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淺談艾默生PLC在老化房控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
隨著電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，PLC(可編程序控制器)的功能也愈來愈強(qiáng)大，由原來簡單的邏輯控制功能逐漸發(fā)展到模擬量控制，高速大容量運(yùn)算處理，PID閉環(huán)控制，運(yùn)動(dòng)/定位控制，網(wǎng)絡(luò)通信等功能，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制設(shè)備的三大支柱之一。EC20系列PLC(可編程控制器)是艾默生(Emerson)公司致力于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域全新推出的新一代可編程控制器，它代表了工業(yè)自動(dòng)化控制的最高水平，是最新計(jì)算機(jī)技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)的完美結(jié)合。
自EMERSON EC20系列PLC推向市場以來，以其卓越的性能，高品位的性價(jià)比，完善的服務(wù)體系受到用戶的熱烈好評(píng)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電子，食品飲料行業(yè)，空調(diào)制冷設(shè)備，鍋爐行業(yè)，物流倉庫，科技農(nóng)業(yè)，交通運(yùn)輸，石油化工，供水，玻璃/鋼鐵行業(yè)，紡織機(jī)械，線纜機(jī)械，塑機(jī)，印染包裝等各個(gè)領(lǐng)域。本文介紹了艾默生公司EC20 PLC在老化房控制系統(tǒng)中的應(yīng)用并著重介紹該產(chǎn)品的PID閉環(huán)功能在恒溫控制上的實(shí)現(xiàn)和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能對EMERSON EV2000變頻器運(yùn)行控制的實(shí)現(xiàn)。該老化房控制系統(tǒng)是家電，電子，電腦行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)檢測的重要設(shè)備，也是產(chǎn)品生產(chǎn)合格檢查的重要環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)采用EMERSON EC20 PLC和多臺(tái)EV2000變頻器，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度和變頻器運(yùn)行的集中控制。

2 老化房控制系統(tǒng)工藝要求
老化房結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 老化房結(jié)構(gòu)圖

具體要求如下:
(1) 該系統(tǒng)所控制的老化房面積達(dá)16×30m2，要求控制范圍在20~55℃，控制精度達(dá)±5℃，能夠在上位機(jī)對溫度設(shè)定/顯示/保存(加濕控制采用單獨(dú)進(jìn)行和PLC無關(guān));
(2) 該系統(tǒng)有3個(gè)風(fēng)機(jī)，用于進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)和排風(fēng);有4個(gè)風(fēng)閘:新風(fēng)閘，回風(fēng)閘，排風(fēng)閘，防火閘;2個(gè)防塵過濾網(wǎng);6個(gè)火災(zāi)報(bào)警點(diǎn)。
在正常情況下(溫濕度)，關(guān)閉進(jìn)風(fēng)閥和排風(fēng)閥，停止進(jìn)風(fēng)電機(jī)和排風(fēng)電機(jī)，打開回風(fēng)閥和防火閥，啟動(dòng)回風(fēng)風(fēng)機(jī)，保持老化房內(nèi)回風(fēng)循環(huán)。
在高溫情況下，排風(fēng)閥和進(jìn)風(fēng)閥打開，啟動(dòng)排風(fēng)電機(jī)和進(jìn)風(fēng)電機(jī)，抽出部分空氣。
在火災(zāi)報(bào)警情況下，防火閥關(guān)閉，回風(fēng)禁止循環(huán)，全部從室內(nèi)抽出;同時(shí)排風(fēng)閥和進(jìn)風(fēng)閥打開，啟動(dòng)排風(fēng)電機(jī)和進(jìn)風(fēng)電機(jī)，抽出室內(nèi)空氣。
(3) 其他要求省略。

3 控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)
3.1 PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖2 PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

EC20PLC設(shè)備的I/0接線如圖3所示:

