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西门子PLC在工业集散控制系统中的应用

发布时间：2022-01-13 浏览次数：296 返回列表

PLC在工业集散控制系统中的应用

一、引言

PLC是一种数字式运算操作的电子系统，用来完成工业控制中不同的复杂的控制功能，它通过自己的编程语言来执行一些逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算指令，并通过继电器、A/D或D/A的输入输出达到控制的目的。PLC是60年代初在美国问世的，开始主要用于汽车制造行业，但在七十年代后期硬件环境的变化、硬件成本的降低和编程指令的大众化使它的应用范围不断扩大。PLC面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点：可靠性高、编程直观简单、适应性好、功能完善、接口功能强。

二、行业特点

1.基本控制系统
　　伺服系统分为液压伺服系统、电气－液压伺服系统以及电气伺服系统。本文主要讨论了电气伺服系统中的交流伺服系统，其基本组成为交流伺服电机、编码器和伺服驱动器。交流伺服系统的工作原理是伺服驱动器发送运动命令，驱动伺服电机运动，并接收来自编码器的反馈信号，然后重新计算伺服电机运动目标位置，从而达到***控制伺服电机运动。
　　本伺服系统中选用Exlar公司生产的GSX50-0601型伺服直线电动缸。该电动缸由普通伺服电机和一个行星滚珠丝杠组成，用来实现将旋转运动转变为直线运动。此外，选用Xenus公司生产的XenusTM型伺服驱动器。它可以利用RS．232串口通信方式和外部脉冲方式实现位置控制。
　　一般来说，一个伺服系统运转需要配置一个上位机，所以本系统采用西门子S7-200 PLC作为上位机控制器。通过高速脉冲输出、EM253位置控制模块、自由口通信三种方式控制伺服电机运动。

三、系统组成

该系统由工业控制机、PLC组成，具体框图如图1所示。

图1 系统组成

工业控制机群通过网卡相连，与信息网共享数据，管理工作站通过网络对每个站点进行参数配置，并收集每个站点的有效信息如产量、合格率等，供生产管理部门和计划部门使用。每个工业控制机控制一个或多个PLC控制器，对PLC进行参数设置、启停工作、完成一定的算法并给控制人员提供监控画面，监视每个 !"# 的工作状态和执行机构的工作状态。而PLC具体执行控制工作，接受参数后进行闭环控制，直到一个循环结束，并且每个PLC之间用RS-232、RS-485进行通信，当一台工控机发生故障时，可由另一台正在工作的工控机接替监管，从而达到容错和集散式控制的目的。

该系统还具有以下几个特点：

1、根据用户提出的要求，详细编制各种染色的工艺流程，通过程式号方式方便地对各种布料进行染色控制。

2、通过自行开发的软件，实现人机交互对参数进行详细的设置调整，达到***控制的目的。人机交互界面良好、操作简便、监控信息也一目了然。

3、为了提高控制的***性，并减少能源的耗费，系统针对夏季和冬季进行各自的参数控制，达到高效控制的目的。

4、在生产过程中为了减少停产的损失，在系统或执行机构发生故障时还提供了手动的功能，由系统控制改为人工控制，并有单点的信息监控。

四、实现过程（西门子S7-1200PLC系列）

计算机对染机内部温度的控制，主要是通过对蒸汽阀和冷却阀的开关时间进行控制来实现的。由于工业过程对温度的要求比较高，在加热过程中温度要均匀上升，在恒温过程中温度的误差不能超过±1℃，而染机的升温和降温都存在过冲现象，因此设计采用模糊控制的方法，由于模糊控制，它不要求对象的***数字模型，再者模糊控制本身就是一种非线性控制，当对象参数发生变化时，有较强的适应性，亦即具有较强的模仿性。利用模糊集合理论和语言变量的概念，可以把利用语言归纳的手动控制方法上升为数值运算，用计算机来完成这个任务以代替人的手动控制，实现模糊自动控制。整个炉温控制过程采用模糊控制的方法，每个不同的段都由PLC根据初始温度T1和段的结束温度T2，以及这一段的时间t计算出温度上升或下降的斜率k=（T2-T1）/t，再计算出每s秒需要上升或下降的温度。然后根据定时器M的值来定出现在这一个s秒的目标温度。一开始计时，M值即为1 ,，再每过s秒加1。

假如 M=x ，则这一小段的目标温度为Ux=T1+k*x*s 。然而，因为目标值是一个定值温度，为了让控制蒸汽阀和冷却阀的继电器不至于太过频繁地跳动，我们把这个值扩大为一个域，在升温过程中温度到达域的上限，则停止升温（蒸汽阀关闭），当温度下降到域的下限时，又开始升温（蒸汽阀打开）。

通过大量的实验和计算，找出适当宽度的域，使控制更为***、可行。PLC的工作流程图如图2所示。

图2 系统流程图

六、计算机与PLC通信 (西门子S7-1500系列PLC)

在一个规模较大的工业控制系统中，常常有几十个、几百个甚至更多的测温和控制对象。即使速度很高的系统，也很难满足要求。为了降低危险，提高可靠性，必须将任务分散，而分散的设备需要通过一定的手段连接起来，其中数据通信和系统互连是该系统的关键技术之一。FP-10SH具有较强的通信功能，可以适合各种工业自动化网络的不同需要，其中包括以太网协议及通用接口、H型链接通信系统（H-LINK）、P 型链接系统（0PTICAL LINK）、W型链接系统（WIRE-LINK）和C-NET链接系统，还有远程I/O通信系统（REMOTE I/O），它们通过RS485、RS232或专用网络插座在PLC-PLC、计算机与PLC之间进行通信。但是要利用这些系统协议，必须采用专用高级通信单元，这势必增加系统的成本。