PROFIBUS—PA網絡下氣動薄膜調節閥的應用

安磊

摘 要：PROFIBUS-PA是工業總線中常見的通信方式，主要用于自動化系統中各現場設備之間的通信。文章以西門子S7-400 PLC、SAMSON氣動薄膜調節閥、SAMSON 3730-4定位器為例，對PROFIBUS-PA網絡下氣動薄膜調節閥的應用做一探討。

關鍵詞：PROFIBUS-PA；氣動薄膜調節閥；定位器；PID閉環控制

中圖分類號：TQ056.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）05-0089-02

1 概 述

PROFIBUS-PA用于過程自動化現場傳感器和執行器的數據傳輸，其特點是在現場使用過程中確保本質安全和通過電纜同時進行數據傳輸和供電。氣動薄膜調節閥是根據定位器所提供的壓縮空氣工作氣壓來改變閥芯與閥座間的流通面積以調節介質流量。在PROFIBUS-PA環境下應用氣動薄膜調節閥，實際上是利用定位器接收到的PROFIBUS-PA網絡電流信號，來調節工作氣壓的大小以改變調節閥開度，確保介質流量符合要求。

2 技術要點

2.1 PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA用于PLC與過程自動化的現場傳感器和執行器的低速數據傳輸，其功能集成在起動執行器、測量變送器和調節閥定位器等現場設備中。PROFIBUS-PA采用符合IEC 1158-2標準的傳輸技術，即曼徹斯特碼編碼與總線供電傳輸技術，以確保本質安全，并通過總線直接給現場設備供電。采用曼徹斯特編碼傳輸數據時，從0到1的上升沿發送二進制“0”，從1到0的下降沿發送二級制數“1”，傳輸速率為31.25 kbit/s。現場設備通過DP/PA耦合器或DP/PA鏈接器接入網絡。

2.2 氣動薄膜調節閥

氣動薄膜調節閥由膜片、推桿、閥芯、閥座、彈簧等部件組成。其工作原理：

來自定位器的信號壓力，即壓縮空氣工作氣壓，通入到薄膜氣室時，在膜片上產生一個推力。

當推力大于彈簧的作用力時，膜片帶動推桿向上移動，使閥芯和閥座之間的空隙增大，致使介質流量增大。

當信號壓力減小至小于彈簧作用力時，膜片帶動推桿向下移動，使閥芯和閥座之間的空隙減小，致使介質流量減小。

當信號壓力與彈簧作用力相等時，閥芯與閥座間的流通面積不再變化，致使介質流量穩定。

由此可見，氣動薄膜調節閥的開度由信號壓力的大小決定，而信號壓力大小由定位器進行調節。

2.3 SAMSON 3730-4定位器

3730-4型PROFIBUS-PA定位器使用符合IEC1158-2標準的技術進行通訊及供電。其工作原理為：

PROFIBUS-PA信號通過IEC1158-2輸入模塊進入定位器，經過微處理器和D/A轉換器處理后，形成模擬量直流控制信號w，送至PD控制器（比例積分控制器）。閥位傳感器根據調節閥閥芯實際位置，經過處理后形成閥位反饋信號x，送至PD控制器。PD控制器將x、w進行對比及運算，輸出運算信號至電氣轉換器。在電氣轉換器的作用下，氣源氣壓根據輸出運算信號電流值的大小，被轉換為相應大小的工作氣壓。

工作氣壓在氣動放大器的作用下，將大流量同壓力的壓縮空氣作用在控制閥上，此處壓縮空氣的壓力即上節中所描述的信號壓力。

3 實例分析及實施

3.1 實例分析

本文以卷煙制造企業中回潮機控制加水流量為實例，說明氣動薄膜調節閥在PROFIBUS-PA網絡環境下的應用。

回潮機是卷煙制造企業制絲生產線中的關鍵設備，其工藝任務是對煙葉或煙絲進行增溫增濕處理，確保物料水分及溫度符合工藝要求。回潮機對加水流量的控制方式為PID閉環，如圖1所示。

