談PLC過程控制系統(tǒng)裝置開發(fā)

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摘要：快速發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對控制系統(tǒng)處理能力的要求不斷提高。以電氣控制系統(tǒng)作為研究對象，詳細(xì)介紹了電氣原理及工作流程，對控制系統(tǒng)裝置進(jìn)行了研究。在優(yōu)化設(shè)計控制系統(tǒng)總體方案的基礎(chǔ)上，以plc模塊作為重點設(shè)計對象，完成了基于PLC的過程控制系統(tǒng)的設(shè)計。電氣設(shè)備通過對電氣部件的參數(shù)進(jìn)行確定和計算實現(xiàn)了信號選擇，最終完成了基于PLC的過程控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。可有效提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，從而為電氣設(shè)備的穩(wěn)定運行及綜合管理及控制能力的提升提供支撐。

關(guān)鍵詞：電氣設(shè)備；PLC技術(shù)；過程控制系統(tǒng)；實現(xiàn)路徑

引言

不斷發(fā)展和完善的科學(xué)技術(shù)為各類產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐，多樣化的市場需求加速了產(chǎn)品更新?lián)Q代及創(chuàng)新速度，同時也豐富了品種及批量的比重，作為可編程控制器的一種，性價比較高的PLC具備較高的可靠性及簡易的代碼編寫過程等優(yōu)勢，有效滿足了程序在線編寫的需求，從而能夠做到編寫過程中問題和錯誤的及時發(fā)現(xiàn)和解決，因此PLC已經(jīng)在現(xiàn)代社會生產(chǎn)活動中得到廣泛應(yīng)用，在電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用PLC技術(shù)，通過結(jié)合運用通信網(wǎng)絡(luò)有效實現(xiàn)了電氣開關(guān)量的優(yōu)化和改進(jìn)，并提高了系統(tǒng)的柔性和可靠性，為電氣控制系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供支撐，對發(fā)展工業(yè)企業(yè)具有重要意義。

1基于PLC過程控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)

目前在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)控制方面，可編程控制器PLC因具備較高的可靠性、簡易的編程及修改方法等優(yōu)勢已得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)的微機(jī)和繼電器控制系統(tǒng)，基于PLC的控制系統(tǒng)具備顯著的優(yōu)勢，有效減少了調(diào)試的工作量，其工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)提升了抗干擾能力和系統(tǒng)的可靠性，降低了故障率確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，已成為目前國內(nèi)完善制造業(yè)自動化控制的首選方案（包括機(jī)床加工控制等）。本文主要對基于PLC的過程控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，完成了控制系統(tǒng)設(shè)計方案的構(gòu)建，結(jié)合使用信息通信網(wǎng)絡(luò)及PLC控制技術(shù)，實現(xiàn)了對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化過程的有效控制，使勞動生產(chǎn)率得以顯著提升。本文以構(gòu)建基于PLC的分布式控制系統(tǒng)為主要研究內(nèi)容，以完成下位機(jī)（由特殊模塊構(gòu)成）同上位機(jī)（負(fù)責(zé)完成SCADA功能）的有效連接，據(jù)此實現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)控功能，具體采用分布式控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)基于PLC的過程控制系統(tǒng)，具體如圖1所示。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。下位機(jī)和上位機(jī)分別通過PLC技術(shù)和計算機(jī)完成設(shè)計過程，二者間的通信則通過PLC及RS－232C串口完成，從而實現(xiàn)監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場作業(yè)的功能，有效的滿足了集中管理和分散控制工業(yè)現(xiàn)場的需求［1］。（1）采用EtherNet網(wǎng)絡(luò)完成網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建，生產(chǎn)過程和監(jiān)控過程通過使用同軸電纜實現(xiàn)相互連接，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場管理的集中化。（2）為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的有效監(jiān)控，由以計算機(jī)為主要構(gòu)成的上位機(jī)負(fù)責(zé)實現(xiàn)監(jiān)控功能，其SCADA功能具體采用組態(tài)王實現(xiàn)，PLC和上位機(jī)間通過使用RS串口完成通信過程。（3）為實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的控制，下位機(jī)的PLC選用了C2541HD型號，開關(guān)量及模擬量的輸出／輸入模塊、電源模塊、RS串行接口根據(jù)實際需要均在PLC中完成設(shè)置過程，傳感器發(fā)送的電流信號主要由模擬量輸入模塊負(fù)責(zé)接收，并由其完成電流信號到BCD碼數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，IR111代表模擬量輸入的通道地址，具體設(shè)置如表1所示。通道地址的確定通過使用撥號開關(guān)完成，系統(tǒng)采用開關(guān)為1的AD模塊地址，并對應(yīng)IR110－119的IR區(qū)域和DM110－119的DM區(qū)域，將轉(zhuǎn)換器（第一路）的工作設(shè)置為不保持峰值側(cè)［1］。（4）控制通道系統(tǒng)主要由輸入及主要由水泵及變頻器組成的輸出兩個控制通道構(gòu)成，現(xiàn)場液位信號通過使用液位傳感器（投入式）的輸入通道即可實現(xiàn)到電流信號的轉(zhuǎn)換，再向PLC模塊傳送電流信號；傳感部分的功能通過傳感器（具備高精度壓力）完成，實現(xiàn)將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，以確保同液面高度呈正比，從而使系統(tǒng)對相關(guān)性能的需求（包括控制精度、穩(wěn)定性及可靠性等）得以有效滿足；PLC的輸出控制量通過輸出通道能夠被有效接收，并實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的功能，水泵轉(zhuǎn)速的改變通過使用變頻器（將電流轉(zhuǎn)換為頻率信號）完成，對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制過程則通過交流變頻器完成［2］。

