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基于S7-200PLC的高壓調節閥控制器設計分享
發布于：2019/8/29 16:10:40 點擊量：356
當今的工業生產中，用于控制水、氣、油等各種流體傳送的閥門是不可缺少的重要設備。在高壓的場合危險性非常高，如果使用手動調節閥，不但不能在線自動調節閥門開度，實現安全操作，而且在操作過程中，若產生泄漏或操作失誤，則會造成人員傷亡。隨著計算機控制系統的廣泛應用，電動閥門要求在中央控制室的HMI上也能夠遠程控制，否則不能確切知道閥門開到了什么位置，也就不能把閥門準確地開到中間某個位置。目前，適合高壓的電控調節閥價格比較昂貴，而同樣級別的手動調節閥價格低廉。文中主要介紹使用西門子S7-200PLC系列可編程控制器對高壓手動調節閥進行改造，調節閥可根據伺服電機和編碼器傳來的脈沖信號，直接操作改變閥門的開度，實現在線自動標定、自校正、實時監控等功能，有效提高控制水平。
1 監控系統的組成結構
該調節閥執行機構主要由PLC和執行器組成。PLC以西門子S7-200可編程控制器為核心，配以相應的外圍電路和上位機組態軟件；執行器由伺服電機和增量式編碼器構成，該設計方案控制精度要求達到0.5%。系統工作原理如圖1。
圖1 系統工作原理圖
（1）閥門機械執行器
具體的做法是將閥芯的調節軸伸出和伺服電機對接起來，并在聯軸器中間安裝一個位置傳感器，傳感器采用增量式旋轉編碼器，消除電磁式傳感器的磁滯特性，使閥門能精確地定位。此種方法間接實現了高壓氣體的自動控制，并且避免了高壓調節閥的高成本。
（2）可編程控制器
控制器接收來自編碼器的脈沖信號，該脈沖信號接入PLC的高速計數器端口；編碼器每圈發出512個脈沖，電機正轉時，編碼器A相超前B相90°，PLC高速計數器正向累計脈沖；反之，編碼器B相超前A相90°，PLC高速計數器反向累計脈沖。
閥門開度
（1）
其中：N為閥門開度從0調節到100%需轉動的圈數，W為編碼器每圈發出的脈沖數，n為PLC實時的累加值。由式（1）可知，通過PLC的計數值，即可計算出閥門的當前開度。需要調節閥門開度時，在監控界面輸入目標開度值。若目標開度大于當前開度，PLC發出伺服電機正轉信號，開度正調到目標開度；反之，PLC發出伺服電機反轉信號，閥門開度反調到目標開度。在程序中附加原點監測和極限值保護環節，調節閥控制系統還可以完成疲勞密封的檢測和處理任務。
2 系統硬件設計
對控制器的基本要求是：能夠實時采集被測閥門的性能參數，包括前壓力、后壓力、壓差、溫度、流量等，并能夠實時顯示和調節閥門的開度，同時保持與上位機的通信。
該系統硬件部分由工控機、PLC、數據采集卡及其他電氣元件組成，全部裝配到一個電氣控制柜中。系統需要采集的信號包括4個模擬量和7個數字量，4個模擬量包括：被測閥前后的壓力、介質溫度和介質流量，系統構成圖見圖2。3個數字量包括：接近開關、控制調節閥開度的伺服電機正/反轉用繼電器、電磁閥和3個指示燈。考慮到開關量輸入輸出的數量、模擬量輸入精度互鎖等方面情況，選用西門子CPU-222PLC作為控制器。CPU-222有8個輸入點和6個輸出點，并可以擴展2個模塊；機內有256個定時器/計數器，4個高速計數器；內置24V直流電源；每條布爾量指令執行時間為0.22μs；編程可用手持編程器，也可以用個人PC，方便現場編制程序及歸檔文件和打印輸出。
圖2 數據采集系統硬件構成