如圖所示，編號為1212的設備即為回潮機，編號為1209的設備為回潮機前對物料進行稱重的電子皮帶秤。結合案例及PID閉環控制系統中的參數，sp為設定加水量，即物料瞬時重量（1209電子皮帶秤對物料進行稱重獲取）乘以加水系數，被控量c為實際加水量，電磁流量計測量實際加水量后可得出實際加水量信號pv。sp和pv進行比較得出誤差ev并將其輸入至PID控制器，控制器通過計算得出調節信號作用于控制加水流量的氣動薄膜調節閥。

根據以上分析，得出該實例的PID控制方式，如圖2所示。

3.2 案例實施

3.2.1 定位器參數設置

使用定位器控制面板上的旋鈕設置參數：

①轉動旋鈕按鍵至參數3，將其參數值設置為ON，以允許修改定位器參數；

②轉動旋鈕按鍵至參數4，參照調節閥銘牌選擇銷釘位置；

③轉動旋鈕按鍵至參數5，參照調節閥銘牌輸入額定行程/范圍；

④轉動旋鈕按鍵至參數6，將其參數值設置為NOM，以進行精確初始化。

上述參數設置完成后，使用電筆按初始化鍵進行定位器的初始化操作。初始化結束后，轉動旋鈕按鍵至參數46，設置定位器在PA網絡中的地址，本實例中定位器的地址為3，設置完成后長按旋鈕按鍵進行確認。

3.2.2 PLC組態

安裝與電磁流量計和3730-4定位器相關的GSD文件后，即可用STEP7軟件進行組態。

①按照需求對S7-400 PLC進行組態；

②選擇DP組件中的DP/PA Link，將其接入CPU模塊中的DP網絡，雙擊圖標設置其地址為4；

③在右側組件列表中選擇相應的電磁流量計和定位器，將其接入PA網絡，雙擊圖標，分別設置電磁流量計的地址為10，3730-4定位器的地址為3，PLC組態示意圖，如圖3所示。

組態完成后，可在下方地址映射表中發現，電磁流量計相對于PLC的輸入地址為PID1245，3730-4定位器相對于PLC的輸出地址為PQD601。

3.2.3 PLC編程

該實例使用STL語言進行編程，調用FB41功能塊，對應的背景數據塊是DB17。

CALL "CONT_C" ， DB17

輸入：

COM_RST ：= DB205.DBX 20.2

MAN_ON ：= DB205.DBX20.3 //是否手動操作

P_SEL：= M363.1 //決定是否開啟比例調節。

I_SEL：= M363.2 //決定是否開啟積分調節。

D_SEL：= M363.3 //決定是否開啟微分調節。

CYCLE：=T#100MS //采樣時間

SP_INT：=DB112.DBD0 //設定加水量

PV_IN ：=PID 1245 //實際加水量信號

MAN ：=DB112.DBD8

GAIN ：=DB112.DBD12 //增益

TI ：=DB112.DBD16 //積分相應時間

TD ：=DB112.DBD20 //微分時間輸入

DEADB_W：=DB112.DBD36 //死區

LMN_HLM ：=DB112.DBD24 //PID控制器輸出上限

LMN_LLM ：=DB112.DBD28 //PID控制器輸出下限

輸出：

LMN：=PQD601 //控制器輸出值，該值作用于定位器以調節閥門開度。

4 結 語

由于工業自動化程度的不斷提高，工業網絡系統在自動化控制中逐步發揮著不可取代的作用，變頻器、傳感器、變送器等現場設備的應用應當與工業網絡緊密結合，充分提升現場設備在工業網絡環境下的可用性，以提升工業自動化控制水平。

參考文獻：

[1] 尚群立，蔣鵬.智能電氣閥門定位器的研究[J]儀器儀表學報，2007，（4）.

[2] 廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2011.