基于GE Rx3i PLC生產(chǎn)過程控制技術(shù)實訓(xùn)裝置設(shè)計與實現(xiàn)

麥艷紅，鐘文

(1.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣西 南寧 530008;2.南寧廣開電氣有限公司，廣西 南寧 530008)

0 引言

實訓(xùn)是高等院校實踐環(huán)節(jié)的重要組成部分，工業(yè)過程控制系統(tǒng)實訓(xùn)對培養(yǎng)自動化專業(yè)學(xué)生工程實踐能力和職業(yè)技能起著舉足輕重的作用，然而生產(chǎn)過程是個連續(xù)的工業(yè)過程，實際生產(chǎn)中一般不允許改變工藝參數(shù)，所以學(xué)生到工廠實習(xí)，效果不是很理想，為培養(yǎng)學(xué)生的需要，應(yīng)研制相關(guān)的工業(yè)生產(chǎn)過程實訓(xùn)裝置，創(chuàng)造一個逼真的生產(chǎn)過程環(huán)境，加深學(xué)生對工業(yè)生產(chǎn)過程的理解，提高工程實踐能力和創(chuàng)新能力?，F(xiàn)代生產(chǎn)過程裝置離不開先進的自動化控制技術(shù)，將最新的GE Rx3i PLC自動化技術(shù)應(yīng)用到過程控制實訓(xùn)裝置中，使學(xué)生在掌握系統(tǒng)原理與工藝的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)到GE Rx3i PLC相關(guān)知識和先進技術(shù)。

1 生產(chǎn)過程控制實訓(xùn)裝置系統(tǒng)工藝

系統(tǒng)主要由3個水箱(1個儲水箱，2個功能水箱)、1個泵(動力源)以及各個支路上完成不同功能的執(zhí)行部件和檢測元件組成。當(dāng)設(shè)備不用時，全部的水都在儲水箱或者全部放空，使用設(shè)備時，先往儲水箱中注水，再由泵往兩功能水箱注水，超出水位時，水箱通過溢流管回水至儲水箱。當(dāng)達(dá)到要求水位時，通過各個支路之間的配合，完成實訓(xùn)要求。過程控制實訓(xùn)裝置系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

當(dāng)做流量實驗時，設(shè)定固定流量值，系統(tǒng)按照設(shè)定流量供水，當(dāng)需改變系統(tǒng)流量時，只需改變控制終端流量數(shù)值，通過控制變頻器來增大或者改變系統(tǒng)流量大小。現(xiàn)場儀表、觸摸屏、監(jiān)控界面同時顯示當(dāng)前流量值，便于學(xué)生對比。當(dāng)做壓力實驗時，電磁閥1、手動閥1可選擇閉合，單獨測壓力這個支路，通過調(diào)節(jié)支路上的電動執(zhí)行器，來達(dá)到恒定壓力的效果。當(dāng)壓力超過或低于一定值時，系統(tǒng)會相應(yīng)的調(diào)整流量大小來補償。如做液位實驗，則通過電磁閥1、壓力支路的開閉或電動執(zhí)行器2的開閉來補充或放走一部分液體，來達(dá)到恒定液位的效果。溫度實驗則需通過加熱管將水箱內(nèi)的水溫加至設(shè)定溫度，等待溫度傳感器檢測，到達(dá)設(shè)定溫度時，停止加溫，溫度傳感器將進行實時檢測，來保證水箱內(nèi)水溫恒定。

2 過程控制實訓(xùn)裝置設(shè)計方案

過程控制實訓(xùn)裝置系統(tǒng)采用兩級控制，下位機為GE公司的PACSystems RX3i控制器，完成數(shù)據(jù)采集、PID閉環(huán)控制及邏輯控制功能，上位機采用個人計算機，主要完成動態(tài)流程圖顯示、工藝參數(shù)設(shè)置、自動與手動切換、動力設(shè)備啟停操作、歷史數(shù)據(jù)記錄及報表管理等功能。控制柜內(nèi)含GE－FANUC標(biāo)準(zhǔn)PAC－3i系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制面板等，相當(dāng)于實際工業(yè)現(xiàn)場的配電室;控制對象內(nèi)有模擬現(xiàn)場的水塔，還有工業(yè)級儀表、各種閥類等顯示和執(zhí)行部件，各個終端實時數(shù)據(jù)都能在這里采集。另外，通過上位機組態(tài)，我們可以監(jiān)控現(xiàn)場情況，這就相當(dāng)于實際的控制室。整套設(shè)備采用透明有機玻璃擋板，給學(xué)生一個開放的實驗環(huán)境和工業(yè)現(xiàn)場的感覺。

