PLC在工業(yè)集散控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著國內(nèi)工業(yè)的蓬勃發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，工業(yè)控制系統(tǒng)在工業(yè)過程控制中發(fā)揮著越來越重要的作用。各種儀器設(shè)備、交通工具、生產(chǎn)流水線、航天航空器具都離不開工業(yè)控制系統(tǒng)，特別在工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在國內(nèi)，工業(yè)控制系統(tǒng)也經(jīng)歷了好幾個(gè)階段，從單片機(jī)、STD總線、蘋果機(jī)、工控機(jī)的單點(diǎn)控制到工控機(jī)、單片機(jī)的多點(diǎn)控制，直到現(xiàn)在的工控機(jī)、PLC、單片機(jī)的集散式控制系統(tǒng)，表明了國內(nèi)工業(yè)控制在技術(shù)上的不斷發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，可編程控制器（PLC）將成為今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)控制設(shè)備之一。

PLC是一種數(shù)字式運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，用來完成工業(yè)控制中不同的復(fù)雜的控制功能，它通過自己的編程語言來執(zhí)行一些邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算指令，并通過繼電器、A/D或D/A的輸入輸出達(dá)到控制的目的。PLC是60年代初在美國問世的，開始主要用于汽車制造行業(yè)，但在七十年代后期硬件環(huán)境的變化、硬件成本的降低和編程指令的大眾化使它的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。PLC面向用戶的專用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有許多明顯的特點(diǎn)：可靠性高、編程直觀簡(jiǎn)單、適應(yīng)性好、功能完善、接口功能強(qiáng)。

二、行業(yè)特點(diǎn)

1997年我們成功地完成了一個(gè)印染行業(yè)的集散控制系統(tǒng)。印染行業(yè)在我國是一個(gè)具有很長(zhǎng)歷史的老工業(yè)，設(shè)備陳舊，對(duì)染機(jī)控制還是依靠手工操作。但是近幾年來，國際國內(nèi)市場(chǎng)上印染產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，因而對(duì)印染行業(yè)的生產(chǎn)工藝和印染質(zhì)量提出了更高要求。所以我們針對(duì)印染行業(yè)的特點(diǎn)，對(duì) 原來自動(dòng)化程度不高的染機(jī)進(jìn)行改造，研制了PLC與微機(jī)的集散式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制可靠、操作簡(jiǎn)便、開發(fā)性強(qiáng)、易于擴(kuò)充和維護(hù)，具有較高的性價(jià)比。系統(tǒng)對(duì)整個(gè)印染過程進(jìn)行全程控制和監(jiān)管，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、檢測(cè)，大大提高了生產(chǎn)效率和印染質(zhì)量。

三、系統(tǒng)組成

工業(yè)控制機(jī)群通過網(wǎng)卡相連，與信息網(wǎng)共享數(shù)據(jù)，管理工作站通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)配置，并收集每個(gè)站點(diǎn)的有效信息如產(chǎn)量、合格率等，供生產(chǎn)管理部門和計(jì)劃部門使用。每個(gè)工業(yè)控制機(jī)控制一個(gè)或多個(gè)PLC控制器，對(duì)PLC進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、啟停工作、完成一定的算法并給控制人員提供監(jiān)控畫面，監(jiān)視每個(gè) !"# 的工作狀態(tài)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)。而PLC具體執(zhí)行控制工作，接受參數(shù)后進(jìn)行閉環(huán)控制，直到一個(gè) 循環(huán)結(jié)束，并且每個(gè)PLC之間用RS-232、RS-485進(jìn)行通信，當(dāng)一臺(tái)工控機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可由另一臺(tái)正在工作的工控機(jī)接替監(jiān)管，從而達(dá)到容錯(cuò)和集散式控制的目的。

該系統(tǒng)還具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1、根據(jù)用戶提出的要求，詳細(xì)編制各種染色的工藝流程，通過程式號(hào)方式方便地對(duì)各種布料進(jìn)行染色控制。

2、通過自行開發(fā)的軟件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互對(duì)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)置調(diào)整，達(dá)到精確控制的目的。人機(jī)交互界面良好、操作簡(jiǎn)便、監(jiān)控信息也一目了然。

3、為了提高控制的精確性，并減少能源的耗費(fèi)，系統(tǒng)針對(duì)夏季和冬季進(jìn)行各自的參數(shù)控制，達(dá)到高效控制的目的。

4、在生產(chǎn)過程中為了減少停產(chǎn)的損失，在系統(tǒng)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)還提供了手動(dòng)的功能，由系統(tǒng)控制改為人工控制，并有單點(diǎn)的信息監(jiān)控。

