安磊

摘 要：PROFIBUS-PA是工業(yè)總線(xiàn)中常見(jiàn)的通信方式，主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信。文章以西門(mén)子S7-400 PLC、SAMSON氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥、SAMSON 3730-4定位器為例，對(duì)PROFIBUS-PA網(wǎng)絡(luò)下氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用做一探討。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS-PA；氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥；定位器；PID閉環(huán)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ056.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）05-0089-02

1 概 述

PROFIBUS-PA用于過(guò)程自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)傳輸，其特點(diǎn)是在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中確保本質(zhì)安全和通過(guò)電纜同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和供電。氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥是根據(jù)定位器所提供的壓縮空氣工作氣壓來(lái)改變閥芯與閥座間的流通面積以調(diào)節(jié)介質(zhì)流量。在PROFIBUS-PA環(huán)境下應(yīng)用氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥，實(shí)際上是利用定位器接收到的PROFIBUS-PA網(wǎng)絡(luò)電流信號(hào)，來(lái)調(diào)節(jié)工作氣壓的大小以改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，確保介質(zhì)流量符合要求。

2 技術(shù)要點(diǎn)

2.1 PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA用于PLC與過(guò)程自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行器的低速數(shù)據(jù)傳輸，其功能集成在起動(dòng)執(zhí)行器、測(cè)量變送器和調(diào)節(jié)閥定位器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中。PROFIBUS-PA采用符合IEC 1158-2標(biāo)準(zhǔn)的傳輸技術(shù)，即曼徹斯特碼編碼與總線(xiàn)供電傳輸技術(shù)，以確保本質(zhì)安全，并通過(guò)總線(xiàn)直接給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。采用曼徹斯特編碼傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，從0到1的上升沿發(fā)送二進(jìn)制“0”，從1到0的下降沿發(fā)送二級(jí)制數(shù)“1”，傳輸速率為31.25 kbit/s。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)DP/PA耦合器或DP/PA鏈接器接入網(wǎng)絡(luò)。

2.2 氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥

氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥由膜片、推桿、閥芯、閥座、彈簧等部件組成。其工作原理：

來(lái)自定位器的信號(hào)壓力，即壓縮空氣工作氣壓，通入到薄膜氣室時(shí)，在膜片上產(chǎn)生一個(gè)推力。

當(dāng)推力大于彈簧的作用力時(shí)，膜片帶動(dòng)推桿向上移動(dòng)，使閥芯和閥座之間的空隙增大，致使介質(zhì)流量增大。

當(dāng)信號(hào)壓力減小至小于彈簧作用力時(shí)，膜片帶動(dòng)推桿向下移動(dòng)，使閥芯和閥座之間的空隙減小，致使介質(zhì)流量減小。

當(dāng)信號(hào)壓力與彈簧作用力相等時(shí)，閥芯與閥座間的流通面積不再變化，致使介質(zhì)流量穩(wěn)定。

由此可見(jiàn)，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度由信號(hào)壓力的大小決定，而信號(hào)壓力大小由定位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3 SAMSON 3730-4定位器

3730-4型PROFIBUS-PA定位器使用符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)進(jìn)行通訊及供電。其工作原理為：

PROFIBUS-PA信號(hào)通過(guò)IEC1158-2輸入模塊進(jìn)入定位器，經(jīng)過(guò)微處理器和D/A轉(zhuǎn)換器處理后，形成模擬量直流控制信號(hào)w，送至PD控制器（比例積分控制器）。閥位傳感器根據(jù)調(diào)節(jié)閥閥芯實(shí)際位置，經(jīng)過(guò)處理后形成閥位反饋信號(hào)x，送至PD控制器。PD控制器將x、w進(jìn)行對(duì)比及運(yùn)算，輸出運(yùn)算信號(hào)至電氣轉(zhuǎn)換器。在電氣轉(zhuǎn)換器的作用下，氣源氣壓根據(jù)輸出運(yùn)算信號(hào)電流值的大小，被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)大小的工作氣壓。

工作氣壓在氣動(dòng)放大器的作用下，將大流量同壓力的壓縮空氣作用在控制閥上，此處壓縮空氣的壓力即上節(jié)中所描述的信號(hào)壓力。

3 實(shí)例分析及實(shí)施

3.1 實(shí)例分析

本文以卷煙制造企業(yè)中回潮機(jī)控制加水流量為實(shí)例，說(shuō)明氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥在PROFIBUS-PA網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用。

回潮機(jī)是卷煙制造企業(yè)制絲生產(chǎn)線(xiàn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其工藝任務(wù)是對(duì)煙葉或煙絲進(jìn)行增溫增濕處理，確保物料水分及溫度符合工藝要求。回潮機(jī)對(duì)加水流量的控制方式為PID閉環(huán)，如圖1所示。

