基于PLC的過程控制系統(tǒng)設(shè)計研究

白巖峰

摘 要：PLC控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)和繼電器控制系統(tǒng)相比，有調(diào)試工作量小、可靠性高、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、故障率低等優(yōu)勢，并且其工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，已經(jīng)成為了當(dāng)下我國發(fā)展機(jī)床加工控制對象以及制造業(yè)自動化控制的首選控制系統(tǒng)。文章就基于PLC的控制系統(tǒng)過程進(jìn)行研究，并分析了PLC的過程控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：PLC；過程控制；設(shè)計研究

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）17-0013-01

PLC即可編程控制器，在工業(yè)控制方面得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，其具有可靠性高、編程簡單、易于修改等優(yōu)點，廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代化的工業(yè)企業(yè)控制當(dāng)中。PLC控制技術(shù)與當(dāng)下信息通信網(wǎng)絡(luò)組合，對現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)了有效的控制，極大地促進(jìn)了勞動生產(chǎn)率的提升，對當(dāng)下工業(yè)企業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文研究的主要議題是PLC以及特殊模塊構(gòu)成的下位機(jī)與完成SCADA功能的上位機(jī)結(jié)合，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，以完成對設(shè)備的監(jiān)控。

1 PLC的結(jié)構(gòu)與組成

本文對PLC建構(gòu)的過程控制系統(tǒng)的研究，主要是針對于對四個雙容水箱對象的液位監(jiān)控，其設(shè)計結(jié)構(gòu)主要是以EtherNet信息網(wǎng)絡(luò)級為主，設(shè)計系統(tǒng)當(dāng)中，PLC為下位機(jī)，PC機(jī)為上位機(jī)，通過RS—232C串口和PLC實現(xiàn)通訊，從而完成了PLC控制系統(tǒng)對現(xiàn)場的監(jiān)控。這種監(jiān)控是以PLC為控制系統(tǒng)，通過PLC與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)三者的結(jié)合，從而實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的分散控制，集中管理的效果。關(guān)于PLC對四個雙容水箱對象的控制系統(tǒng)設(shè)計，如圖1所示。

1.1 網(wǎng)絡(luò)級

網(wǎng)絡(luò)級主要采取的是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其設(shè)計原理是以EtherNet信息網(wǎng)絡(luò)級為主，通過對同軸電纜進(jìn)行連接，并且與生產(chǎn)控制級進(jìn)行操控，從而完成了PLC控制系統(tǒng)對整個生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)控，實現(xiàn)了集中化的管理方式。網(wǎng)絡(luò)級設(shè)計是PLC進(jìn)行監(jiān)控的關(guān)鍵，主要以PC機(jī)處理系統(tǒng)為主，對收集的信息進(jìn)行采集和處理，以完成監(jiān)控效果。

1.2 監(jiān)控級

監(jiān)控級的實現(xiàn)是計算機(jī)技術(shù)和PLC技術(shù)的結(jié)合，主要以PC機(jī)為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)的方式，以組態(tài)王6.0實現(xiàn)系統(tǒng)SCADA功能。通過對四個雙容水箱對象的液位監(jiān)控設(shè)計，我們不難發(fā)現(xiàn)，上位機(jī)通過連接RS-232C串口與PLC實現(xiàn)通訊，并通過總線連接，對各個工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)了實時監(jiān)控。監(jiān)控級是PLC與PC結(jié)合的一個關(guān)鍵部分，是針對工廠現(xiàn)場各個環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控工作實施的關(guān)鍵設(shè)備。

1.3 控制級

控制級主要以PLC為下位機(jī)，對現(xiàn)場實現(xiàn)了控制職能。涉及到工廠現(xiàn)場的控制，PLC控制系統(tǒng)主要采用了A/D003模擬量輸入模塊和D/A004模擬量輸出模塊兩種設(shè)備。A/D003主要是通過液位傳感器傳遞過來的電流信號，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過線路傳播，并通過轉(zhuǎn)化器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而完成控制級工作。A/D003模擬量輸入模塊主要涉及了IR區(qū)域和DM區(qū)域的數(shù)據(jù)接收，以及相應(yīng)數(shù)據(jù)的處理工作。至于D/A004模擬量輸出模塊，是將輸入模塊中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為4～20 mA的電流信號進(jìn)行輸出，并調(diào)整給水流量，從而完成控制級職能。