四、軟硬件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，管理工作站及工控機(jī)都是用來完成參數(shù)的設(shè)置和信息的收集的，具體的控制功能主要由PLC系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)的PLC是松下電工株式會(huì)社的PLC FP-10SH，包括POWER單元、CPU單元、A/D和OUT單元，由A/D單元對(duì)染機(jī)的溫度進(jìn)行采樣，通過一定的算法后，由OUT單元觸點(diǎn) 去控制冷卻閥和汽閥的繼電器工作，系統(tǒng)采用4個(gè)A/D單元，共32路進(jìn)行輸入采樣，8個(gè)開關(guān)量輸出單元為128路，每一路控制由4個(gè)繼電器（啟/停、自動(dòng)/手動(dòng)、汽閥、冷卻閥）組成 。內(nèi)有30KB程序存儲(chǔ)器，支持梯形圖設(shè)計(jì)和FP-BASIC語言，該系統(tǒng)的每個(gè)染機(jī)控制原理相同，不同的僅僅是每個(gè)染機(jī)控制參數(shù)。為了節(jié)省存儲(chǔ)資源，便于今后的擴(kuò)充，在PLC程序編制方面僅對(duì)寄存器進(jìn)行了分段分配，程序中采用了多次 循環(huán)嵌套，達(dá)到了合理利用資源的目的，并減少了隱性錯(cuò)誤的存在。

五、實(shí)現(xiàn)過程

計(jì)算機(jī)對(duì)染機(jī)內(nèi)部溫度的控制，主要是通過對(duì)蒸汽閥和冷卻閥的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)的。由于工業(yè)過程對(duì)溫度的要求比較高，在加熱過程中溫度要均勻上升，在恒溫過程中溫度的誤差不能超過±1℃，而染機(jī)的升溫和降溫都存在過沖現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)采用模糊控制的方法，由于模糊控制，它不要求對(duì)象的精確數(shù)字模型，再者模糊控制本身就是一種非線性控制，當(dāng)對(duì)象參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，有較強(qiáng)的適應(yīng)性，亦即具有較強(qiáng)的模仿性。利用模糊集合理論和語言變量的概念，可以把利用語言歸納的手動(dòng)控制方法上升為數(shù)值運(yùn)算，用計(jì)算機(jī)來完成這個(gè)任務(wù)以代替人的手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)模糊自動(dòng)控制。整個(gè)爐溫控制過程采用模糊控制的方法，每個(gè)不同的段都由PLC根據(jù)初始溫度T1和段的結(jié)束溫度T2，以及這一段的時(shí)間t計(jì)算出溫度上升或下降的斜率k=（T2-T1）/t，再計(jì)算出每s秒需要上升或下降的溫度。然后根據(jù)定時(shí)器M的值來定出現(xiàn)在這一個(gè)s秒的目標(biāo)溫度。一開始計(jì)時(shí)，M值即為1 ,，再每過s秒加1。

假如 M=x ，則這一小段的目標(biāo)溫度為Ux=T1+k*x*s 。然而，因?yàn)槟繕?biāo)值是一個(gè)定值溫度，為了讓控制蒸汽閥和冷卻閥的繼電器不至于太過頻繁地跳動(dòng)，我們把這個(gè)值擴(kuò)大為一個(gè)域，在升溫過程中溫度到達(dá)域的上限，則停止升溫（蒸汽閥關(guān)閉），當(dāng)溫度下降到域的下*，又開始升溫（蒸汽閥打開）。

通過大量的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，找出適當(dāng)寬度的域，使控制更為精確、可行。PLC的工作流程圖如圖2所示。

六、計(jì)算機(jī)與PLC通信

在一個(gè)規(guī)模較大的工業(yè)控制系統(tǒng)中，常常有幾十個(gè)、幾百個(gè)甚至更多的測(cè)溫和控制對(duì)象。即使速度很高的系統(tǒng)，也很難滿足要求。為了降低危險(xiǎn)，提高可靠性，必須將任務(wù)分散，而分散的設(shè)備需要通過一定的手段連接起來，其中數(shù)據(jù)通信和系統(tǒng)互連是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。FP-10SH具有較強(qiáng)的通信功能，可以適合各種工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的不同需要， 其中包括以太網(wǎng)協(xié)議及通用接口、H型鏈接通信系統(tǒng)（H-LINK）、P 型鏈接系統(tǒng)（0PTICAL LINK）、W型鏈接系統(tǒng)（WIRE-LINK）和C-NET鏈接系統(tǒng)，還有遠(yuǎn)程I/O通信系統(tǒng)（REMOTE I/O），它們通過RS485、RS232或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)插座在PLC-PLC、計(jì)算機(jī)與PLC之間進(jìn)行通信。但是要利用這些系統(tǒng)協(xié)議，必須采用專用高級(jí)通信單元，這勢(shì)必增加系統(tǒng)的成本。

為了節(jié)省開支，該系統(tǒng)直接采用松下電工最基礎(chǔ)的專用通信協(xié)議——NEWTOCOL。

NEWTOCOL分為兩部分：一是NEWTOCOL-COM，即關(guān)于計(jì)算機(jī)通信的 協(xié)議；二是NEWTOCOL-DATA，即關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。