當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)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(shè)備。在高壓的場合危險(xiǎn)性非常高，如果使用手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，不但不能在線自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度，實(shí)現(xiàn)安全操作，而且在操作過程中，若產(chǎn)生泄漏或操作失誤，則會造成人員傷亡。隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電動(dòng)閥門要求在中央控制室的HMI上也能夠遠(yuǎn)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(zhǔn)確地開到中間某個(gè)位置。目前，適合高壓的電控調(diào)節(jié)閥價(jià)格比較昂貴，而同樣級別的手動(dòng)調(diào)節(jié)閥價(jià)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(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行改造，調(diào)節(jié)閥可根據(jù)伺服電機(jī)和編碼器傳來的脈沖信號，直接操作改變閥門的開度，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)標(biāo)定、自校正、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，有效提高控制水平。

    1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

    該調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由PLC和執(zhí)行器組成。PLC以西門子S7-200可編程控制器為核心，配以相應(yīng)的外圍電路和上位機(jī)組態(tài)軟件；執(zhí)行器由伺服電機(jī)和增量式編碼器構(gòu)成，該設(shè)計(jì)方案控制精度要求達(dá)到0.5%。系統(tǒng)工作原理如圖1。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

    （1）閥門機(jī)械執(zhí)行器

    具體的做法是將閥芯的調(diào)節(jié)軸伸出和伺服電機(jī)對接起來，并在聯(lián)軸器中間安裝一個(gè)位置傳感器，傳感器采用增量式旋轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)了高壓氣體的自動(dòng)控制，并且避免了高壓調(diào)節(jié)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(jì)數(shù)器端口；編碼器每圈發(fā)出512個(gè)脈沖，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器A相超前B相90°，PLC高速計(jì)數(shù)器正向累計(jì)脈沖；反之，編碼器B相超前A相90°，PLC高速計(jì)數(shù)器反向累計(jì)脈沖。

    閥門開度   （1）

    其中：N為閥門開度從0調(diào)節(jié)到100%需轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，W為編碼器每圈發(fā)出的脈沖數(shù)，n為PLC實(shí)時(shí)的累加值。由式（1）可知，通過PLC的計(jì)數(shù)值，即可計(jì)算出閥門的當(dāng)前開度。需要調(diào)節(jié)閥門開度時(shí)，在監(jiān)控界面輸入目標(biāo)開度值。若目標(biāo)開度大于當(dāng)前開度，PLC發(fā)出伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)信號，開度正調(diào)到目標(biāo)開度；反之，PLC發(fā)出伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)信號，閥門開度反調(diào)到目標(biāo)開度。在程序中附加原點(diǎn)監(jiān)測和極限值保護(hù)環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)還可以完成疲勞密封的檢測和處理任務(wù)。

    2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    對控制器的基本要求是：能夠?qū)崟r(shí)采集被測閥門的性能參數(shù)，包括前壓力、后壓力、壓差、溫度、流量等，并能夠?qū)崟r(shí)顯示和調(diào)節(jié)閥門的開度，同時(shí)保持與上位機(jī)的通信。

    該系統(tǒng)硬件部分由工控機(jī)、PLC、數(shù)據(jù)采集卡及其他電氣元件組成，全部裝配到一個(gè)電氣控制柜中。系統(tǒng)需要采集的信號包括4個(gè)模擬量和7個(gè)數(shù)字量，4個(gè)模擬量包括：被測閥前后的壓力、介質(zhì)溫度和介質(zhì)流量，系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖2。3個(gè)數(shù)字量包括：接近開關(guān)、控制調(diào)節(jié)閥開度的伺服電機(jī)正/反轉(zhuǎn)用繼電器、電磁閥和3個(gè)指示燈。考慮到開關(guān)量輸入輸出的數(shù)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(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn)，并可以擴(kuò)展2個(gè)模塊；機(jī)內(nèi)有256個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)高速計(jì)數(shù)器；內(nèi)置24V直流電源；每條布爾量指令執(zhí)行時(shí)間為0.22μs；編程可用手持編程器，也可以用個(gè)人PC，方便現(xiàn)場編制程序及歸檔文件和打印輸出。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件構(gòu)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(shù)數(shù)據(jù)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(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)間小于250μs；量程范圍為0～32000；A/D轉(zhuǎn)換精度為12位；電流輸出穩(wěn)定時(shí)間為2ms。

