流程工業(yè)自動化中流量自控系統(tǒng)的設計

馬志新

（甘肅能源化工職業(yè)學院電氣工程系，甘肅 蘭州 730000）

1 流程工業(yè)自動化中自動控制系統(tǒng)的組成

在流程工業(yè)生產過程中，許多流體在由管道和設備組成的密閉系統(tǒng)中連續(xù)地進行著物理或化學變化。一個生產過程自動化控制系統(tǒng)由被控制的設備、測量變送設備、控制儀表和能輸出位移、角度變化的執(zhí)行器四部分組成。為了自動控制系統(tǒng)設計方便和得到高質量的控制效果，根據(jù)工業(yè)生產要求及工藝流程要求，通過選用合適的儀表及控制裝置組成自動控制系統(tǒng)，并對主要參數(shù)進行整定，使系統(tǒng)的過渡時間最短，實現(xiàn)對生產過程的自動最優(yōu)控制。

2 基于智能設備的流量自動控制系統(tǒng)的設計方案

2.1 工藝流程

本案以SCE-IAI02工業(yè)自動化實訓設備為例。該實訓裝置工藝方面由1個水槽和2個儲罐組成，水槽處于臺面下方位置，2個儲罐處于臺面上方位置，2個儲罐管路連通構成2階系統(tǒng)。

水槽和2個儲罐通過管道連接，介質水在水泵的驅動下從水槽抽出，流向鐵罐，再流向透明罐，循環(huán)往復。該裝置上還有電源單元、按鈕單元、變頻器單元、PLC控制單元、儀表單元、三相異步交流電動機、水泵、加熱管、檢測儀表、電動調節(jié)閥和接口模塊等組成。通過檢測儀表測量管路系統(tǒng)的壓力、流量、溫度、液位，借助于PLC和上位機可以構成自動檢測系統(tǒng)，通過PLC的運算，通過變頻器和電動控制閥為執(zhí)行器，可以組態(tài)出不同變量的自動控制系統(tǒng)。

2.2 自控系統(tǒng)的構成（被控變量、操縱介質的選擇）

在SCE-IAI02工業(yè)自動化實訓設備上，有水槽和儲罐，還有電磁流量計，可以選擇安裝有電磁流量計的一段直管道為被控對象，選擇管道中的水的流量為被控變量，選擇水為操縱介質，選擇G120變頻器為執(zhí)行器，S7-1200PLC為控制器，就可以構成一個流量自動控制系統(tǒng)。

2.3 硬件選型

首先要設置PG/PC接口。從工控電腦控制面板進入，設置網卡并確認。打開工控電腦TIA PORTAL組態(tài)軟件，先創(chuàng)建一個新項目，命名并選擇保存路徑，切換至PORTAL視圖，在樹形目錄下，添加新設備，選擇控制器S7-1200，型號CPU1214C DC/DC/DC，訂貨號6ES7214-1AG40-0XB0，在巡視窗口屬性欄中設置PLC的IP地址和子網掩碼，編譯下載。

2.4 選擇AI/AQ模塊型號并組態(tài)

在自動控制系統(tǒng)調節(jié)過程中，會有A/D轉換和D/A轉換過程，需要在TIA PORTAL組態(tài)軟件設備視圖中添加AI/AQ模塊，具體型號為AI4×13BIT/AQ2×14BIT，訂貨號6ES7-234-4HE32-0XB0。還需對模擬量輸入的4個通道進行設置，通道0至通道4地址類型為IW，電流信號，范圍為4-20mA DC，設置I/O起始地址。

2.5 添加G120變頻器并與PLC聯(lián)網，組態(tài)報文類型

變頻器的作用是把輸入電壓頻率固定的交流電變成輸出電壓頻率可調的交流電，實現(xiàn)變頻調速。西門子G120變頻器采用模塊化的設計，G120變頻器可以通過PROFINET接口無縫集成到全集成自動化系統(tǒng)中。在網絡視圖中，從硬件目錄下選擇其它現(xiàn)場設備，在PROFINET I/O下DRIVES中，選擇G120變頻器，型號為SINAMICS G120CU250 S-2PN VECTOR V4.7，訂貨號6SL3246-0BA22-1FAX，將它拖入設備視圖空白處，拖網口，完成和PLC聯(lián)網。

在G120巡視窗口屬性欄中設置常規(guī)屬性，給G120變頻器設置一個PROFINET設備名稱，再設置一個IP地址。在硬件目錄子模塊中，選擇標準報文1-1PZD2/2，將報文模塊拖至設備概覽空槽中，設置該報文的I/O起始地址，這樣，PLC和G120變頻器2臺設備只要聯(lián)網成功，就可以互相通信，傳輸控制字和轉速字。

2.6 G120分配IP地址及分配Device Name

在項目樹中，選在線訪問，點擊更新可訪問的設備，在系統(tǒng)識別出G120后，利用在線并診斷功能，對G120進行分配Device Name和分配IP地址，G120的Device Name和IP跟前面設置的要保持一致。

