基于WinCC和PLC的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬鑫森

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

0 引言

浮空器是一種依靠浮升氣體升空的飛行器，可以搭載各種通訊、干擾、偵察、探測、光電、通信中繼等電子設(shè)備升空到幾百～幾萬米的高度，執(zhí)行不同任務(wù)。由于其滯空時間長、探測范圍大、能耗低、費(fèi)用少、操作維護(hù)簡單，成為世界各國重點(diǎn)研究的裝備。圖1所示為各國浮空器示意。

圖1 世界各國浮空器

浮空器在執(zhí)行任務(wù)時必須達(dá)到一定的高度，并且不斷調(diào)整，隨著高度的變化，環(huán)境溫度、壓力隨之變化，浮空器內(nèi)外壓差也會相應(yīng)的迅速變化。如果這種壓差不能得到有效即時的調(diào)節(jié)控制，當(dāng)內(nèi)部氣體壓力過大時，很容易導(dǎo)致囊體破裂；而當(dāng)溫度或者高度下降時，浮力氣體壓縮，內(nèi)外壓差不夠，整個氣囊無法保形，導(dǎo)致囊體剛度變化，因此，浮空器一般都需要安裝壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)浮空器的內(nèi)外壓差，使其在不同環(huán)境、不同高度下保持在恒定的范圍內(nèi)，并使得軟式氣囊具有一定外形和強(qiáng)度。

本文將基于WinCC 和PLC，研究一種壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有實(shí)時監(jiān)控，參數(shù)設(shè)置，在線趨勢顯示，數(shù)據(jù)記錄和存儲、狀態(tài)報警等功能，以實(shí)現(xiàn)浮空器壓力自動調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浮空器一般包括主氣囊、副氣囊、尾翼和整流罩等多個氣室。主氣囊內(nèi)部充滿浮力氣體，副氣囊在主氣囊內(nèi)部，用于調(diào)節(jié)內(nèi)部壓力；尾翼在主氣囊尾部，用于保持浮空器的自穩(wěn)定性；整流罩在副氣囊底部，用于防護(hù)電子設(shè)備。各個氣室分布如圖2所示。

圖2 浮空器各個氣室分布示意圖

壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要通過測量各個氣室與外界的壓差，并和設(shè)定值進(jìn)行比較，適時打開進(jìn)氣裝置或排氣裝置，使各個氣囊的壓差保持在恒定的范圍之內(nèi)。

系統(tǒng)需要控制的設(shè)備包括副氣囊進(jìn)氣和排氣裝置、尾翼進(jìn)氣和排氣裝置、整流罩進(jìn)氣和排氣裝置；主氣囊是密封的，不需要進(jìn)排氣裝置。需要檢測的參數(shù)包括主氣囊壓差、副氣囊壓差、尾翼壓差、整流罩壓差以及各個進(jìn)排氣裝置的工作狀態(tài)。通過判斷各個氣囊的壓差，給出相應(yīng)的控制信號，若設(shè)備發(fā)生故障，導(dǎo)致壓力失調(diào)，將給出報警信息，提示操作人員人工干預(yù)；系統(tǒng)還能記錄并保存數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行囊體密封、強(qiáng)度特性等參數(shù)分析。

1.1 PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)西門子S7-200手冊，選用CPU226以及1個EM235 模擬量模塊。選定硬件后先進(jìn)行端口分配和定義。端口分配如表1所示。

PLC程序主要包括兩大塊：模擬量采集部分和控制輸出部分，此處重點(diǎn)就模擬量采集部分程序進(jìn)行說明。

1.1.1 模擬量檢測程序

壓差值是壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，因此對傳感器的精度和穩(wěn)定性要求比較高。這里選用Honeywell公司的一款高精度壓力變送器，能提供動態(tài)補(bǔ)償，減少了由于溫度、環(huán)境、長期穩(wěn)定性引起的漂移誤差。傳感器輸出是4～20 mA 的模擬信號，量程為0～150 mmH2O。而PLC的模擬量接口輸入是0～20 mA，對應(yīng)的數(shù)字量為0～32 000，因此，還需經(jīng)過計(jì)算和轉(zhuǎn)換，以便得出所需要的壓差參數(shù)[1]。

表1 PLC端口分配表

設(shè)Y為實(shí)際需要的壓差參數(shù)，X為PLC經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，則Y 與X 之間存在如下關(guān)系：

為簡化編程，首先設(shè)計(jì)一個模擬量采集子程序；其次，對子程序進(jìn)行調(diào)用，得出壓差值；最后在主程序中引用壓差值進(jìn)行壓力控制。

子程序的輸入、輸出及相關(guān)中間變量如表2所示。

表2 子程序變量定義

根據(jù)公式（1）以及表2的變量定義，模擬量采集子程序示意如下。

該子程序有 INPUT、RANGE 和OUTPUT三個對外接口，分別表示輸入、量程和輸出。在調(diào)用該子程序時，只要將輸入和量程對應(yīng)，就可以得出所需的壓差值。

子程序完成后，需要進(jìn)行調(diào)用，即可完成參數(shù)采集。

最后在主程序（Main）中調(diào)用SBR_0 運(yùn)行即可。

1.1.2 控制和報警程序

采集到各個氣囊的壓差后，即可對壓力值進(jìn)行比較和控制。每個氣囊都有一個安全工作的壓力范圍，壓力超出最大設(shè)定值就控制排氣裝置釋放空氣，低于相應(yīng)的值關(guān)閉；反之當(dāng)壓力低于最小設(shè)定值就控制進(jìn)氣裝置充氣，到達(dá)設(shè)定值停止；程序還設(shè)定了各個氣囊欠壓和過壓報警點(diǎn)，通過比較進(jìn)行報警。軟件控制流程圖見圖3。