2軟件的設(shè)計和實現(xiàn)

2．1監(jiān)控軟件的實現(xiàn)

目前計算機(jī)控制在現(xiàn)代工業(yè)控制過程中發(fā)揮著重要的作用，創(chuàng)建系統(tǒng)需基于同PLC完成以太網(wǎng)創(chuàng)建的計算機(jī)控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)顯示和監(jiān)控相關(guān)數(shù)據(jù)的功能，通過在各車間放置一臺計算機(jī)監(jiān)控軟件，然后由操作入員負(fù)責(zé)操作和管理完成對自身車間設(shè)備的控制，同時在管理者辦公室安裝一臺以便監(jiān)控生產(chǎn)車間的生產(chǎn)情況，通過安裝SQL數(shù)據(jù)庫、組態(tài)及通訊軟件（MOXA卡）確保了監(jiān)控軟件功能的實現(xiàn)，收集數(shù)據(jù)的功能通過PLC和計算機(jī)同PID儀表相連（通過安裝的組態(tài)軟件）后即可實現(xiàn)，系統(tǒng)界面可全面展現(xiàn)工藝流程。電機(jī)和閥門（可自動或手動控制關(guān)閉狀態(tài)）具備報警功能，對工業(yè)生產(chǎn)過程出現(xiàn)故障的某一部位會立刻報警。組態(tài)軟件在SQL數(shù)據(jù)庫中存儲相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及報表，可快速查詢現(xiàn)場工況、故障記錄、相關(guān)報表等。此外，系統(tǒng)通過采用開放OPC端口實現(xiàn)數(shù)據(jù)到管理辦公室的遠(yuǎn)程傳送和接收，實現(xiàn)了生產(chǎn)車間生產(chǎn)情況的實時掌控［3］。

2．2控制層的實現(xiàn)

生產(chǎn)加工企業(yè)的有效控制過程通常由多個公用設(shè)備車間及生產(chǎn)車間共同實現(xiàn)，在各生產(chǎn)車間內(nèi)配置PLC裝置，再將遠(yuǎn)程I／0配置于公用設(shè)備車間內(nèi)，控制層以PLC及OID調(diào)節(jié)儀作為主要構(gòu)成部分，CPU通過PLC完成控制網(wǎng)的創(chuàng)建進(jìn)而實現(xiàn)擴(kuò)展功能，在此基礎(chǔ)上完成對生產(chǎn)車間設(shè)備情況的全面控制，完成對溫度、流量、壓力及重量等的檢測，對多個設(shè)備（包括閥門電機(jī)等）通過開關(guān)量及模擬量的輸出／輸入等模塊（位于PLC中）實現(xiàn)相關(guān)控制過程（包括控制及檢測調(diào)節(jié)閥）［4］?？刂瞥绦虻目蓴U(kuò)展性通過模塊化編程方法的使用得以有效提升。通過脈沖計量儀表的使用完成了脈沖采集模塊的創(chuàng)建，具體的高速脈沖信號的過程（主要負(fù)責(zé)將脈沖數(shù)量輸送到緩存區(qū)），如圖3所示。該模塊主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場脈沖儀表數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的控制［5］。工業(yè)生產(chǎn)過程的流程只需通過制定啟動指令即可實現(xiàn)，設(shè)備的自動生產(chǎn)通過系統(tǒng)對相應(yīng)工藝參數(shù)（以工藝需求及生產(chǎn)順序為依據(jù)）進(jìn)行設(shè)置即可實現(xiàn)。自動控制各電機(jī)設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)在生產(chǎn)難以正常進(jìn)行的情況下（如由意外情況導(dǎo)致）會變?yōu)槭謩涌刂?。本文系統(tǒng)的通信過程采用以太網(wǎng)方式，通過將以太網(wǎng)模塊安裝于PLC中實現(xiàn)同計算機(jī)間的有效通信過程（以TCP／IP協(xié)議為依據(jù)），使計算機(jī)同PLC間的通信流量、速度及安全性得以顯著提升，控制層軟件的核心代碼設(shè)計如下（以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫設(shè)計為主）［6］。