    3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

    系統(tǒng)軟件由兩部分組成： （1）PLC控制程序；（2）上位機(jī)測控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件［5］。PLC控制程序主要完成閥門開度的調(diào)節(jié)及其他控制功能；上位機(jī)監(jiān)控界面主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控和信息的處理。一般的組態(tài)軟件控制功能都較弱，開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控界面時(shí)使用了大量的腳本進(jìn)行系統(tǒng)的控制，而力控PCAu-to組態(tài)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(fā)的監(jiān)控界面，不但實(shí)現(xiàn)了一般的性能參數(shù)和曲線的監(jiān)控顯示，而且還有一套比較完善的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。綜合起來，上位機(jī)完成了整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的監(jiān)控、控制、調(diào)度和管理任務(wù)。

    3.1 調(diào)節(jié)閥PLC軟件設(shè)計(jì)

    軟件核心部分框圖如圖3所示。圖中，用m_k代表目標(biāo)開度，用d_k代表當(dāng)前開度。其工作原理是在系統(tǒng)組態(tài)界面上輸入所需要的閥門目標(biāo)開度數(shù)值。該數(shù)值經(jīng)量程轉(zhuǎn)化成編碼器的脈沖個(gè)數(shù)輸入到PLC中，PLC將閥門的實(shí)際開度和目標(biāo)開度進(jìn)行比較，若目標(biāo)開度大于當(dāng)前開度，PLC就向電動(dòng)機(jī)發(fā)出正轉(zhuǎn)信號，電動(dòng)機(jī)就正轉(zhuǎn)，編碼器就增計(jì)數(shù)；反之，電動(dòng)機(jī)就反轉(zhuǎn)，編碼器減計(jì)數(shù)。編碼器的脈沖數(shù)傳送到PLC，并與目標(biāo)脈沖數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)編碼器的所設(shè)目標(biāo)脈沖數(shù)等于實(shí)際旋轉(zhuǎn)采集到的脈沖數(shù)時(shí)（利用高速計(jì)數(shù)器當(dāng)前值等于預(yù)設(shè)值中斷），電動(dòng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，閥門即達(dá)到所設(shè)目標(biāo)開度值。此時(shí)，閥門的實(shí)際開度經(jīng)PLC傳送回組態(tài)界面，并在畫面上顯示實(shí)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(chǎn)生的震蕩、編碼器故障或急停保護(hù)、正反轉(zhuǎn)互鎖和切換保護(hù)、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(jì)數(shù)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(tǒng)監(jiān)控中心軟件

    監(jiān)控系統(tǒng)是利用力控公司的PCAuto6.0編寫的。PCAuto組態(tài)軟件運(yùn)行在Windows各種操作系統(tǒng)中，能利用圖形編輯功能方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，以動(dòng)畫方式在線監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，具有數(shù)據(jù)庫ODBC接口、DDE功能，可便利地生成實(shí)時(shí)/歷史曲線、用戶報(bào)表和報(bào)警。上位機(jī)系統(tǒng)主要由主界面、參數(shù)設(shè)定、用戶報(bào)表、曲線、報(bào)警、歷史查詢、用戶管理、聯(lián)機(jī)幫助文檔等畫面組成。

    用戶通過系統(tǒng)可隨時(shí)清楚了解被測閥門的性能參數(shù)與運(yùn)行狀態(tài)，對閥門實(shí)施遠(yuǎn)程控制，來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的監(jiān)視、控制、調(diào)度和管理。系統(tǒng)將歷史數(shù)據(jù)以多種方式保存，便于管理者進(jìn)行閥門站運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)和故障分析。圖5為監(jiān)控系統(tǒng)主畫面。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)主畫面

    4 結(jié)束語

    使用S7-200PLC將高壓手動(dòng)調(diào)節(jié)閥改造成電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，解決了高壓電控閥在線調(diào)節(jié)困難和安全隱患的問題，還具有防止慣性而產(chǎn)生的震蕩、編碼器故障或急停保護(hù)、正反轉(zhuǎn)互鎖和切換保護(hù)、掉電保持等功能。整個(gè)過程簡單直觀，能巧妙和低成本地解決高壓閥調(diào)節(jié)問題。監(jiān)控中心通過數(shù)據(jù)傳輸對被測閥門性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、對異常情況及時(shí)報(bào)警，系統(tǒng)有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)報(bào)表和曲線的自動(dòng)生成、數(shù)據(jù)庫歷史查詢等多種功能。系統(tǒng)經(jīng)半年多實(shí)際運(yùn)行，其性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，人機(jī)界面友好，易操作，大大減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和操作失誤，使用維護(hù)方便，具有很好的可擴(kuò)展性和較高的實(shí)用價(jià)值。

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