艾默生PLC在老化房控制系統中的應用

分類：技術教程日期：2007-03-26 00:00:00

1 引言
隨著電子技術，計算機控制技術和通信技術的發展，PLC(可編程序控制器)的功能也愈來愈強大，由原來簡單的邏輯控制功能逐漸發展到模擬量控制，高速大容量運算處理，PID閉環控制，運動/定位控制，網絡通信等功能，已經成為現代工業控制設備的三大支柱之一。EC20系列PLC(可編程控制器)是艾默生(Emerson)公司致力于工業自動化領域全新推出的新一代可編程控制器，它代表了工業自動化控制的最高水平，是最新計算機技術與工業控制技術的完美結合。
自EMERSON EC20系列PLC推向市場以來，以其卓越的性能，高品位的性價比，完善的服務體系受到用戶的熱烈好評，產品廣泛應用于電子，食品飲料行業，空調制冷設備，鍋爐行業，物流倉庫，科技農業，交通運輸，石油化工，供水，玻璃/鋼鐵行業，紡織機械，線纜機械，塑機，印染包裝等各個領域。本文介紹了艾默生公司EC20 PLC在老化房控制系統中的應用并著重介紹該產品的PID閉環功能在恒溫控制上的實現和強大的網絡通信功能對EMERSON EV2000變頻器運行控制的實現。該老化房控制系統是家電，電子，電腦行業產品生產檢測的重要設備，也是產品生產合格檢查的重要環節。該系統采用EMERSON EC20 PLC和多臺EV2000變頻器，實現對室內溫度和變頻器運行的集中控制。

2 老化房控制系統工藝要求
老化房結構如圖1所示。

圖1 老化房結構圖

具體要求如下:
(1) 該系統所控制的老化房面積達16×30m2，要求控制范圍在20~55℃，控制精度達±5℃，能夠在上位機對溫度設定/顯示/保存(加濕控制采用單獨進行和PLC無關);
(2) 該系統有3個風機，用于進風，回風和排風;有4個風閘:新風閘，回風閘，排風閘，防火閘;2個防塵過濾網;6個火災報警點。
在正常情況下(溫濕度)，關閉進風閥和排風閥，停止進風電機和排風電機，打開回風閥和防火閥，啟動回風風機，保持老化房內回風循環。
在高溫情況下，排風閥和進風閥打開，啟動排風電機和進風電機，抽出部分空氣。
在火災報警情況下，防火閥關閉，回風禁止循環，全部從室內抽出;同時排風閥和進風閥打開，啟動排風電機和進風電機，抽出室內空氣。
(3) 其他要求省略。

3 控制系統分析與設計
3.1 PLC系統結構設計
PLC系統結構如圖2所示:

圖2 PLC系統結構圖

EC20PLC設備的I/0接線如圖3所示:

