可編程控制器在流程工業(yè)生產(chǎn)中的使用情況探索

馬志新

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院電氣工程系，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展，流程工業(yè)的加工方式、制造方式、工藝流程、生產(chǎn)的自動(dòng)控制方式等獲得了長足的發(fā)展。尤其是自動(dòng)控制裝置，從使用0.02-0.1MPa氣壓信號(hào)的氣動(dòng)儀表到使用4-20mA DC電流信號(hào)的電動(dòng)單元組合儀表，再到控制過程高度集中的DDC直接數(shù)字控制系統(tǒng)[1]，由于逐步采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，儀表工的勞動(dòng)強(qiáng)度在逐漸減低。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，分布式控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在流程工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中獲得很大的使用發(fā)展空間，PLC以其既能處理模擬量又能處理數(shù)字量還能進(jìn)行過程控制等得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)在流程工業(yè)自動(dòng)化控制流域逐漸占有一席之地，并有發(fā)展壯大之趨勢(shì)。

1 可編程控制器的定義及構(gòu)成

可編程控制器是一種能進(jìn)行各種科學(xué)運(yùn)算的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是專門為適應(yīng)潮濕、振動(dòng)、電磁干擾嚴(yán)重等惡劣工業(yè)環(huán)境而專門制造的控制器，它既是一個(gè)可編程序的設(shè)備，又是一個(gè)存儲(chǔ)器，在它的內(nèi)部可以執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的命令，并通過具有數(shù)/模轉(zhuǎn)換和模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能的專用模塊連接輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，用于控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或?qū)崿F(xiàn)不同功能的生產(chǎn)過程。可編程控制器的CPU及其外設(shè)，都按容易和被控制的設(shè)備集成、易于聯(lián)網(wǎng)和便于系統(tǒng)擴(kuò)展的原則設(shè)計(jì)[2]。PLC是一種適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的工控計(jì)算機(jī)，因此它的組成部分與一般的單片機(jī)類似。它主要由中央處理器CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出功能轉(zhuǎn)換模塊、專用模塊、通訊模塊等部分組成，其中CPU是PLC的核心，輸入輸出過程通道是連接工廠檢測(cè)儀表、執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與PLC之間的接口電路，通訊模塊和接口用于把PLC連接于工業(yè)以太網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備之間信息互通。

2 可編程控制器的工作過程

循環(huán)掃描機(jī)制是PLC采用的主要工作方式，它的工作步驟按時(shí)間先后主要分為3個(gè)部分:第一部分是輸入采樣，第二部分是程序執(zhí)行，第三部分是輸出刷新[3]。在第一時(shí)段，PLC首先識(shí)別所有輸入傳感器送入到輸入端的所有模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，并且將輸入部分轉(zhuǎn)換而來的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)寫入到輸入映像寄存器中。在第二時(shí)段，PLC按照從上到下從左到右的順序依次執(zhí)行梯形圖或功能塊圖等用戶程序。在程序執(zhí)行階段，如果有跳轉(zhuǎn)指令，則PLC首先判斷條件是否滿足跳轉(zhuǎn)，否則就順序執(zhí)行。在第三時(shí)段，如果PLC把所有程序指令執(zhí)行完畢，PLC將輸出映像寄存器的內(nèi)容通過輸出鎖存器輸出，這些輸出信號(hào)經(jīng)過繼電器、晶體管和雙向可控硅等設(shè)備的轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)PLC外圍電器或負(fù)載工作。這就是PLC完整的工作過程。

3 對(duì)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的解釋

PLC通過過程輸入、輸出通道，實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量等比例的相互轉(zhuǎn)換。并對(duì)模擬量實(shí)行有負(fù)反饋的閉環(huán)PID控制。一個(gè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)由被控制的設(shè)備、測(cè)量變送設(shè)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(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便和得到高質(zhì)量的控制效果，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)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(dòng)控制系統(tǒng)，并通過對(duì)控制器的比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間等參數(shù)的整定[4]，使系統(tǒng)的過渡時(shí)間最短，提高系統(tǒng)靈敏度，實(shí)現(xiàn)對(duì)流程工業(yè)的自動(dòng)最優(yōu)控制。