1.4 控制通道

就上圖所示的控制通道來看，主要分為輸入通道和輸出通道兩種。輸入通道采用的是CY3011AA1N型投入式液位傳感器，輸出通道采用的是變頻器和水泵，其輸出由PLC進(jìn)行控制，根據(jù)頻率信號來進(jìn)行輸出量控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水量的目的。

通過對四個雙容水箱對象的控制系統(tǒng)設(shè)計，可以實現(xiàn)水箱在工業(yè)生產(chǎn)過程中的用水需求，通過變頻器、變送器、手動操作器的自動化控制，完成對水流、水量的監(jiān)控，以此對工業(yè)現(xiàn)場用水進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，實現(xiàn)自動化控制過程。

2 針對PLC技術(shù)的過程控制系統(tǒng)的設(shè)計研究

2.1 SCADA監(jiān)控軟件的設(shè)計

SCADA是基于組態(tài)王6.0軟件基礎(chǔ)上，用戶可以進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的輕松構(gòu)建，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)良好的人機(jī)交互環(huán)境。SCADA監(jiān)控軟件，開發(fā)了過程流程畫面、監(jiān)控畫面、調(diào)節(jié)曲線等內(nèi)容，可以實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)控。

2.2 PLC過程控制系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計

關(guān)于PLC過程控制系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計，主要涉及到以下幾個方面：

①上電初始化：上電初始化主要是指對系統(tǒng)的初始化，其包括對RAM、ROM以及這兩個軟件系統(tǒng)中的IR、HR、DM區(qū)域的清零，并且對控制參數(shù)的初始值進(jìn)行設(shè)置。

②樣本采集的實現(xiàn)：樣本的采集受到被控制對象的特性影響，并且根據(jù)實際的監(jiān)控參數(shù)和控制器的容量進(jìn)行分析，通過PC機(jī)對模擬量進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模擬量輸入后對平均值的濾波。綜上所述，一般來說，會根據(jù)OMRONC200HG提供的脈沖信號，近似值在200 ms，作為采樣周期。

③信號處理：信號處理主要是針對于采集的原始數(shù)據(jù)，這些原始數(shù)據(jù)的信號處理會根據(jù)實際情況進(jìn)行控制器的使用。信號處理主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：濾波、零點遷移、量程變換、標(biāo)度變換四個方面。

④算法設(shè)計：算法設(shè)計是PLC過程控制系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計的關(guān)鍵，其控制算法主要有PID控制、Ping-Pang控制、模糊控制三種方式。其程序設(shè)計方式為：

開始→上電初始化→開泵→初始化數(shù)據(jù)處理→采樣時間→采樣→信號處理→控制算法（控制模式數(shù)據(jù)切換過程）→輸出數(shù)據(jù)→故障診斷→返回（程序結(jié)束）。

針對這一控制，首先要確定控制周期?？刂浦芷诘拇_定，主要是根據(jù)實際情況，也就是流量和液體的壓力特征，進(jìn)行周期控制確定。

⑤控制系統(tǒng)的故障診斷：PLC具有自動診斷功能，可以檢查現(xiàn)場控制系統(tǒng)的不正常情況，并且通過相應(yīng)線路連接，獲取系統(tǒng)故障信息。PLC自動診斷功能涉及的范圍較廣，包括電池電壓過低問題、端口通訊出錯問題、PLC掃描周期錯誤、指令執(zhí)行錯誤等方面故障。在進(jìn)行故障診斷過程當(dāng)中，傳感器的故障診斷主要以AD003模擬量輸入模塊通過IR區(qū)的地址進(jìn)行反饋。判斷斷線檢測標(biāo)志，主要在于電壓信號的反應(yīng)上，通過對電壓信號的處理，若是電壓信號<0.3 V，或者是電流信號在1.2 mA以下，則顯示數(shù)據(jù)為“1”，如果信號恢復(fù)正常的話，顯示數(shù)據(jù)為“0”，這種故障判斷主要是根據(jù)2位16進(jìn)制的錯誤代碼反應(yīng)，00代表正常，顯示數(shù)據(jù)“1”則反映了傳感器斷線故障。

3 結(jié) 語

基于PLC的過程控制系統(tǒng)對于構(gòu)建一個用戶可以進(jìn)行各種控制理論的研究平臺來說，具有重要意義。通過對水箱水位控制系統(tǒng)的研究，將PLC與SCADA集于一體的控制系統(tǒng)實現(xiàn)，是對PLC過程控制系統(tǒng)的一個研究和嘗試。通過研究和分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，PLC控制系統(tǒng)具有可靠、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，在未來的發(fā)展中，PLC控制技術(shù)將獲得長足的發(fā)展。

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