圖3 EC20PLC設(shè)備的I/0接線圖

根據(jù)老化房工藝要求組成如上圖控制系統(tǒng):上位機(jī)采用臺(tái)灣研華IPC(工控計(jì)算機(jī));監(jiān)控畫面采用亞控公司的KINGVIEW軟件，該軟件操作簡單，元件形象豐富，性能穩(wěn)定;核心控制部分采用艾默生EC20-2012BTA類型的PLC和4個(gè)溫度采集模塊(EC20-4TC，接受K型溫度信號(hào));傳動(dòng)采用艾默生EV2000通用型變頻器。
在設(shè)備連接方面，EC20 PLC充分體現(xiàn)了自身的優(yōu)勢，由于EC20 PLC本身帶有2個(gè)串行通信口(1個(gè)RS-232口，集成自由協(xié)議/編程協(xié)議/MODBUS從站協(xié)議，1個(gè)RS-232/485口，集成自由協(xié)議/MODBUS主站/從站協(xié)議)，EC20 PLC利用COM0口和IPC進(jìn)行通信(EC20 PLC做從站，設(shè)置成MODBUS從站協(xié)議)，利用COM1和多臺(tái)變頻器組成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制(EC20 PLC的COM1設(shè)置成MODBUS主站協(xié)議)。
IPC為整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)接口，IPC讀取PLC采集的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)如各風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，各測溫點(diǎn)溫度，報(bào)警狀況并顯示在監(jiān)控畫面上，IPC又把各種操作命令傳給PLC以控制系統(tǒng)的運(yùn)行，如溫度的設(shè)定，PID參數(shù)設(shè)定，各種閥門的開閉，變頻器的啟動(dòng)、停止等設(shè)定。并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工作運(yùn)行狀態(tài)、動(dòng)作過程及故障報(bào)警等，IPC還可以根據(jù)設(shè)定對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存打印。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，EC20 PLC為整個(gè)系統(tǒng)的核心，執(zhí)行各種系統(tǒng)操作及計(jì)算，EC20 PLC根據(jù)工藝要求和現(xiàn)場狀況進(jìn)行邏輯判斷，開閉各種閥門和啟停各風(fēng)機(jī);同時(shí)利用自身的PID功能對溫度進(jìn)行控制，具體方法后面描述。
艾默生EV2000系列變頻器自帶RS-485接口的通訊單元，符合RS-485通訊規(guī)范，用于實(shí)現(xiàn)PLC與多臺(tái)變頻器的聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)MODBUS通訊協(xié)議，我們可以通過RSz-485網(wǎng)絡(luò)輕松實(shí)現(xiàn)對變頻器的運(yùn)行控制。由于RS-485通訊鏈路傳輸距離遠(yuǎn)、配線簡單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此在設(shè)計(jì)中，我們省略了變頻器的外部起?？刂凭€路，對變頻器的所有控制都通過RS-485通訊鏈路來完成，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)高效的目的。
3.2 監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控畫面主要分為主畫面，實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控，PID參數(shù)設(shè)定，三個(gè)部分(其他部分省略)，具體如下:
主畫面如圖4所示，主要完成對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控(如各種風(fēng)閥的開閉狀態(tài)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，報(bào)警狀態(tài))，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(如系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間，啟停系統(tǒng)的次數(shù))，溫度設(shè)定/測量等功能。

圖4 系統(tǒng)監(jiān)控主畫面

實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控畫面如圖5所示，此畫面主要用于對溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并描繪出溫度曲線趨勢，以便判斷系統(tǒng)的溫度控制是否處于良好狀態(tài)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對溫度進(jìn)行保存/打印等操作。

圖5 實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控畫面

PID參數(shù)設(shè)定畫面主要用于比例常數(shù)P，積分常數(shù)I，微分常數(shù)D的設(shè)定，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)溫度曲線狀況進(jìn)行調(diào)節(jié);同時(shí)顯示PID控制的輸出比例，見圖6。

圖6 PID參數(shù)設(shè)定畫面

3.3 對溫度控制策略與PLC實(shí)現(xiàn)
（1）溫度控制策略
為便于對整個(gè)老化房內(nèi)溫度的控制，同時(shí)充分利用EC20 PLC自身PID功能和PWM脈沖輸出(Y0，Y1)的優(yōu)勢，室內(nèi)溫度區(qū)域分為2個(gè)部分(上層和下層各8個(gè)測溫度點(diǎn))，對溫度取平均值作為溫度的測量值，并把此平均值送入PID功能塊進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)對加熱執(zhí)行元件(參考EC20 PLC的I/O接線圖，固態(tài)繼電器SSR1，SSR2，SSR3所控制的發(fā)熱管的功率逐漸加大)也進(jìn)行了分組處理:溫度偏差較小的情況下，進(jìn)行PID運(yùn)算，通過Y0輸出脈沖給SSR1，同時(shí)關(guān)閉SSR2，SSR3(即Y1，Y2停止輸出);如果溫度偏差較大，則Y1，Y2也參加輸出，具體處理思路如下:
表1 溫度控制策略