4 PLC在流程工業(yè)自動(dòng)化中的作用

4.1 對(duì)AI信號(hào)的處理

流程工業(yè)生產(chǎn)過程中反映設(shè)備狀態(tài)的各種連續(xù)性的物理量，如溫度、壓力、壓差、流量、液位等，只要通過連接于二線制回路的檢測(cè)儀表將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號(hào)或來自現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸出經(jīng)過配電器等其他設(shè)備轉(zhuǎn)換成電壓的電壓信號(hào)，均可送入PLC的模擬量處理模塊AI進(jìn)行處理[5]。模擬量輸入通道用于將現(xiàn)場(chǎng)模擬量傳感器輸出的直流電壓或電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。模擬量輸入模塊可以接受的輸入信號(hào)類型有電壓型、電流型、電阻型、毫伏型等。

4.2 對(duì)AQ信號(hào)的處理

在自動(dòng)控制系統(tǒng)工作時(shí)，PLC經(jīng)過PID運(yùn)算，輸出的是數(shù)字信號(hào)。但一些執(zhí)行器比如氣動(dòng)薄膜控制閥、氣動(dòng)活塞式控制閥、三相異步交流電動(dòng)機(jī)等設(shè)備，它需要模擬信號(hào)進(jìn)行控制，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)不匹配的問題，需要專門的設(shè)備做數(shù)模轉(zhuǎn)換，這個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換的工作，可以通過PLC的AQ模塊來實(shí)現(xiàn)。AQ模塊一般輸出4-20mA電流信號(hào)，但對(duì)于某些特殊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要輸出0-10mA的電流信號(hào)或2-10V電壓信號(hào)。

4.3 對(duì)DI/DQ信號(hào)的處理

在流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，有些傳感器輸出的信號(hào)是0、1高電平或低電平信號(hào)，或是開關(guān)信號(hào)，這時(shí)，可以通過DI模塊，可以把現(xiàn)場(chǎng)來的高電平低電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC能直接接受和識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字量輸出模塊DQ，一般用于控制電磁閥、LED指示燈等，這些設(shè)備一般只有工作或不工作2種狀態(tài)。根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載的不同，DQ模塊的過程輸出通道的驅(qū)動(dòng)電路也不同，一般有繼電器驅(qū)動(dòng)、晶體管驅(qū)動(dòng)和晶閘管驅(qū)動(dòng)等多種形式，一般驅(qū)動(dòng)信號(hào)是0-24 V或0-5V直流電壓信號(hào)，也可以根據(jù)需要轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)方式。

4.4 對(duì)PI信號(hào)的處理

PI信號(hào)就是脈沖量信號(hào)，有些檢測(cè)儀表，比如渦街流量計(jì)，這種設(shè)備工作時(shí)，在流體通過的路徑中，設(shè)置一個(gè)漩渦發(fā)生體，流體通過漩渦發(fā)生體時(shí)，下游側(cè)會(huì)出現(xiàn)2列頻率和流量成正比的漩渦列，由檢測(cè)元件檢測(cè)出漩渦頻率，再經(jīng)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，就可以得到和流量成正比的輸出頻率信號(hào)。[6]脈沖量輸入模塊將此類頻率信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為CPU直接識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，脈沖量輸入模塊就是為識(shí)別處理這一類測(cè)量信號(hào)應(yīng)運(yùn)而生的。

4.5 構(gòu)成閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)

PLC有PID運(yùn)算控制功能，此功能在PID運(yùn)算背景數(shù)據(jù)塊中。利用PID運(yùn)算功能可以很方便地構(gòu)成定值控制系統(tǒng)也就是模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)。在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，需要控制的量(如溫度、壓力和流量、液位等)的實(shí)時(shí)值先經(jīng)過傳感器和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),PLC的模擬量輸入模塊AI用A/D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,叫反饋量，和被控制的量的設(shè)定值做減法運(yùn)算，產(chǎn)生偏差，PLC對(duì)此差值進(jìn)行比例積分或比例積分微分運(yùn)算，PLC的數(shù)字量輸出經(jīng)D-A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量，再去控制執(zhí)行器。如在液位閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由于其他干擾因素，液位會(huì)經(jīng)常偏離設(shè)定的數(shù)值，為保持液位恒定，用電容式液位變送器測(cè)量液位，并且液位變送器將液位轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號(hào)，然后送入模擬量輸入AI模塊，經(jīng)AI模塊轉(zhuǎn)換后得到代表液位的01代碼，PLC 將它與液位應(yīng)該保持的值進(jìn)行比較，做減法運(yùn)算，得到偏差值，可編程控制器按某種運(yùn)算規(guī)律對(duì)偏差進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算后產(chǎn)生的數(shù)字量送入模擬量輸出AQ模塊進(jìn)行D-A轉(zhuǎn)換，變?yōu)槟M的電流信號(hào)或電壓信號(hào)，用來控制執(zhí)行器的動(dòng)作幅度大小，影響被控制的量，使被控制的量回到設(shè)定值上，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的自動(dòng)控制。