圖3 EC20PLC設備的I/0接線圖

根據老化房工藝要求組成如上圖控制系統:上位機采用臺灣研華IPC(工控計算機);監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，性能穩定;核心控制部分采用艾默生EC20-2012BTA類型的PLC和4個溫度采集模塊(EC20-4TC，接受K型溫度信號);傳動采用艾默生EV2000通用型變頻器。
在設備連接方面，EC20 PLC充分體現了自身的優勢，由于EC20 PLC本身帶有2個串行通信口(1個RS-232口，集成自由協議/編程協議/MODBUS從站協議，1個RS-232/485口，集成自由協議/MODBUS主站/從站協議)，EC20 PLC利用COM0口和IPC進行通信(EC20 PLC做從站，設置成MODBUS從站協議)，利用COM1和多臺變頻器組成網絡進行集中控制(EC20 PLC的COM1設置成MODBUS主站協議)。
IPC為整個系統的人機接口，IPC讀取PLC采集的系統運行狀態如各風機的運轉狀態，各測溫點溫度，報警狀況并顯示在監控畫面上，IPC又把各種操作命令傳給PLC以控制系統的運行，如溫度的設定，PID參數設定，各種閥門的開閉，變頻器的啟動、停止等設定。并且可以實時監控整個系統的工作運行狀態、動作過程及故障報警等，IPC還可以根據設定對采集的數據進行保存打印。
在系統設計中，EC20 PLC為整個系統的核心，執行各種系統操作及計算，EC20 PLC根據工藝要求和現場狀況進行邏輯判斷，開閉各種閥門和啟停各風機;同時利用自身的PID功能對溫度進行控制，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通訊規范，用于實現PLC與多臺變頻器的聯網。根據MODBUS通訊協議，我們可以通過RSz-485網絡輕松實現對變頻器的運行控制。由于RS-485通訊鏈路傳輸距離遠、配線簡單、抗干擾能力強、可靠性高，因此在設計中，我們省略了變頻器的外部起停控制線路，對變頻器的所有控制都通過RS-485通訊鏈路來完成，達到了經濟高效的目的。
3.2 監控畫面設計
整個系統監控畫面主要分為主畫面，實時溫度監控，PID參數設定，三個部分(其他部分省略)，具體如下:
主畫面如圖4所示，主要完成對系統狀態的監控(如各種風閥的開閉狀態，風機的運行狀態，報警狀態)，數據統計(如系統運行的時間，啟停系統的次數)，溫度設定/測量等功能。

圖4 系統監控主畫面

實時溫度監控畫面如圖5所示，此畫面主要用于對溫度的實時監控，并描繪出溫度曲線趨勢，以便判斷系統的溫度控制是否處于良好狀態，同時可以實現對溫度進行保存/打印等操作。

圖5 實時溫度監控畫面

PID參數設定畫面主要用于比例常數P，積分常數I，微分常數D的設定，同時根據實時溫度曲線狀況進行調節;同時顯示PID控制的輸出比例，見圖6。

圖6 PID參數設定畫面

3.3 對溫度控制策略與PLC實現
（1）溫度控制策略
為便于對整個老化房內溫度的控制，同時充分利用EC20 PLC自身PID功能和PWM脈沖輸出(Y0，Y1)的優勢，室內溫度區域分為2個部分(上層和下層各8個測溫度點)，對溫度取平均值作為溫度的測量值，并把此平均值送入PID功能塊進行運算，同時對加熱執行元件(參考EC20 PLC的I/O接線圖，固態繼電器SSR1，SSR2，SSR3所控制的發熱管的功率逐漸加大)也進行了分組處理:溫度偏差較小的情況下，進行PID運算，通過Y0輸出脈沖給SSR1，同時關閉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，而且無論提升溫度還是下降溫度都很快速;同時把PID輸出轉化為PWM的占空比輸出，又大大節省了PLC的資源(充分利用Y0，Y1的高達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，功能強大，是一個很優秀的全中文編輯工具。
(2) PLC實現
實現步驟具體如下:首先，在數據塊設定PID各參數，其中的重點是設置P，I，D三個參數和輸出量的上下限范圍，由于PID的輸出結果直接和PWM結合在一起，所以設置時要特別注意，在本例子中，按照PWM的周期為4s(=4000MS)計算，把PID的輸出上下限分別設定為4000和0;另外按照逆動作(BIT0=1)，輸出限定(BIT5=1)的要求對D7911各位進行賦值;
D7910 500
//采樣時間S3 采樣時間(Ts)范圍為1～32767(ms)，比運算周期短的時間數值無法執行;
D7911 16#23
//動作方向 > 逆動作，設輸出限定
………………………………………………..
//BIT0 0:正動作 1:逆動作;
………………………………………………..
//BIT1 0:輸入變化量報警無效 1:輸入變化量報警有效;
………………………………………………..
//BIT2 0:輸出變化量報警無效 1:輸出變化量報警有效;
………………………………………………..
//BIT3-4 沒使用;
………………………………………………..
//BIT5 0:輸出值上下限設定無效1:輸出值上下限設定有效;
………………………………………………..
//BIT6～BIT15 沒使用
D7912 70
//S3+2 輸入濾波常數(α)范圍0～99[﹪]，為0時沒有輸入濾波;
D7913 100
//S3+3 比例增益(Kp)范圍1～32767[﹪];
D7914 25
//S3+4 積分時間(TI)范圍0～32767(×100ms)，為0時作為∞處理(無積分);
D7915 0
//S3+5 微分增益(KD)范圍0～100[﹪]，為0時無微分增益;
D7916 63
//S3+6 微分時間(TD)范圍0～32767(×10ms)，為0時無微分處理;
D7925 2000
//S3+15 輸入變化量(增側)報警設定值0～32767(S3+1的BIT1=1時);
D7926 0
//S3+16 輸入變化量(減側)報警設定值0～32767(S3+1的BIT1=1時);
D7927 4000
//S3+17 輸出變化量(增側)報警設定值0～32767(S3+1的BIT2=1和BIT5=0時);輸出上限設定值-32768～32767(S3+1的BIT2=0和BIT5=1時);
D7928 0
//S3+18 輸出變化量(減側)報警設定值0～32767(S3+1的BIT2=1和BIT5=0時);輸出下限設定值-32768～32767(S3+1的BIT2=0和BIT5=1時);
其次,在程序里調用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)都集成MODBUS協議，所以實現它們的通信相對比較簡單，整個網絡采用RS-485通信方式。
4.1 各設備接口通信參數設置
對EC20 PLC設置如圖7所示:

