任永輝

（八冶建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 金昌 737100）

1 引言

可編程自動(dòng)化控制器（PAC）是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、儀表技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為一體的自動(dòng)控制裝置。PAC既具有傳統(tǒng)PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點(diǎn)，又具有PC的高速運(yùn)算、豐富的編程語(yǔ)言、方便的網(wǎng)絡(luò)連接優(yōu)勢(shì)[1]。PID控制器適用于大多數(shù)工業(yè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性尚未被完全掌握，得不到精確的數(shù)學(xué)模型的工程實(shí)際中[2]。因此，建立開放性的PAC自動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是十分必要的。

2 系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)模擬化工過(guò)程稀釋罐、反應(yīng)罐液位和反應(yīng)罐溫度的變化，對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)使用ADAM 5510kW作為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控設(shè)備，ADAM 5018采集溫度，由ADAM 5017采集液位，ADAM 5060控制啟停開關(guān)、原料進(jìn)口閥、水進(jìn)口閥、原料出口泵、成品出口泵，ADAM 5080采集成品出口流速。這些量都是假設(shè)的，是由信號(hào)盒和信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，主要為了便于學(xué)習(xí)設(shè)備和軟件。上位機(jī)監(jiān)控程序使用Aotoview編寫[3]。作為一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)具備以下組成部分[4]，如圖1所示。

圖1 完整的控制系統(tǒng)組成部分

3 控制方案的實(shí)現(xiàn)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用研華的LABS-1000DEMO箱中溫度加熱控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)罐溫度的變化模擬，控制對(duì)象是溫度箱的溫度，以5510kW進(jìn)行溫度PID控制，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的啟停來(lái)控制溫度箱溫度。用信號(hào)盒產(chǎn)生的信號(hào)模擬液位的變化，通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)強(qiáng)弱，從上微機(jī)系統(tǒng)畫面觀測(cè)液位的變化。用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)需要的模擬流速，并通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控畫面的啟/停開關(guān)完成繼電器開合，成功的完成對(duì)原料進(jìn)口閥、水進(jìn)口閥、原料出口泵、成品出口泵的模擬控制[5]。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置

4.1 系統(tǒng)配置

ADAM-5510KW系統(tǒng)是模塊化的結(jié)構(gòu)，控制范圍包括直接插入本地的I/O模塊和通過(guò)RS-485網(wǎng)絡(luò)連接的ADAD-4000系列遠(yuǎn)程I/O模塊[6]。

ADAM-5510KW模塊化結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ADAM-5510kW系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)圖

（1）ADAM-5017模塊。將現(xiàn)信號(hào)盒模擬液位物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號(hào)，作為ADAM-5017的輸入。對(duì)應(yīng)PID功能塊的PV值。故ADAM-5017的輸入范圍設(shè)置為：-20～ +20mA。

（2）ADAM-5018模塊。用K型熱電偶，采集溫度信號(hào)作為輸入，對(duì)應(yīng)PID功能塊的PV值。

（3）ADAM-5024模塊。通道輸出10V電壓控制加熱電阻；通道輸出0～10V電壓控制風(fēng)扇，ADAM-5024的輸出范圍設(shè)置為4～20mA。

4.2 模塊連接

（1）I/O模塊和底座連接時(shí)，要把模塊和底座的上下插槽對(duì)準(zhǔn)，固定后把固定夾推入以使模塊牢固地連接到系統(tǒng)上。

（2）I/O模塊與設(shè)備的連接，連線直徑為0.5～2.5mm，導(dǎo)線不能有接頭，使用線鼻子，輸入線和輸出線遠(yuǎn)離，避免導(dǎo)線彎折，同時(shí)避免靠近高壓線。電源線直徑不得小于2.0mm。

（3）接口的連接

1）COM 1口使用Modbus/ RTU slave協(xié)議和觸摸屏進(jìn)行連接，采用RS-232方式。

2）COM 2口使用Multiprog協(xié)議和主機(jī)上的Multiprog軟件進(jìn)行連接，編程下載、在線監(jiān)控等。

3）COM 3口是保留用于維護(hù)的調(diào)試/編程端口。

4）COM 4口是一個(gè)RS485/232口，可以進(jìn)行跳線設(shè)置。使用Modbus RTU master協(xié)議和ADAM-4055遠(yuǎn)程模塊進(jìn)行連接[7]。

4.3 模塊安裝

面板安裝時(shí)，為保證有良好的通風(fēng)條件，系統(tǒng)需要水平安裝，不垂直安裝、倒裝或在光滑水平向上安裝；在導(dǎo)軌上安裝系統(tǒng)，應(yīng)該在導(dǎo)軌的兩頭加裝堵頭，防止系統(tǒng)在導(dǎo)軌上水平滑動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)安裝在導(dǎo)軌上，上推系統(tǒng)底部鎖定開關(guān)，把系統(tǒng)鎖定在導(dǎo)軌上。

5 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

在程序中直接調(diào)用Multiprog軟件中ProconOS.fw l中的FPID功能塊，ADAM-5018的每一路輸入即對(duì)應(yīng)該FPID功能塊的PV值，PID運(yùn)算后的MV值經(jīng)比例關(guān)系調(diào)整并對(duì)應(yīng)到ADAM-5024的輸出；對(duì)于FPID的SV、KP、TI、TD、手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾切換等均可通過(guò)組態(tài)軟件來(lái)進(jìn)行設(shè)置[8]。