如圖所示，編號(hào)為1212的設(shè)備即為回潮機(jī)，編號(hào)為1209的設(shè)備為回潮機(jī)前對(duì)物料進(jìn)行稱(chēng)重的電子皮帶秤。結(jié)合案例及PID閉環(huán)控制系統(tǒng)中的參數(shù)，sp為設(shè)定加水量，即物料瞬時(shí)重量（1209電子皮帶秤對(duì)物料進(jìn)行稱(chēng)重獲?。┏艘约铀禂?shù)，被控量c為實(shí)際加水量，電磁流量計(jì)測(cè)量實(shí)際加水量后可得出實(shí)際加水量信號(hào)pv。sp和pv進(jìn)行比較得出誤差ev并將其輸入至PID控制器，控制器通過(guò)計(jì)算得出調(diào)節(jié)信號(hào)作用于控制加水流量的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥。

根據(jù)以上分析，得出該實(shí)例的PID控制方式，如圖2所示。

3.2 案例實(shí)施

3.2.1 定位器參數(shù)設(shè)置

使用定位器控制面板上的旋鈕設(shè)置參數(shù)：

①轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕按鍵至參數(shù)3，將其參數(shù)值設(shè)置為ON，以允許修改定位器參數(shù)；

②轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕按鍵至參數(shù)4，參照調(diào)節(jié)閥銘牌選擇銷(xiāo)釘位置；

③轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕按鍵至參數(shù)5，參照調(diào)節(jié)閥銘牌輸入額定行程/范圍；

④轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕按鍵至參數(shù)6，將其參數(shù)值設(shè)置為NOM，以進(jìn)行精確初始化。

上述參數(shù)設(shè)置完成后，使用電筆按初始化鍵進(jìn)行定位器的初始化操作。初始化結(jié)束后，轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕按鍵至參數(shù)46，設(shè)置定位器在PA網(wǎng)絡(luò)中的地址，本實(shí)例中定位器的地址為3，設(shè)置完成后長(zhǎng)按旋鈕按鍵進(jìn)行確認(rèn)。

3.2.2 PLC組態(tài)

安裝與電磁流量計(jì)和3730-4定位器相關(guān)的GSD文件后，即可用STEP7軟件進(jìn)行組態(tài)。

①按照需求對(duì)S7-400 PLC進(jìn)行組態(tài)；

②選擇DP組件中的DP/PA Link，將其接入CPU模塊中的DP網(wǎng)絡(luò)，雙擊圖標(biāo)設(shè)置其地址為4；

③在右側(cè)組件列表中選擇相應(yīng)的電磁流量計(jì)和定位器，將其接入PA網(wǎng)絡(luò)，雙擊圖標(biāo)，分別設(shè)置電磁流量計(jì)的地址為10，3730-4定位器的地址為3，PLC組態(tài)示意圖，如圖3所示。

組態(tài)完成后，可在下方地址映射表中發(fā)現(xiàn)，電磁流量計(jì)相對(duì)于PLC的輸入地址為PID1245，3730-4定位器相對(duì)于PLC的輸出地址為PQD601。

3.2.3 PLC編程

該實(shí)例使用STL語(yǔ)言進(jìn)行編程，調(diào)用FB41功能塊，對(duì)應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊是DB17。

CALL "CONT_C" ， DB17

輸入：

COM_RST ：= DB205.DBX 20.2

MAN_ON ：= DB205.DBX20.3 //是否手動(dòng)操作

P_SEL：= M363.1 //決定是否開(kāi)啟比例調(diào)節(jié)。

I_SEL：= M363.2 //決定是否開(kāi)啟積分調(diào)節(jié)。

D_SEL：= M363.3 //決定是否開(kāi)啟微分調(diào)節(jié)。

CYCLE：=T#100MS //采樣時(shí)間

SP_INT：=DB112.DBD0 //設(shè)定加水量

PV_IN ：=PID 1245 //實(shí)際加水量信號(hào)

MAN ：=DB112.DBD8

GAIN ：=DB112.DBD12 //增益

TI ：=DB112.DBD16 //積分相應(yīng)時(shí)間

TD ：=DB112.DBD20 //微分時(shí)間輸入

DEADB_W：=DB112.DBD36 //死區(qū)

LMN_HLM ：=DB112.DBD24 //PID控制器輸出上限

LMN_LLM ：=DB112.DBD28 //PID控制器輸出下限

輸出：

LMN：=PQD601 //控制器輸出值，該值作用于定位器以調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在自動(dòng)化控制中逐步發(fā)揮著不可取代的作用，變頻器、傳感器、變送器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合，充分提升現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的可用性，以提升工業(yè)自動(dòng)化控制水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尚群立，蔣鵬.智能電氣閥門(mén)定位器的研究[J]儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，（4）.

[2] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.