2．3控制系統(tǒng)下位機(jī)軟件的實現(xiàn)

PLC和監(jiān)控軟件需通過下位機(jī)軟件實現(xiàn)相互通信，在監(jiān)控及控制軟件的基礎(chǔ)上完成下位機(jī)軟件的設(shè)計，下位機(jī)軟件程序則通過使用編程軟件OMRON完成具體的編制和調(diào)試過程，接下來在PLC中下載調(diào)制的程序，控制系統(tǒng)下位機(jī)軟件實現(xiàn)的關(guān)鍵在于：（1）上電初始化，主要完成系統(tǒng)初始化清零和設(shè)置控制參數(shù)初始值（包括RAM、ROM）［7］。（2）基于實際監(jiān)控參數(shù)和控制器容量對樣本進(jìn)行采集，再將輸入的模擬量通過PC機(jī)完成轉(zhuǎn)換后實現(xiàn)對平均值的濾波，根據(jù)脈沖信號確定采樣周期。（3）信號處理以采集到的原始數(shù)據(jù)為主，主要由濾波、零點遷移、變換量程及標(biāo)度構(gòu)成，信號處理根據(jù)實際情況使用相應(yīng)的控制器。（4）作為下位機(jī)軟件的核心算法設(shè)計通常使用PID控制、模糊控制算法，根據(jù)包括流量和液體的壓力特征等在內(nèi)的實際情況確定控制周期［8］。（5）控制系統(tǒng)故障診斷，使用PLC（型號為G2254，具有涉及范圍較廣的自動診斷功能）完成系統(tǒng)的故障診斷，實現(xiàn)對現(xiàn)場控制系統(tǒng)異常情況（包括指令執(zhí)行有誤、端口通信錯誤、電池電壓過低等）的自動檢測，再通過連接相應(yīng)線路實現(xiàn)系統(tǒng)故障信息的獲取。以通過IR區(qū)的模擬量輸入模塊（AD003）地址進(jìn)行反饋完成傳感器的故障診斷，以斷線檢測標(biāo)志的判斷為例，主要以2位16進(jìn)制的錯誤代碼反應(yīng)為依據(jù)判斷故障，對電壓信號進(jìn)行處理，在電壓信號低于0．3V（或電流信號低于1．2mA）的情況下數(shù)據(jù)顯示為“1”表示傳感器出現(xiàn)了斷線故障，信號恢復(fù)正常時顯示為“0”［9］。以現(xiàn)場水位的控制及故障的診斷為例，主控制程序過程具體如圖4所示。針對ROM、RAM區(qū)域完成初始化和參數(shù)設(shè)置。考慮到采樣周期對控制器、檢測參數(shù)和被控對象的影響，以實際情況為依據(jù)對模擬量輸入通道及系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（包括零點、標(biāo)度及量程等的變換），才能確保控制器順利使用這些數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^在編程中引入模糊控制實現(xiàn)控制系統(tǒng)性能的提高，控制規(guī)則查詢表的創(chuàng)建通過變量附表和模糊控制原則的輸入完成，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)在線查詢功能。

3總結(jié)

本文主要研究了基于PLC的過程控制系統(tǒng)，通過將PLC與SCADA集于一體，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控過程的靈活高效，實際應(yīng)用結(jié)果表明本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠全面的分析和統(tǒng)計設(shè)備運行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工作過程的全面監(jiān)控，在確保機(jī)床安全生產(chǎn)的同時顯著提升了生產(chǎn)精度及效率，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及生產(chǎn)自動化程度的全面提高，實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的有效控制。

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作者：姚靜 單位：商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院