圖7 各設備接口通信參數設置圖

(1) EV2000的設置要點
●各通信參數要和EC20 PLC一致;
●各變頻器的地址要有自己唯一的從機地址;
●注意變頻器的通信跳線開關CN14撥在RS-485方向;
●變頻器的延時應答設為(FF.03)30-50ms。參見表2。

表2 EV200變頻器的設備要點

(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，先發送高位字節，然后是低位字節。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，幀之間的空閑時間取功能碼設定和Modbus內部約定值中的較大值。Modbus內部約定的最小幀間空閑如下:幀頭和幀尾通過總線空閑時間不小于3.5個字節時間來界定幀。數據校驗采用CRC-16，整個信息參與校驗，校驗和的高低字節需要交換后發送。具體的CRC校驗請參考協議后面的示例。值得注意的是，幀間保持至少3.5個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束空閑。
Modbus最主要的功能是讀寫參數，不同的功能碼決定不同的操作請求。變頻器Modbus協議支持表3功能碼操作:
表3 變頻器Modbus協議支持的功能碼操作

Modbus協議不同的功能碼有不同數據的格式和意義，簡要介紹如下:
改寫多個變頻器功能碼和狀態參數的格式協議如表4~表7所示:
表4 改寫多個變頻器功能碼和狀態參數的請求格式

表5 改寫多個變頻器功能碼和狀態參數的應答格式

表6 讀取變頻器參數的請求格式

表7 讀取變頻器參數的應答格式

(4) 變頻器的功能碼參數、控制參數和狀態參數都映射為Modbus的讀寫寄存器。功能碼參數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映射為寄存器地址的高字節，組內索引映射為寄存器地址的低字節。變頻器的控制參數和狀態參數均虛擬為變頻器功能碼組。功能碼組號與其映射的寄存器地址高字節的對應關系如下:
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;
變頻器控制參數組:0×32;
變頻器狀態參數組:0×33。
例如變頻器功能碼參數F3.02的寄存器地址為0×302，變頻器功能碼參數FF.01的寄存器地址為0×F01。
(5) 具體程序編寫:啟動5#變頻器正轉，轉速設定為50.00Hz(內部表示為5000)的命令如表8、表9、表10所示。
表8 變頻器啟動命令