模擬量單元采用EM231模塊，此模塊有4路模擬量輸入。主要技術數據為：輸入類型為差分輸入；輸入類型有電壓單極性、電壓雙極性、電流3種類型；電壓輸入范圍有0～10V，0～5V，0～1V，0～100mV，±5V，±2.5V，±500mV等，電流范圍為0～20mA。數模轉換時間小于250μs；量程范圍為0～32000；A/D轉換精度為12位；電流輸出穩定時間為2ms。
3 系統軟件實現
系統軟件由兩部分組成： （1）PLC控制程序；（2）上位機測控數據實時處理軟件［5］。PLC控制程序主要完成閥門開度的調節及其他控制功能；上位機監控界面主要負責系統運行的監控和信息的處理。一般的組態軟件控制功能都較弱，開發上位機監控界面時使用了大量的腳本進行系統的控制，而力控PCAu-to組態軟件界面的按鈕和文字是靜止的，為形象顯示大都使用了漂亮的位圖或者利用了PhtoshopCS所做出的效果，較為人性化。開發的監控界面，不但實現了一般的性能參數和曲線的監控顯示，而且還有一套比較完善的數據庫管理系統。綜合起來，上位機完成了整個數據采集系統的監控、控制、調度和管理任務。
3.1 調節閥PLC軟件設計
軟件核心部分框圖如圖3所示。圖中，用mk代表目標開度，用dk代表當前開度。其工作原理是在系統組態界面上輸入所需要的閥門目標開度數值。該數值經量程轉化成編碼器的脈沖個數輸入到PLC中，PLC將閥門的實際開度和目標開度進行比較，若目標開度大于當前開度，PLC就向電動機發出正轉信號，電動機就正轉，編碼器就增計數；反之，電動機就反轉，編碼器減計數。編碼器的脈沖數傳送到PLC，并與目標脈沖數進行比較，當編碼器的所設目標脈沖數等于實際旋轉采集到的脈沖數時（利用高速計數器當前值等于預設值中斷），電動機停止旋轉，閥門即達到所設目標開度值。此時，閥門的實際開度經PLC傳送回組態界面，并在畫面上顯示實際閥門開度。
圖3 軟件核心部分框圖
該軟件程序還具有防止慣性而產生的震蕩、編碼器故障或急停保護、正反轉互鎖和切換保護、掉電保持等功能，它采用梯形圖邏輯編制，編程方便且直觀。因篇幅原因，下面僅給出PLC高速計數器部分控制程序梯形圖，如圖4所示。
圖4 梯形圖程序
3.2 系統監控中心軟件
監控系統是利用力控公司的PCAuto6.0編寫的。PCAuto組態軟件運行在Windows各種操作系統中，能利用圖形編輯功能方便地構成監控畫面，以動畫方式在線監控設備的運行狀態，具有數據庫ODBC接口、DDE功能，可便利地生成實時/歷史曲線、用戶報表和報警。上位機系統主要由主界面、參數設定、用戶報表、曲線、報警、歷史查詢、用戶管理、聯機幫助文檔等畫面組成。
用戶通過系統可隨時清楚了解被測閥門的性能參數與運行狀態，對閥門實施遠程控制，來實現對整個數據采集系統的監視、控制、調度和管理。系統將歷史數據以多種方式保存，便于管理者進行閥門站運行數據的分析統計和故障分析。圖5為監控系統主畫面。
圖5 監控系統主畫面
4 結束語
使用S7-200PLC將高壓手動調節閥改造成電動調節閥，解決了高壓電控閥在線調節困難和安全隱患的問題，還具有防止慣性而產生的震蕩、編碼器故障或急停保護、正反轉互鎖和切換保護、掉電保持等功能。整個過程簡單直觀，能巧妙和低成本地解決高壓閥調節問題。監控中心通過數據傳輸對被測閥門性能參數進行實時采集、對異常情況及時報警，系統有較強的數據處理功能，實現了數據報表和曲線的自動生成、數據庫歷史查詢等多種功能。系統經半年多實際運行，其性能穩定，運行可靠，人機界面友好，易操作，大大減少了工作人員的勞動強度和操作失誤，使用維護方便，具有很好的可擴展性和較高的實用價值。
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