通過此法處理可以把溫度控制精度保持在±0.3度以內(nèi)，而且無論提升溫度還是下降溫度都很快速;同時(shí)把PID輸出轉(zhuǎn)化為PWM的占空比輸出，又大大節(jié)省了PLC的資源(充分利用Y0，Y1的高達(dá)100KHz的脈沖輸出功能)。
EC20 PLC的編程軟件CONTROLSTAR的操作簡單方便，指令豐富，功能強(qiáng)大，是一個(gè)很優(yōu)秀的全中文編輯工具。
(2) PLC實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)步驟具體如下:首先，在數(shù)據(jù)塊設(shè)定PID各參數(shù)，其中的重點(diǎn)是設(shè)置P，I，D三個(gè)參數(shù)和輸出量的上下限范圍，由于PID的輸出結(jié)果直接和PWM結(jié)合在一起，所以設(shè)置時(shí)要特別注意，在本例子中，按照PWM的周期為4s(=4000MS)計(jì)算，把PID的輸出上下限分別設(shè)定為4000和0;另外按照逆動(dòng)作(BIT0=1)，輸出限定(BIT5=1)的要求對D7911各位進(jìn)行賦值;
D7910 500
//采樣時(shí)間S3 采樣時(shí)間(Ts)范圍為1～32767(ms)，比運(yùn)算周期短的時(shí)間數(shù)值無法執(zhí)行;
D7911 16#23
//動(dòng)作方向 > 逆動(dòng)作，設(shè)輸出限定
………………………………………………..
//BIT0 0:正動(dòng)作 1:逆動(dòng)作;
………………………………………………..
//BIT1 0:輸入變化量報(bào)警無效 1:輸入變化量報(bào)警有效;
………………………………………………..
//BIT2 0:輸出變化量報(bào)警無效 1:輸出變化量報(bào)警有效;
………………………………………………..
//BIT3-4 沒使用;
………………………………………………..
//BIT5 0:輸出值上下限設(shè)定無效1:輸出值上下限設(shè)定有效;
………………………………………………..
//BIT6～BIT15 沒使用
D7912 70
//S3+2 輸入濾波常數(shù)(α)范圍0～99[﹪]，為0時(shí)沒有輸入濾波;
D7913 100
//S3+3 比例增益(Kp)范圍1～32767[﹪];
D7914 25
//S3+4 積分時(shí)間(TI)范圍0～32767(×100ms)，為0時(shí)作為∞處理(無積分);
D7915 0
//S3+5 微分增益(KD)范圍0～100[﹪]，為0時(shí)無微分增益;
D7916 63
//S3+6 微分時(shí)間(TD)范圍0～32767(×10ms)，為0時(shí)無微分處理;
D7925 2000
//S3+15 輸入變化量(增側(cè))報(bào)警設(shè)定值0～32767(S3+1的BIT1=1時(shí));
D7926 0
//S3+16 輸入變化量(減側(cè))報(bào)警設(shè)定值0～32767(S3+1的BIT1=1時(shí));
D7927 4000
//S3+17 輸出變化量(增側(cè))報(bào)警設(shè)定值0～32767(S3+1的BIT2=1和BIT5=0時(shí));輸出上限設(shè)定值-32768～32767(S3+1的BIT2=0和BIT5=1時(shí));
D7928 0
//S3+18 輸出變化量(減側(cè))報(bào)警設(shè)定值0～32767(S3+1的BIT2=1和BIT5=0時(shí));輸出下限設(shè)定值-32768～32767(S3+1的BIT2=0和BIT5=1時(shí));
其次,在程序里調(diào)用PID指令和PWM指令用于控制Y0的輸出(對SV和PV的比較而進(jìn)行的邏輯控制輸出較簡單，故此處省略)。參見圖7。

