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新一代小型PLC的应用

随着电子技术,计算机控制技术和通信技术的发展,PLC的功能也愈来愈强大,由原来简单的逻辑控制功能逐渐发展到模拟量控制、高速大容量运算处理、PID闭环控制、运动/定位控制和网络通信等功能,已经成为现代工业控制设备的三大支柱之一。EC20系列PLC是艾默生(Emerson)公司致力于工业自动化领域全新推出的新一代小型可编程控制器,它代表了工业自动化控制的*高水平,是*新计算机技术与工业控制技术的上乘结合。
 

    自EMERSON EC20系列PLC推向市场以来,以其卓越的性能,高品位的性价比,完善的服务体系受到用户好评,产品广泛应用于电子、食品饮料、空调制冷设备、锅炉、物流仓库、科技农业、交通运输、石油化工、供水、玻璃/钢铁、纺织机械、线缆机械、塑机、印染包装等各个领域。本文介绍了EC20小型PLC在老化房控制系统中的应用,并着重阐述了该产品的PID闭环功能在恒温控制上的实现和强大的网络通信功能对EMERSON EV2000变频器运行控制的实现。
   
    老化房控制系统工艺要求
   
    该老化房控制系统是家电、电子、电脑行业产品生产检测的重要设备,也是产品生产合格检查的重要环节。该系统采用EMERSON EC20 PLC和多台EV2000变频器,实现对室内温度和变频器运行的集中控制。老化房结构如图1所示: 主要要求如下:

    (1)该系统所控制的老化房面积达16m×30m,要求控制范围在20℃~55℃,控制精度达±5℃,能够在上位机对温度设定/显示/保存。


图1 老化房结构示意图

    (2)该系统有3个风机,用于进风,回风和排风;有4个风闸:进风闸,回风闸,排风闸,防火闸;2个防尘过滤网;6个火灾报警点;在正常情况下(温湿度),关闭进风阀和排风阀,停止进风电机和排风电机,打开回风阀和防火阀,启动回风风机,保持老化房内回风循环;在高温情况下,排风阀和进风阀打开,启动排风电机和进风电机,抽出部分空气;在火灾报警情况下,防火阀关闭,回风禁止循环,全部从室内抽出;同时排风阀和进风阀打开,启动排风电机和进风电机,抽出室内空气。
   
    PLC控制原理
   
    PLC系统结构如图2所示:


图2 EC 20系列PLC结构示意图

    根据老化房工艺要求组成如图2的控制系统:上位机采用台湾研华IPC(工控计算机);监控画面采用亚控公司的KINGVIEW软件,该软件操作简单,元件形象丰富,性能稳定;核心控制部分采用艾默生EC20-2012BTA类型的PLC和4个温度采集模块(EC20-4TC,接受K型温度信号);传动采用艾默生EV2000通用型变频器。
   
    在设备连接方面,EC20 PLC充分体现了自身的优势,由于EC20 PLC本身带有2个串行通信口(1个RS232口,集成自由协议/编程协议/MODBUS从站协议,1个RS232/485口,集成自由协议/MODBUS主站/从站协议),EC20 PLC利用COM0口和IPC进行通信(EC20 PLC做从站,设置成MODBUS从站协议),利用COM1和多台变频器组成网络进行集中控制(EC20 PLC的COM1设置成MODBUS主站协议)。
   
    IPC为整个系统的人机接口,IPC读取PLC采集的系统运行状态如各风机的运转状态,各测温点温度,报警状况并显示在监控画面上,IPC又把各种操作命令传给PLC以控制系统的运行,如温度的设定,PID参数设定,各种阀门的开闭,变频器的启动、停止等设定。并且可以实时监控整个系统的工作运行状态、动作过程及故障报警等,IPC还可以根据设定对采集的数据进行保存打印。
   
    在系统设计中,EC20 PLC为整个系统的核心,执行各种系统操作及计算,EC20 PLC根据工艺要求和现场状况进行逻辑判断,开闭各种阀门和启停各风机;同时利用自身的PID功能对温度进行控制,具体方法后面描述。
   