5.1 監(jiān)控軟件模塊

（1）動(dòng)態(tài)圖形顯示

建立畫面的圖素與數(shù)據(jù)庫(kù)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。建立動(dòng)畫連接后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中變量的變化，圖形對(duì)象可以按動(dòng)畫連接的要求進(jìn)行改變。一個(gè)圖形對(duì)象可以同時(shí)定義多個(gè)動(dòng)畫連接，從而可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)畫功能。

（2）實(shí)時(shí)曲線顯示

實(shí)時(shí)趨勢(shì)用于實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的變化情況。在畫面運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線對(duì)象由系統(tǒng)自動(dòng)更新。數(shù)據(jù)將從趨勢(shì)的右邊進(jìn)入，同時(shí)趨勢(shì)將從右向左移動(dòng)。

（3）發(fā)送Email

本功能可以應(yīng)用于報(bào)警信息的傳送，在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人職守的情況下如果產(chǎn)生報(bào)警，可在報(bào)警預(yù)置自定義函數(shù)中定義發(fā)送Email信息。

（4）實(shí)時(shí)報(bào)警

運(yùn)行報(bào)警和事件記錄是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中必不可少的功能，當(dāng)變量的數(shù)值或數(shù)值的變化異常時(shí)，將產(chǎn)生報(bào)警，以便操作者采取必要的措施。報(bào)警的記錄可以是文本文件、開放式數(shù)據(jù)庫(kù)或打印機(jī)。另外，用戶可以從人機(jī)界面提供的報(bào)警窗中查看報(bào)警和事件信息。

（5）通信模塊

Autoview完全基于網(wǎng)絡(luò)的概念，是一種真正的客戶/服務(wù)器模式，支持分布式歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和分布式報(bào)警系統(tǒng)，可運(yùn)行在基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)上，使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)上、下位機(jī)以及更高層次的連網(wǎng)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)“數(shù)據(jù)采集站”直接從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，變量名為“反應(yīng)罐溫度”，網(wǎng)絡(luò)工程人員在節(jié)點(diǎn)“調(diào)度室”上查看此數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和I/O變量已按上節(jié)所述方法正確設(shè)置。啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)“數(shù)據(jù)采集站”上的“Autoview”畫面運(yùn)行系統(tǒng)TouchVew，在“Autoview”信息窗口中可以看到網(wǎng)絡(luò)連接的過(guò)程：初始化TCP/IP網(wǎng)絡(luò)完成后開始采集數(shù)據(jù)。

5.2 PID控制部分程序的說(shuō)明

（1）PID功能調(diào)用FPID功能塊即可方便實(shí)現(xiàn)；PID調(diào)節(jié)時(shí)，手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾切換、SV、KP、TI、TD等參數(shù)可經(jīng)過(guò)Modbus協(xié)議與上位機(jī)組態(tài)軟件的人機(jī)接口連接，并方便更改設(shè)置等。

（2）模擬量輸入部分：將5017模塊中16位A/D的采集信號(hào)轉(zhuǎn)換為-20～+20m A的物理值，并送入FPID功能塊的“X”，對(duì)應(yīng)為PV值。

（3）模擬量輸出部分：12位D/A的5024模塊輸出范圍是：4～20mA；將Yout值（對(duì)應(yīng)MV）轉(zhuǎn)換為0～4095之間的DA值送入ADAM-5024輸出到固態(tài)繼電器。

（4）在調(diào)試PID參數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)效果PV值也可通過(guò)Modbus協(xié)議上傳到組態(tài)軟件中進(jìn)行曲線顯示，察看調(diào)節(jié)效果。

5.3 程序?qū)崿F(xiàn)

（1）PID作用是反作用控制，采用FPID功能塊。程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 程序設(shè)計(jì)圖

完整的控制程序由加熱程序設(shè)計(jì)、采集溫度程序設(shè)計(jì)、高低溫控制設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、顯示程序設(shè)計(jì)各部分程序構(gòu)成，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將程序下載到可編程序自動(dòng)化控制器，從而實(shí)現(xiàn)完整的溫度控制系統(tǒng)。

（2）在上位機(jī)組態(tài)軟件中，調(diào)節(jié)KP和TI兩個(gè)參數(shù)，TD=0.0，對(duì)Set Point進(jìn)行設(shè)置，并顯示PV（紅色曲線）和YOUT（綠色曲線）的控制曲線。如圖4所示。

圖4 控制曲線

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)在深入研究了可編程序控制器實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的角度設(shè)計(jì)了以可編程自動(dòng)化控制器（PAC）為基礎(chǔ)的溫度自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，應(yīng)用PAC及相關(guān)技術(shù)，完成了對(duì)溫度的自動(dòng)控制。結(jié)合上位機(jī)的組態(tài)軟件讓使用者在最快的時(shí)間之內(nèi)學(xué)會(huì)在PAC平臺(tái)上搭建一個(gè)完整的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。PAC以它特有的PC的控制、通信、存儲(chǔ)和計(jì)算等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將在自動(dòng)化領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

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