AE2000過程控制裝置典型控制系統(tǒng)簡析

摘 要：隨著信息化、自動化、智能化的控制系統(tǒng)發(fā)展，不斷推動工業(yè)的快速發(fā)展。通常工業(yè)控制系統(tǒng)包括上位機和下位機系統(tǒng)，AE2000過程控制裝置集成了輸入輸出模塊、智能儀表、PLC可編程控制器可構(gòu)成現(xiàn)代典型工業(yè)控制系統(tǒng)，現(xiàn)對其構(gòu)成及功能進行簡述，著重對上位機的軟件設置及功能、下位機的設置進行詳細敘述。并通過實際案例分析該控制系統(tǒng)的使用效果，驗證工業(yè)控制系統(tǒng)具有實用性、可靠性等特點。

關(guān)鍵詞：組態(tài)MCGS軟件；PLC可編程控制器；過程控制

引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)在實際應用中也越來越廣泛，極大的促進了工業(yè)自動化的進程?；诮M態(tài)MCGS軟件、智能調(diào)節(jié)儀表、PLC可編程控制器等構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)在實際應用中具有價格低廉、實用性強等特點，因此對該系統(tǒng)的研究也很有必要。AE2000裝置集成了各種典型的控制方案，該系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢特點，為行業(yè)所推廣，下面對系統(tǒng)的構(gòu)成及功能進行簡述。

1 系統(tǒng)硬件組成及功能

西門子PLC S7-200自帶RS485通信接口，主要用于對設備開關(guān)量的輸入和輸出，S7-200還配有多種輸入模塊，如熱電阻溫度采集模塊、熱電偶溫度采集模塊、標準模擬信號采集模塊；也有模擬輸出模塊，用于控制模擬執(zhí)行器。兩臺智能儀表均帶RS-485通信功能，輸入信號為1～5V模擬信號，用于對壓力、溫度、液位及流量等過程量的控制；二臺數(shù)據(jù)采集模塊分別為I-7017、I-7024兩者都具備RS-485通信功能，I-7017可采集現(xiàn)場8路模擬信號通過RS-485送上位機，可以對現(xiàn)場設備的物理參數(shù)進行監(jiān)視；I-7024可將上位機通過RS-485送來的信號轉(zhuǎn)換成4路模擬輸出送往執(zhí)行器，對控制對象進行控制。西門子變頻器6SE420，自帶RS-485通信口，上位機可通過RS-485控制其工作模式、輸出頻率，在AE2000中用于控制泵的轉(zhuǎn)速從而控制管道流量，受地址數(shù)量限制，上位機與下位機連接在一條RS-485時總數(shù)一般不超過32個。

上位機主要通過MCGS監(jiān)控軟件對系統(tǒng)的開關(guān)量和模擬量進行監(jiān)控，下位機主要對設備的壓力、溫度、開關(guān)、液位及流量等進行監(jiān)控。

上位機是帶有IPC通信卡的工控機，該通信卡帶有RS-485通信端子，并裝有MCGS監(jiān)控軟件。RS-485通信線采用屏蔽雙絞線，布線連接方便、成本低，對于工業(yè)現(xiàn)場來說，具有較好的應用價值，其可靠性也能夠滿足企業(yè)的需求。在該系統(tǒng)中，通信波特率方面，智能儀表和PLC最高達到19200bit/s、數(shù)據(jù)模塊最高達到921600bit/s。本系統(tǒng)選擇波特率為9600bit/s。

在智能儀表中，一般不需要對RS-485通信進行校驗，八個數(shù)據(jù)位，一個或兩個停止位。而數(shù)據(jù)模塊則可以有校驗，也可以無校驗，如果是無校驗通信，需要和智能儀表連接同一總線。PLC需有校驗，在通信方式上也有別于上述兩種設備，因此在上位機中，IPC與PLC的通信總線和智能儀表、數(shù)據(jù)模塊的通信總線是不同的。因此，系統(tǒng)包含了兩個RS-485總線網(wǎng)絡，因此PLC的總數(shù)最多可以擴展至16臺。

上位機IPC裝有MCGS監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了監(jiān)控的作用，可以對由數(shù)據(jù)模塊、智能儀表及PLC組成的下位機進行讀寫，從而對過程量PID實現(xiàn)控制。但是，出現(xiàn)對運算速度及可靠性的考慮，在此不建議進行使用。PLC的可以對輸入寄存器、輸出寄存器、中間寄存器、數(shù)據(jù)寄存器進行讀寫。智能儀表能夠通過上位機對PID參數(shù)、定值的讀寫進行設置，可以對控制輸出值、測量值及偏差等參數(shù)的讀出進行處理。對于數(shù)據(jù)模塊而言，可以通過上位機進行部分讀寫操作，也可以通過上位機實現(xiàn)對過程參數(shù)的控制。MCGS軟件能夠?qū)δM控制對象的實時動畫進行連接，為監(jiān)控人員提供實時的圖像、報表、曲線、圖符等系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)，包含報警信息等，可以用顏色、大小、閃爍、移動等方法提高畫面的顯示效果?；贛CGS軟件，數(shù)據(jù)庫能夠?qū)崿F(xiàn)過程量以歷史曲線、實時曲線及多種報警的組態(tài)，并對其進行存儲或打印。