2.7 上位機組態(tài)并聯(lián)網

在不使用HMI的情況下，可以將工控電腦組態(tài)為上位機，將電腦LCD當做DISPLAY，集中顯示采集到的過程參數(shù)。在設備視圖中增加PC-STATION，然后給PC機添加Communication Moduls常規(guī)IE和Wincc Advanced應用軟件。上位機添加完畢，點擊網口，在PC的巡視窗口屬性欄常規(guī)設置中設置IP地址，此IP和工控電腦主機的IP地址一致，并和PLC聯(lián)網，再給PC-STATION添加新畫面，在新畫面中增加I/0域、文字域、按鈕，將按鈕和變頻器啟動停止的控制元素關聯(lián)，并將I/0域和對應需顯示的模擬量進行關聯(lián)。文字域定義對應顯示的字符，工控電腦的LCD可以顯示有關變量的實時總貌畫面。

2.8 編輯變量表

用PLC變量表定義變量的符號地址，然后在用戶程序中使用它們。也可以在變量表中修改自動生成的符號地址的名稱。

S7-1200提供變量表功能，可以用變量表來定義地址或常數(shù)的符號?？梢詾榇鎯ζ黝愋虸、Q、M等創(chuàng)建變量表。打開項目樹的文件夾“PLC變量”，添加新變量表，打開新生成的變量表，在變量表的“名稱"列輸人變量的名稱；單擊“數(shù)據(jù)類型”列右側隱藏的按鈕，設置變量的數(shù)據(jù)類型(只能使用基本數(shù)據(jù)類型)，模擬量輸入的數(shù)據(jù)類型為Word，模擬量采集后PLC運算輸出的實時數(shù)據(jù)類型為Real。給管道流量變送器分配的與A/D模塊連接的地址為IWxx，給管道流量采集變換之后分配的輸出地址為MDxx。

2.9 主程序編程

在項目樹目錄下Main主程序界面中，先增加幾個Real型的臨時數(shù)據(jù)temp，采集幾個模擬量就增加幾個臨時數(shù)據(jù)temp，液位、流量、壓力、溫度、電動控制閥開度等諸多模擬量采集在梯形圖中可以通過不同的指令實現(xiàn)，本案中采用縮放轉換指令。

變頻器停止的控制字為047E，啟動的控制字為047F，用MOVE指令將變頻器的啟動、停止控制字傳送給對應的QW，就可以實現(xiàn)變頻器的啟動停止控制。主程序編寫完畢，編譯下載到CPU中。將變頻器設為HAND狀態(tài)，手動輸出一個電壓值，驅動電機和泵運轉使水路循環(huán)，啟動主程序狀態(tài)監(jiān)視，進入在線模式后，在主程序有關數(shù)據(jù)塊的OUT端會出現(xiàn)被測變量的實時測量值。

2.10 子程序中調用PID-Compact指令

調用PID-Compact指令的時間間隔為采樣周期。為了保證精確的采樣時間，在循環(huán)中斷OB中調用PIDCompact指令。

打開項目視圖中的工藝對象，選中“添加新塊”，選中打開的對話框中的“組織塊"按鈕，選中"Cyelicinterupt”，生成循環(huán)中斷組織塊，設置循環(huán)時間，并對該模塊進行設置，設置控制器類型及Input和Output參數(shù)。打開指令卡的“工藝”窗口的PID控制文件夾，將其中的“PID_Compact”指令拖放到循環(huán)中斷組織塊，設置Set point的具體流量值，將Input和流量反饋值關聯(lián)，將循環(huán)中斷組織塊的輸出Output per和G120的轉速字QW關聯(lián)，ModeActivate上連一常開觸點M，運行模式開關State關聯(lián)一寄存器MW。編譯下載。

2.11 調試

調用子程序，并使子程序處于程序狀態(tài)監(jiān)視，將ModeActivate外接的常開觸點通過修改操作數(shù)為1再為0接通一次，運行模式開關Mode關聯(lián)的寄存器MW修改操作數(shù)為3，通過主程序狀態(tài)監(jiān)視START變頻器，使變頻器接收PLC的輸出控制字和PID給出的具體轉速字，驅動電機帶動泵運轉，使水路循環(huán)，完成流量的采集和PID控制，使流量穩(wěn)定于Set point附近。以變頻器為執(zhí)行器，PLC為控制器的流量自動控制系統(tǒng)調試完畢。

還可以在線調試，通過修改PID模塊的Kc、Ti、Td等參數(shù)，使系統(tǒng)很快出現(xiàn)衰減比為4:1-10：1的衰減振蕩，實現(xiàn)最優(yōu)控制方案。

3 結語

PLC是典型的數(shù)字式控制器，G120變頻器是智能設備。在流程工業(yè)自動化領域，在相同的控制規(guī)模下，使用數(shù)字式控制器和工業(yè)以太網，極大地減少了儀表數(shù)量，因而大大減少了儀表外部的硬接線。PLC采用數(shù)字技術實現(xiàn)了控制技術、通信技術和計算機技術的綜合控制。PLC可以通過網絡與工程師站連接，實現(xiàn)小規(guī)模系統(tǒng)的集中監(jiān)視和操作。還可通過通信接口掛接到數(shù)據(jù)總線上，構成中、大規(guī)模的集散控制系統(tǒng)。