化過程控制領域中的介質流量、壓力、溫度、液位等工藝參數，通過應用PLC 來實現調節閥的自動控制，進而實現維護電站系統的正常運行。

圖1 電動調節閥

2 調節閥簡介

2.1 調節閥的概述及構成

調節閥又稱控制閥（Control Valve），它是過程控制系統中用動力操作去改變流體流量的裝置。根據自動化系統中的控制信號，自動調節閥門的開度，從而實現介質流量、壓力、溫度和液位的調節。

調節閥由執行機構和閥組成見圖1。執行機構起推動的作用，閥起調節流量的作用。

2.2 調節閥的工作原理

根據流體力學可知，調節閥是一個局部阻力可以變化的節流元件。對不可壓縮流體，調節閥的流量式中，Q-流量；Kv-流量系數；ΔP-閥門前后壓差；V-閥門介質比容；α-流量裕度系數。

此公式用于在節流部位的雷諾數Re＞105，并且無閃蒸和閥門無過渡管接頭的情況，其中流量系數Kv值與閥門的流通能力和節流面積有關，不同的閥門對應不同的Kv值。調節器輸出信號控制閥門的開或關，可以改變閥門的Kv值，從而改變被調介質的流量。

2.3 調節閥的流量特性

調節閥的流量特性是指被調介質流過調節閥的相對流量與調節閥的相對開度之間的關系。

調節閥流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性是指在調節閥前后壓差固定不變情況下的流量特性有直線、等百分比、拋物線及快開4 種特性。

在實際系統中，閥門兩側的壓力降并不是恒定的，使其發生變化的原因主要有兩個方面：①由于泵的特性，當系統流量減少時由泵產生的系統壓力增加；②當流量減少時，盤管上的阻力也減少，導致閥門壓力較大。因此調節閥前后的壓差通常是變化的，在這種情況下，調節閥相對流量與相對開度之間的關系，稱為工作流量特性。

3 基于PLC 的調節閥控制

3.1 PLC 的編程語言STEP7 是S7-300PLC 的編程軟件

梯形圖、語句表和功能圖是標準的STEP7 軟件包配備的3 種基本編程語言，這3 種編程語言可以在STEP7中相互轉換。

3.2 模擬量閉環控制系統的組成

典型的PLC 模擬量單閉環控制系統原理如圖2 所示。

圖2 PLC 模擬量閉環控制系統原理

在模擬量閉環控制系統中，被控量c（t）（例如壓力、溫度、流量、轉速等）是連續變化的模擬量，大多數執行機構（例如晶閘管調速裝置、電動調節閥和變頻器等）要求PLC 輸出模擬信號mv（t），而PLC 的CPU 只能處理數字量。c（t）首先被測量元件（傳感器）和變送器轉換為標準的直流電流信號或直流電壓信號pv（t），例如4～20mA，1～5V，PLC 用A/D 轉換器將它們轉換為數字量pv（t）。

模擬量與數字量之間的相互轉換和PID 程序的執行都是周期性的操作，其間隔時間稱為采樣周期Ts。各數字量括號中的n 表示該變量是第n 次采樣時的數字量。

圖中的sp（n）是給定值，pv（n）為A/D 轉換后的反饋量，誤差ev（n）=sp（n）-pv（n）。

D/A 轉換器將PID 控制器輸出的數字量mv（n）轉換為模擬量（直流電壓或直流電流）mv（t），再去控制執行機構。

3.3 控制系統設計思想

首先對調節閥控制系統進行分析，電容式壓力傳感器實時傳輸壓力信號送入PLC，PLC 先經過硬件組態再進行編程，將程序載入PLC，程序的執行將傳感器傳來的信號轉換成為對調節閥閥位開度的控制指令，最終實現對管道內部壓力的控制。

圖3 調節閥控制系統原理

如圖3 所示，系統規定壓力設定值為8kPa，在實際工廠的環境中，管道內部壓力允許在一定范圍內變化，所以以設定值為中心加入一個范圍，令閾值為1kPa，確定管道正常的壓力范圍，即7～9kPa。當測量元件測出管道壓力大于9kPa 時，信號經PLC 后輸出一個使調節閥電動執行機構閥門開度減小的指令；反之，當測出壓力小于7kPa 時，PLC 輸出一個使調節閥電動執行機構開度開大的指令；而管道壓力處于7～9kPa 時，調節閥電動機構處于靜止狀態。

3.4 PLC 控制系統的一般步驟

可編程控制器應用系統設計與調試的主要步驟如下：深入了解和分析被控對象的工藝條件和控制要求；確定I/O 設備；選擇合適的PLC 類型；分配I/O 點；設計應用系統梯形圖程序；將程序輸入PLC；進行軟件測試；應用系統整體調試。

3.5 PLC 的硬件組態

硬件組態，就是使用STEP7 對SIMATIC 工作站進行硬件配置和參數分配。所配置的數據以后可以通過“下載”傳送到PLC。硬件組態的條件是必須創建一個帶有SIMATIC 工作站的項目。

3.6 連接電路

連接外接電路時，兩個繼電器分別與調節閥點動執行機構的接點“開閥”、“關閥”相連接，為使實現互鎖功能，需要將兩個繼電器互連：如圖4 電路圖，兩個繼電器中的觸點13均與另一個繼電器的觸點9 相連，再經過觸點1 接出。

圖4 中間繼電器線路圖

互鎖功能的實現：

（1）當繼電器1 接通時，繼電器1 的觸點14、13 與繼電器2 的觸點9、1 形成回路，此時繼電器1 正常工作，觸點9、1 斷開，繼電器2 的觸點13、14 所在回路無法接通，導致繼電器2 無法接通。

（2）同理，當繼電器2 接通時，此時繼電器1 無法接通。

在設置了軟、硬件互鎖之后，“開閥”與“關閥”不會同時出現，有效的為電動執行機構提供了安全保護。

3.7 系統調試

在完成程序編程和連接外部電路之后，需要對系統進行調試，在SIMATIC Manage 界面中，將BLOCKS 中所有的塊及System data 點擊下載將其一起下載到PLC 中，然后接通電路，調節電阻箱模擬傳感器向PLC 輸入信號，通過變量監視窗口可以觀察到，在壓力的各個范圍內相應的開閥、關閥和點動指令的執行。調試完畢后，經檢驗程序邏輯正確，運行正常，實現了對調節閥的自動控制，達到了預期的目的。

4 結 語

基于PLC 的調節閥控制系統設計，通過對調節閥控制系統進行分析，依據與S7-300 PLC 相連的壓力傳感器傳回的參數信號，采集控制系統中所需要的數據量，通過PLC 的編程實現對系統中壓力實時的監控，并調節參數的波動范圍在允許的范圍之內，維護電廠的正常運行。

［1］ 邢麗娟，楊世忠.調節閥特性及選擇方法［M］.煤礦機械，2007（5）：164-166.

［2］ 廖常初.S7-300/400PLC 應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［3］ 西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子S7-300 PLC［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.