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基于S7-200PLC的高壓調(diào)節(jié)閥控制器設(shè)計分享

發(fā)布于:2019/8/29 16:10:40 點(diǎn)擊量:329

    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。在高壓的場合危險性非常高,如果使用手動調(diào)節(jié)閥,不但不能在線自動調(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。隨著計算機(jī)控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,電動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)確地開到中間某個位置。目前,適合高壓的電控調(diào)節(jié)閥價格比較昂貴,而同樣級別的手動調(diào)節(jié)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(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)在線自動標(biāo)定、自校正、實(shí)時監(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的高速計數(shù)器端口;編碼器每圈發(fā)出512個脈沖,電機(jī)正轉(zhuǎn)時,編碼器A相超前B相90°,PLC高速計數(shù)器正向累計脈沖;反之,編碼器B相超前A相90°,PLC高速計數(shù)器反向累計脈沖。

    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)時的累加值。由式(1)可知,通過PLC的計數(shù)值,即可計算出閥門的當(dāng)前開度。需要調(diào)節(jié)閥門開度時,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

    對控制器的基本要求是:能夠?qū)崟r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顯示和調(diào)節(jié)閥門的開度,同時保持與上位機(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,全部裝配到一個電氣控制柜中。系統(tǒng)需要采集的信號包括4個模擬量和7個數(shù)字量,4個模擬量包括: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個輸入點(diǎn)和6個輸出點(diǎn),并可以擴(kuò)展2個模塊;機(jī)內(nèi)有256個定時器/計數(shù)器,4個高速計數(shù)器;內(nèi)置24V直流電源;每條布爾量指令執(zhí)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(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)測控數(shù)據(jù)實(shí)時處理軟件[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

    軟件核心部分框圖如圖3所示。圖中,用mk代表目標(biāo)開度,用dk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就向電動機(jī)發(fā)出正轉(zhuǎn)信號,電動機(jī)就正轉(zhuǎn),編碼器就增計數(shù);反之,電動機(jī)就反轉(zhuǎn),編碼器減計數(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(利用高速計數(shù)器當(dāng)前值等于預(yù)設(shè)值中斷),電動機(jī)停止旋轉(zhuǎn),閥門即達(dá)到所設(shè)目標(biāo)開度值。此時,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/歷史曲線、用戶報表和報警。上位機(jī)系統(tǒng)主要由主界面、參數(shù)設(shè)定、用戶報表、曲線、報警、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將高壓手動調(diào)節(jié)閥改造成電動調(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)時采集、對異常情況及時報警,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)報表和曲線的自動生成、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)用價值。



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