圖1 過程控制實訓(xùn)裝置系統(tǒng)原理圖

2.1 實訓(xùn)裝置PLC軟硬件設(shè)計

本系統(tǒng)輸入輸出控制點多，數(shù)字量輸入7點(浮球開關(guān)2個、按鈕5個)，數(shù)字量輸出6點(面板指示等5個、水泵1個)，模擬輸入4點(其中溫度1點、壓力1點、流量1點、超聲波1點)，模擬輸出包括變頻器和調(diào)節(jié)閥控制。這里選用PACSystems RX3i系列PLC，整個系統(tǒng)由IC695PSD040電源模塊、IC695CPU310模塊、IC695ETM001通訊模塊、IC694MDL645數(shù)字量輸入模塊、IC694MDL754數(shù)字量輸出模塊、IC695ALG600模擬輸入模塊、IC695ALG708模擬量輸出模塊等組裝完成。PLC中各模塊的型號及I/O地址分配如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 PLC數(shù)字量模塊I/O接口圖

圖3 PLC模擬量模塊輸入接口圖

PAC Systems RX3i控制器是PAC Systems家族中最新增加的部件。它是中、高端過程和離散控制應(yīng)用的新一代控制器，能統(tǒng)一過程控制系統(tǒng)。PLC的程序設(shè)計分主程序和子程序設(shè)計。主程序帶PID(比例微分積分)功能模塊，系統(tǒng)啟動后，通過調(diào)節(jié)P、I、D和液位SP的值，控制變頻電機和電動調(diào)節(jié)閥來滿足液位輸出要求。本系統(tǒng)除了有液位PID調(diào)節(jié)回路外，還有溫度、壓力、流量PID調(diào)節(jié)回路，每個PID調(diào)節(jié)回路對應(yīng)一個背景數(shù)據(jù)庫，可通過上位機改變背景數(shù)據(jù)庫內(nèi)的參數(shù)，修改PID的參數(shù)。

2.2 過程控制實訓(xùn)裝置上水箱液位特性控制

2.2.1 單回路控制系統(tǒng)

上水箱液位控制采用單回路控制系統(tǒng)(圖5)，它是由被控對象、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器和測量變送器組成一個單閉環(huán)控制系統(tǒng)。被控量為上水箱的液位高度，將超聲波傳感器檢測到的上水箱液位信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控制上水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器采用PID控制。

圖4 PLC模擬量模塊輸出接口圖

圖5 單回路控制系統(tǒng)方框圖

2.2.2 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定

若將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對象往往比較接近，所以無論是控制器的形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表1為經(jīng)驗法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進一步修正。若需加微分作用，微分時間常數(shù)按計算。

表1 經(jīng)驗法整定參數(shù)

2.2.3 操作方法與步驟

實訓(xùn)前將儲水箱中貯足水量，然后將上水箱的進水閥門全開，上水箱出水閥門開至適當(dāng)開度，40% ～70%，其余閥門均關(guān)閉。水位控制分為兩路基本控制，一路是工頻(就是把變頻器設(shè)定為工頻定值)磁力泵加電動調(diào)節(jié)閥的控制方式，另外一路是變頻磁力泵加電磁閥的控制方式。在觸摸屏的操作畫面上，切換到手動控制和閥控制。這時候啟動工頻磁力泵，在操作畫面上左側(cè)的控制區(qū)域的輸出項中手動設(shè)定閥門的開度，等實際的水位值達(dá)到設(shè)定值以后，投入自動，當(dāng)實際水位小于設(shè)定值時，閥門會逐漸開大，直到閥門全開，水位慢慢上升至設(shè)定值，閥門會逐漸關(guān)小，直到最后，閥門全部關(guān)閉。