PLC程序完成后需要和上位機(jī)WinCC 軟件進(jìn)行通信。

1.2 WinCC的通信與組態(tài)

WinCC 是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板。高性能的過程耦合、快速的畫面更新，以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的實(shí)用性[2]。

圖3 軟件流程圖

1.2.1 利用OPC與PLC建立連接

由于西門子S7-200 系列PLC的推出時間比WinCC 要晚，因此WinCC 中沒有集成該P(yáng)LC的PPI 協(xié)議，不能直接監(jiān)控。這里采用OPC 服務(wù)器的方式，可以方便的建立通信。

OPC（OLE for process control）即用于過程控制領(lǐng)域中的對象鏈接與嵌入（object linking and embedding，OLE）。它是由OPC 基金會制定的一套基于COM/DCOM技術(shù)，采用客戶/服務(wù)器模型制定的一種工業(yè)控制領(lǐng)域的開放式標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。

首先在OPC 服務(wù)器中與PLC變量建立連接。這里采用開普的KEPServerEx 作為OPC 服務(wù)器，雙擊打開“KEPServerEx”應(yīng)用程序，首先添加通信通道，名稱默認(rèn)為“Channel1”，設(shè)備選擇“Siemens S7-200”，通信端口是“COM1”，參數(shù)系統(tǒng)默認(rèn)。然后添加設(shè)備，名稱默認(rèn)是“Device1”，模式為“S7-200”，在“Device1”下添加組“Group1”，在“Group1”下增加變量。需要設(shè)置的變量參數(shù)包括“Name”、“Address”、“Description”、“Date Type”和“Scan”等。添加完參數(shù)后保存一個名為“YLTJ”的OPF文件，如圖4所示。

1.2.2 WinCC與OPC的連接

圖4 PLC與OPC服務(wù)器的變量連接

在WinCC 變量管理器中添加一個新的驅(qū)動程序，新的驅(qū)動程序選擇OPC.CHN，在OPC GROUP 中選擇“系統(tǒng)參數(shù)”，在跳出的“OPC 條目管理器”窗口中選擇“\＜LOCAL>”下面的“KEPware.KEPS- erverEX.V4”，點(diǎn)擊“瀏覽服務(wù)器”，將剛才在OPC 服務(wù)器中定義的變量添加到WinCC外部變量中，如圖5所示。

圖5 WinCC與OPC變量連接示意圖

1.2.3 WinCC組態(tài)

為說明WinCC 的組態(tài)過程，本小節(jié)以添加一個壓力在線趨勢顯示為例，進(jìn)行操作。

打開WinCC 資源管理下的“變量記錄”，在“歸檔”下選擇歸檔向?qū)?，將需要?dú)w檔的變量添加到“過程值歸檔”中，設(shè)置歸檔周期等參數(shù)。

打開WinCC 資源管理下的“圖形編輯器”，新建一個名稱為“ONLINE”的Pdl 文件，雙擊打開后，將控件目錄下的“WinCC Online Trend Control”控件添加到圖形中，調(diào)整到合適的大小。雙擊控件，在“曲線”窗口下添加4 個趨勢，名稱分別為“主氣囊壓差”、“副氣囊壓差”、“尾翼壓差”、“整流罩壓差”，在選擇“歸檔/變量”中，將相應(yīng)的變量和名稱進(jìn)行對應(yīng)。在“常規(guī)”窗口下勾選“公共X 軸”，在“數(shù)值軸”窗口下設(shè)置“標(biāo)簽”、“粗略定標(biāo)”、“精細(xì)定標(biāo)”、“范圍選擇”等參數(shù)，使得趨勢圖便于觀察，設(shè)置好以后保存并關(guān)閉圖形編輯器。

在WinCC 資源管理器下，右鍵打開計(jì)算機(jī)屬性，在“啟動”窗口下勾選“變量記錄運(yùn)行系統(tǒng)”、“圖形運(yùn)行系統(tǒng)”、“用戶歸檔”后，就可以運(yùn)行WinCC對趨勢圖進(jìn)行測試了。

2 測試與運(yùn)行

經(jīng)調(diào)試，該套裝置在地面進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明，系統(tǒng)能準(zhǔn)確地監(jiān)控各個氣囊的壓力狀態(tài)，顯示最近2 分鐘內(nèi)各個氣囊壓力狀態(tài)變化過程，并對氣囊壓力進(jìn)行自主控制。圖6所示為壓力曲線測試示意圖。以尾翼為例，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定的壓力值時（圖6中A點(diǎn)），系統(tǒng)停止充氣；隨著不斷漏氣，壓力逐漸降低，當(dāng)壓力值達(dá)到設(shè)定的值時（圖6中B點(diǎn)），系統(tǒng)自動打開充氣裝置充氣。

圖6 壓力曲線示意圖

3 結(jié)束語

本文基于WinCC 和PLC，設(shè)計(jì)了一種浮空器壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。對參數(shù)采集編程、WinCC 組態(tài)等進(jìn)行了詳細(xì)說明，最后通過模擬測試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)，為浮空器壓力調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)提供了參考。

［1］朱文杰.S7-200 PLC編程設(shè)計(jì)與案例分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］蘇昆哲，何華.深入淺出西門子WinCC V6：第2 版［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［3］周亞軍，曾洋，俞武嘉.OPC 技術(shù)在PLC虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 軟 件 中 的 應(yīng) 用［J］.機(jī) 電 工 程，2011（4）：468-471.

［4］楊傳穎，李赫.OPC 技術(shù)發(fā)展綜述［J］.儀器儀表用戶，2012（4）：6-7.