2 系統(tǒng)軟件設置

2.1 下位機參數(shù)設置

兩個智能儀表的地址可以通過儀表自身按鍵進行設置，為3和4；數(shù)據(jù)模塊的地址通過驅(qū)動軟件設置為5和6，智能儀表與數(shù)據(jù)模塊的波特率均為9600bit/s。通過編程軟件對PLC的通信方式進行設定，地址設置為7。

2.2 MCGS軟件設置

窗口可以直接提供給用戶進行使用，包含多種構(gòu)建，可以對畫面進行調(diào)整，創(chuàng)建不同圖形對象，不同的MCGS配置參數(shù)具有不同的功能。每一個系統(tǒng)中，智能包含一個主控窗口和一個設備窗口，下層可包含多個運行策略及用戶窗口，實時數(shù)據(jù)庫也可以包含多個數(shù)據(jù)對象。通過組態(tài)后，多個窗口構(gòu)成一個人機交互的應用系統(tǒng)，包含多種不同功能、類型的構(gòu)件和對象，同時，可以及逆行那個可視化處理。MCGS系統(tǒng)的核心是實時數(shù)據(jù)庫，其作用與數(shù)據(jù)處理中心的作用類似，也是公用數(shù)據(jù)的交換區(qū)。下位機設備收集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)連接傳送到實時數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫自動完成數(shù)據(jù)的存盤處理和報警處理，按照需要，將相關(guān)信息以事件的方式發(fā)送到系統(tǒng)的其它部分，從而將相關(guān)事件觸發(fā)，進行實時處理，以面向?qū)ο蟮募夹g(shù)為其它環(huán)節(jié)服務，從而實現(xiàn)系統(tǒng)各部分的數(shù)據(jù)共享。

3 AE2000上水箱特性測試實驗

根據(jù)上文所分析的工業(yè)控制系統(tǒng)的硬件及軟件組成，作為上水箱液位控制，AE2000過程控制裝置可選擇多種控制方案：一是PLC控制方案；二是智能儀表控制方案；三是采用MCGS控制算法，I-7017、I-7024作為輸入輸出構(gòu)成DDC控制系統(tǒng)，前面兩個控制方案MCGS作為做上位機，第三種方案MGS做為控制和監(jiān)視使用。本文通過上水箱特性測試實驗，對MCGS軟件、PLC模擬在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用進行實驗分析。

3.1 實驗設備

上位機MCGS軟件、西門子PLC、RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器、實驗連線、AE2000B型過程控制實驗裝置（PLC與智能儀表不同時使用，本實驗采用PLC作為控制器，IPC上不裝RS485通信卡）。

3.2 實驗流程

丹麥泵把儲水箱的水通過電動調(diào)節(jié)閥進水閥進入上水箱，上水箱通過排水閥經(jīng)過中水箱、下水箱回儲水箱。上水箱裝有液位傳感器。測試上水箱的一階響應特性。

3.3 實驗原理

圖3為單回路上水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)PLC控制。當調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達不到預期效果。因此，當一個單回路系統(tǒng)組成好以后，如何整定好控制器參數(shù)是一個很重要的實際問題。一個控制系統(tǒng)設計好以后，系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定是十分重要的工作。

一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度δ的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)δ，Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應分別如圖4中的曲線①、②、③所示。MCGS運行界面如圖5所示。

3.4 注意事項

做本實驗過程中，出水閥不能隨意改變開度大??；階躍信號不能取得太大，以免影響正常運行；但也不能過小，以防止對象特性的不真實性。一般階躍信號取正常輸入信號的5%～15%；在輸入階躍信號前，過程必須處于平衡狀態(tài)。

4 結(jié)束語

AE2000雖然是一個實訓裝置，在實訓室用于實驗實訓，但她集成了常見典型的控制方案，現(xiàn)在廣泛應用于工業(yè)控制，這些控制系統(tǒng)由于性價比高、價格低廉，具有較強的實用性，工控產(chǎn)品主要帶有RS-485通信接口，都可以與該系統(tǒng)連接，受上位機控制。如果連接的線路出現(xiàn)故障，也不影響下位機的工作。通過實際使用效果表明，該系統(tǒng)操作簡單、功能完善，具有較好的人機交互界面，抗干擾能力強，運行可靠性高，可以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。

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