4 PLC與變頻器的MODBUS通訊
由于EMESON EC20 PLC和EV2000變頻器(非標(biāo))都集成MODBUS協(xié)議，所以實(shí)現(xiàn)它們的通信相對比較簡單，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用RS-485通信方式。
4.1 各設(shè)備接口通信參數(shù)設(shè)置
對EC20 PLC設(shè)置如圖7所示:

圖7 各設(shè)備接口通信參數(shù)設(shè)置圖

(1) EV2000的設(shè)置要點(diǎn)
●各通信參數(shù)要和EC20 PLC一致;
●各變頻器的地址要有自己唯一的從機(jī)地址;
●注意變頻器的通信跳線開關(guān)CN14撥在RS-485方向;
●變頻器的延時(shí)應(yīng)答設(shè)為(FF.03)30-50ms。參見表2。

表2 EV200變頻器的設(shè)備要點(diǎn)

(2) EC20PLC和變頻器的連接
(3) Modbus編碼方式
圖8示出了EC20 PLC和變頻器之間采用MODBUS RTU方式通信，Modbus采用“Big Endian”編碼方式，先發(fā)送高位字節(jié)，然后是低位字節(jié)。RTU方式格式如圖9所示。

圖8 EC20PLC和變頻器的連接圖

圖9 RTU方式格式圖

RTU方式:在RTU方式下，幀之間的空閑時(shí)間取功能碼設(shè)定和Modbus內(nèi)部約定值中的較大值。Modbus內(nèi)部約定的最小幀間空閑如下:幀頭和幀尾通過總線空閑時(shí)間不小于3.5個(gè)字節(jié)時(shí)間來界定幀。數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用CRC-16，整個(gè)信息參與校驗(yàn)，校驗(yàn)和的高低字節(jié)需要交換后發(fā)送。具體的CRC校驗(yàn)請參考協(xié)議后面的示例。值得注意的是，幀間保持至少3.5個(gè)字符的總線空閑即可，幀之間的總線空閑不需要累加起始和結(jié)束空閑。
Modbus最主要的功能是讀寫參數(shù)，不同的功能碼決定不同的操作請求。變頻器Modbus協(xié)議支持表3功能碼操作:
表3 變頻器Modbus協(xié)議支持的功能碼操作

Modbus協(xié)議不同的功能碼有不同數(shù)據(jù)的格式和意義，簡要介紹如下:
改寫多個(gè)變頻器功能碼和狀態(tài)參數(shù)的格式協(xié)議如表4~表7所示:
表4 改寫多個(gè)變頻器功能碼和狀態(tài)參數(shù)的請求格式

表5 改寫多個(gè)變頻器功能碼和狀態(tài)參數(shù)的應(yīng)答格式

表6 讀取變頻器參數(shù)的請求格式

表7 讀取變頻器參數(shù)的應(yīng)答格式

(4) 變頻器的功能碼參數(shù)、控制參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)都映射為Modbus的讀寫寄存器。功能碼參數(shù)的讀寫特性和范圍遵循變頻器用戶手冊的說明。變頻器功能碼的組號(hào)映射為寄存器地址的高字節(jié)，組內(nèi)索引映射為寄存器地址的低字節(jié)。變頻器的控制參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)均虛擬為變頻器功能碼組。功能碼組號(hào)與其映射的寄存器地址高字節(jié)的對應(yīng)關(guān)系如下:
F0組:0×00;
F1組:0×01;
F2組:0×02;
F3組:0×03;
F4組:0×04;
F5組:0×05;
F6組:0×06;
F7組:0×07;
F8組:0×08;
F9組:0×09;
FA組:0×0A;
Fb組:0×0B;
FC組:0×0C;
Fd組:0×0D;
FE組:0×0E;
FF組:0×0F;
FH組:0×10;
FL組:0×11;
Fn組:0×12;
FP組:0×13;
FU組:0×14;
變頻器控制參數(shù)組:0×32;
變頻器狀態(tài)參數(shù)組:0×33。
例如變頻器功能碼參數(shù)F3.02的寄存器地址為0×302，變頻器功能碼參數(shù)FF.01的寄存器地址為0×F01。
(5) 具體程序編寫:啟動(dòng)5#變頻器正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為50.00Hz(內(nèi)部表示為5000)的命令如表8、表9、表10所示。
表8 變頻器啟動(dòng)命令