    艾默生EV2000系列变频器自带RS485接口的通讯单元,符合RS485通讯规范,用于实现PLC与多台变频器的联网。根据MODBUS通讯协议,可以通过RS485网络轻松实现对变频器的运行控制。由于RS485通讯链路传输距离远、配线简单、抗干扰能力强、可靠性高,因此在设计中,我们省略了变频器的外部起停控制线路,对变频器的所有控制都通过RS485通讯链路来完成,达到了经济高效的目的。
   
    监控画面
   
    整个系统监控画面主要分为主画面(如图3),实时温度监控(如图4),PID参数设定(如图5),三个部分(其他部分省略),具体如下:


图3 主画面

    主要完成对系统状态的监控(如各种风阀的开闭状态,风机的运行状态,报警状态),数据统计(如系统运行的时间,启停系统的次数),温度设定/测量等功能。


图4 实时温度监控画面

    主要用于对温度的实时监控,并描绘出温度曲线趋势,以便判断系统的温度控制是否处于良好状态,同时可以实现对温度进行保存/打印等操作。


图5 PID参数设定画面

    主要用于比例常数P、积分常数I、微分常数D的设定,同时根据实时温度曲线状况进行调节;同时显示PID控制的输出比例。

    对温度控制的实现
   
    为便于对整个老化房内温度的控制,同时充分利用EC20 PLC自身PID功能和PWM脉冲输出(Y0,Y1)的优势,室内温度区域分为2个部分(上层和下层各8个测温度点),对温度取平均值作为温度的测量值,并把此平均值送入PID功能块进行运算,同时对加热执行元件也进行了分组处理:温度偏差较小的情况下,进行PID运算,通过Y0输出脉冲给SSR1,同时关闭SSR2,SSR3(即Y1,Y2停止输出);如果温度偏差较大,则Y1,Y2也参加输出,具体处理思路如下:
   
    通过此法处理可以把温度控制精度保持在±0.3℃以内,而且无论提升温度还是下降温度都很快速;同时把PID输出转化为PWM的占空比输出,又大大节省了PLC的资源(充分利用Y0,Y1的高达100KHZ的脉冲输出功能)。
   
    EC20 PLC的编程软件CONTROLSTAR的操作简单方便,指令丰富,功能强大,是一个很优良的全中文编辑工具。
   
    实现步骤具体如下:首先,在数据块设定PID各参数,其中的重点是设置P,I,D三个参数和输出量的上下限范围,由于PID的输出结果直接和PWM结合在一起,所以设置时要特别注意,在本例子中,按照PWM的周期为4s(=4000MS)计算,把PID的输出上下限分别设定为4000和0;另外按照逆动作(BIT0=1),输出限定(BIT5=1)的要求对D7911各位进行赋值。其次,在程序里调用PID指令和PWM指令用于控制Y0的输出(对SV和PV的比较而进行的逻辑控制输出较简单,故此处省略)。

    对变频器的启停控制
   
    由于EMESON EC20 PLC和EV2000变频器(非标)都集成MODBUS协议,所以实现它们的通信相对比较简单,整个网络采用RS485通信方式。


图6 EC20 PLC对各设备接口通信参数的设置

    (1)各设备接口通信参数设置,对EC20 PLC设置如图6所示。
    (2)EV2000的设置要点:各通信参数要和EC20 PLC一致;各变频器的地址要有自己惟一的从机地址;注意变频器的通信跳线开关CN14拨在RS485方向;变频器的延时应答设为(FF.03)30-50ms。
    (3)EC20PLC和变频器的连接:采用MODBUS RTU方式通信,Modbus采用“Big Endian”编码方式,先发送高位字节,然后是低位字节。
   
    该系统以前是采用IPC+控制I/O卡的方式进行控制的,但是存在系统稳定性能差,控制效果不理想,故障率高的缺点,自从改用EMERSON 的PLC作为系统的核心设备后,系统不仅达到良好的控制效果和很好的经济效益,同时比较容易维护。