2.3 過程控制實訓(xùn)裝置供水流量特性控制

被控量為電動調(diào)節(jié)閥支路(也可采用變頻器支路)的流量，實訓(xùn)要求電動閥支路流量穩(wěn)定至給定值。將流量計FT1檢測到的流量信號作為反饋信號，并與給定量比較，其差值通過調(diào)節(jié)器控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到控制管道流量的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI控制，并且在實驗中PI參數(shù)設(shè)置要比較大。

流量控制也分為兩路基本控制，一路是工頻磁力泵加電動調(diào)節(jié)閥的控制方式，另外一路是變頻磁力泵加電磁閥的控制方式。在觸摸屏的主畫面上，選擇使用閥控制，并切換到手動控制模式;把電動閥打開，同時關(guān)閉相關(guān)電磁閥和手動閥門，以防止水回流。將電動調(diào)節(jié)閥的閥位設(shè)置到30%的開度;在控制畫面的流量設(shè)定欄中輸入流量設(shè)定值，在參數(shù)設(shè)定框內(nèi)設(shè)定初始的調(diào)節(jié)參數(shù)KP和TI。此時啟動磁力泵(變頻器設(shè)定為定值)，在操作畫面上左側(cè)的控制區(qū)域的輸出項中手動設(shè)定閥門的開度，當(dāng)實際的流量壓力值達(dá)到設(shè)定值以后，投入自動，當(dāng)實際流量小于設(shè)定值時，閥門會逐漸開大，直到閥門全開，流量慢慢上升至設(shè)定值，閥門會逐漸關(guān)小，直到最后，閥門穩(wěn)定在一個合適的范圍內(nèi)。

2.4 過程控制實訓(xùn)裝置溫度特性控制

溫度控制與常規(guī)的控制不大一樣，溫度有著很大的滯后性，應(yīng)選用PID來進行控制調(diào)節(jié)。在觸摸屏的主畫面上，選擇溫度控制，并切換到手動控制模式;將變頻磁力泵前面的進水手動球閥和電加熱器進水口前面的手動閥打開;給加熱器進水，加熱水箱的出水口暫時關(guān)閉，出水手動閥門在設(shè)定溫度到達(dá)后打開較小的開度;將變頻器的轉(zhuǎn)速設(shè)置到45%;在控制畫面的流量設(shè)定欄中輸入溫度設(shè)定值，在參數(shù)設(shè)定框內(nèi)設(shè)定初始的調(diào)節(jié)參數(shù)KP、TI以及TD;準(zhǔn)備工作完成后，啟動電加熱器。當(dāng)溫度低于40℃的時候才可以手動啟動，當(dāng)溫度高于55℃的時候自動停，當(dāng)電加熱器啟動后，需時刻觀察電加熱器的運行狀況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電加熱器有異常情況時，立即停止運行。

3 結(jié)束語

本文分析了生產(chǎn)過程控制實訓(xùn)裝置的工藝過程和設(shè)備的控制要求及方法，介紹了實訓(xùn)裝置控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，對GEPLC的模塊選型及設(shè)計思路給出了說明，GE Rx3i PLC生產(chǎn)過程控制實訓(xùn)裝置目前已在學(xué)校投入使用，通過該實訓(xùn)裝置平臺，學(xué)生可完成溫度、流量、液位、壓力4個基本模擬量的實訓(xùn)和設(shè)置觸摸屏可選擇性監(jiān)控等功能，使學(xué)生能夠理論聯(lián)系實際，注重技術(shù)的先進性和工程實用性相結(jié)合，達(dá)到解決生產(chǎn)實際問題的目的。同學(xué)們專業(yè)技能有了很大提高，實訓(xùn)教學(xué)效果好。

［1］孫洪程.控制工程項目指南［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［2］原菊梅.可編程自動化控制器技術(shù)及應(yīng)用(提高篇)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［3］郁漢琪.可編程自動化控制器技術(shù)及應(yīng)用(基礎(chǔ)篇)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.