4.6 聯(lián)網(wǎng)通信

在流程工業(yè)控制過程中，一個(gè)控制過程可能由許多設(shè)備組成，比如PLC、變頻器、工控機(jī)、智能儀表、HMI、智能模塊、伺服電機(jī)等，這些設(shè)備既有相對(duì)的獨(dú)立性，又需與其他設(shè)備互相通信，構(gòu)成一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)中，主要設(shè)備可以互相傳遞信息。這種控制過程若僅靠擴(kuò)大機(jī)型來解決，效果不理想。因此，許多PLC的生產(chǎn)廠家開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)通信模塊及通信功能接口，使PLC 融入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更加方便快捷高效。PLC的通信包括PLC與PLC、PLC與外設(shè)、PLC與上位計(jì)算機(jī)、PLC與其他工業(yè)控制設(shè)備以及PLC與其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信[7]。隨著PLC的不斷發(fā)展，很多PLC產(chǎn)品都帶有通信接口或有對(duì)應(yīng)的通訊模塊，組成PLC網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)方便。從而可以實(shí)現(xiàn)PLC工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的I/O控制。

4.7 數(shù)據(jù)處理

PLC的數(shù)據(jù)處理功能包括數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、字節(jié)交換、編碼與譯碼等。PLC的數(shù)據(jù)運(yùn)算包括數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。數(shù)學(xué)運(yùn)算包括四則運(yùn)算及些常用的數(shù)學(xué)函數(shù)，數(shù)據(jù)類型通常為整型(INT）、雙整型(DINT)和實(shí)數(shù)型(REAL);邏輯運(yùn)算包括字節(jié)、字和雙字的邏輯與、邏輯或、邏輯非及邏輯異或等運(yùn)算。配合相應(yīng)的指令PLC可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析與處理。

4.8 鏈接于或直接構(gòu)成DCS、FCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)

分布式控制系統(tǒng)的英語名稱為Distributed Control System(簡稱DCS)，其含義是利用工業(yè)以太網(wǎng)借助于過程控制站和工程師站、操作員站、上位計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中管理和分散控制的工業(yè)控制系統(tǒng)。[8]從定義可以看出，DCS的技術(shù)基礎(chǔ)是微型計(jì)算機(jī)，應(yīng)用對(duì)象是生產(chǎn)過程，技術(shù)特點(diǎn)是集中操作、管理；控制分散。DCS按控制功能將計(jì)算機(jī)進(jìn)行分布放置，每個(gè)計(jì)算機(jī)控制裝置的一部分，使控制功能得以分散，從而實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)分散，較好地解決了直接數(shù)字控制系統(tǒng)中危險(xiǎn)集中的問題。同時(shí)，DCS有和WINDOUS操作系統(tǒng)兼容的操作界面，實(shí)現(xiàn)多種控制功能，將操作員站的集中管理與控制站分散控制密切地結(jié)合了起來。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是將控制系統(tǒng)中的檢測(cè)儀表、控制設(shè)備、管理計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備等掛接在現(xiàn)場(chǎng)總線上互通信息，這些設(shè)備更具有開放性和互聯(lián)性。PLC通過通信處理單元、通信轉(zhuǎn)接器連接于DCS或FCS網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)過程控制自動(dòng)化。[8]某些PLC利用其配套軟硬件資源也可以直接構(gòu)成DCS或FCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制。

5 結(jié)束語

隨著智能制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，PLC應(yīng)用范圍日漸擴(kuò)大，PLC技術(shù)在不斷升級(jí)換代，大力發(fā)展運(yùn)算速度更快、抗干擾能力更強(qiáng)、更能適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的PLC勢(shì)在必行[6]。單機(jī)版及小型自動(dòng)化控制的需要是PLC發(fā)展的一個(gè)方面。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制是當(dāng)前控制系統(tǒng)和PLC技術(shù)發(fā)展的方向，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，更加開放及兼容性更好的PLC將無縫集成于集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中。