基于PLC的过程控制系统设计与实现

PLC与DCSPLCandDCS《自动化技术与应用》2004年第23卷第7期基于PLC的过程控制系统设计与实现王洪猛,谢建君,曾云,白雪峰(武汉大学动力与机械学院,湖北武汉430072摘要:本文介绍了一种基于PLC的过程控制系统的开发与实现。上位机采用组态王6.0实现SCADA功能,下位机采用OMRONPLC完成现场信息的采集、处理、以及控制。上、下位机之间通过RS232串口实现通讯。实验结果表明:系统已达到了预期的设计效果。关键词:PLC;PID控制;模糊控制;组态王;DCS中图分类号:TP278文献标识码:B文章编号:1003-7241(200407-0025-04TheDesignofPLC-basedProcessControlSystemsWANGHong-meng,XIEJian-jun,ZENGYun,BAIXue-feng(SchoolofPowerandMechanicalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,ChinaAbstract:APLC-basedlevelcontrolbymeansofPIDalgorithmisdiscussedinthepaper.Processsupervisingandcontrolisrealizedbythetelecom-municationofKingview'sconfigurationsoftware6.0ofthemaincomputerandPLC.Theresultsofexperimentshowthatasatisfactorysolu-tionisachieved.Keywords:PLC;PIDcontrol;Fuzzycontrol;Kingview'sConfigurationSoftware;DCS1引言PLC(可编程控制器以其可靠性高、编程简单、在线编程、易于修改、性能价格比高等显著特点广泛应用于现代工业的控制之中。以PLC与通信网络相结合所构成的分布式控制系统已成为现代工业过程控制的有效解决方案之一[5]。基于PLC及其特殊模块所构成的下位机、与完成SCADA功能的上位机相结合,我们构建成分布式控制系统,实现对实验室4个双容水箱对象的液位的监控。2系统的结构与组成基于PLC建构的过程控制系统采用分布式控制结构,如图1所示。以PLC作为下位机,以PC机为上位机,通过RS-232C串口与PLC通讯,实现对工业现场的监控。并通过同轴电缆连接到以太网上,从而实现对工业现场的“分散控制,集中管理”。2.1网络级网络级的拓扑结构采用EtherNet网通过同轴电缆连接与生产监控级相连,实现对工业现场的集中管理。收稿日期:2004-02-122.2监控级监控级采用PC机作为上位机,并通过组态王6.0实现系统的SCADA功能;利用RS-232C串口与PLC通讯,实现对各个工业现场的监控。图1系统结构图《自动化技术与应用》2004年第23卷第7期PLC与DCSPLCandDCS2.3控制级控制级采用采用欧姆龙C200HG型PLC作为下位机,实现对现场的控制。PLC中配电源模块、开关量输入模块ID212、开关量输出模块OC221、模拟量输入模块AD003、模拟量输出模块DA004、RS-232串行口。○A/D003模拟量输入模块:接受液位传感器CY3011A送过来的4~20mA的电流信号,并将其转化为0-4000(BCD码的数字量。其通道地址由拨号开关决定,与其在底板插糟中上的位置无关。本系统中AD003模块的地址开关设置为1,对应的IR区域为IR110~IR119;对应的DM区域为DM1100~DM1199;且设置第一路A/D转换器工作并不进行峰值保持,则模拟量输入通道地址为IR111,具体的DM区和IR区设置如表1所示。○D/A004模拟量输出模块:将0—4095BCD码转化为4~20mA的电流信号送至变频器,作为系统的控制量,调整给水流量。其地址开关设其值为0,对应的IR区域为:IR100IR109;对应的DM区域DM1000~DM1099;且设置第一路D/A转换器工作,其模拟量输入通道地址为IR101,具体的DM区和IR区设置[2]如表1所示。表1DM区和IR区设置表模块型号寄存器地址设置内容注释AD003IR1100000H输入的模拟信号不进行峰值保持DM11000001H启用第一路A/D转换DM11010002H输入的模拟信号为4-20mADM11020004H转换值为16次取样的平均值滤波。DA004IR1000001H对第一路进行D/A转换DM10000001H对第一路进行D/A转换DM1001无效此寄存器对DA004模块无效DM10020000H当停止工作时D/A输出为02.4控制通道控制通道主要包括输入通道和输出通道。○输入通道输入通道采用CY3011AA1N型投入式液位传感器,把现场液位信号转换成4-20mA电流信号送往PLC的A/D003模块。其传感部分采用高精度扩散硅压力传感器,它把感受到的压力信号转换成电信号,此信号与液体高度成正比,精度为0.2%,量程为1m,输出为4-20mA电流,液位高度h与输出电流I的关系为h=I-416×量程。其在精度上、可靠性及稳定性上均能满足要求。○输出通道输出通道主要由变频器、水泵组成。输出通道接受PLC输出的控制量,把4--20mA的电流通过变频器转换成0-60HZ的频率信号来改变水泵的转速,从而达到调节流量的目的。变频器采用Panasonic公司DV-707型交流变频器,由变频器控制三相感应式电动机的转速(或频率。将输入的420mA电流控制信号,通过“整流———直流中间平滑滤波———逆变”电路,将输入的380V交流电源变成不同频率、不同电压的信号,调节水泵的转速。水泵采用JCB_22型变频调速泵,其额定流量为22L/min,额定扬程为3.3m。它是通过变频器的输出频率的变化来改变泵的转速,从而实现流量的调节。3过程控制系统的软件设计与实现软件设计主要包括上位机SCADA监控软件和下位机软件设计。3.1SCADA监控软件设计上位机软件设计采用组态王6.0软件。组态王是一种工业组态软件,它自带大量的I/O设备驱动程序,用户可以方便地构建实时的监控系统。为了使过程控制系统实验平台有一个良好的人机交互环境,在组态王中开发了过程流程画面、监控画面、实时调节曲线、历史曲线图、阶跃响应曲线、报警画面,从而可实现对现场的实时监控[3]。PID控制上位机监控画面为SCADA中的一幅,如图2所示。图2PID控制上位机监控画面3.2下位机软件设计下位机软件设计是在监控级上利用OMRON-C200Hα系列编程软件CX-Programmer2.0完成对下位机程序的编制与调试,然后把调试好的程序下载到PLC中。下位机软件主要实现PLC与监控级的通讯、PLC对现场水位的控制、故障诊断等子程序[1]。其软件设计的主程序流程图如图3所示。○上电初始化系统初始化包括对RAM、ROM以及其中的IR、HR、DM区域的清零,以及控制参数的初始值设置,例如积分时间Ti、比例放大系数Kp、微分时间Td和采样周期T;此外,也包括对A/D003、D/A004模块的初始化。○采样周期的确定与实现采样周期的确定取决于被控对象的特性、监测参数、以及控制器的容量,理论上应满足Shannon采样定理f≥2fmax[4],在实际应用时还应考虑模拟量输入通道的个数、A/D的转换时间。PLC与DCSPLCandDCS《自动化技术与应用》2004年第23卷第7期因为A/D003可实现8路模拟量输入,一路A/D转换时间为1ms,并且要对A/D转换值进行16次取样进行平均值滤波。综合上述因素,最小周期T≥1*16*8ms=128ms,根据OMRONC200HG所提供的脉冲信号,我们取近似值200ms,即0.2s作为采样周期。○信号处理由于系统采集到的原始数据需根据实际情况进行处理后方可供控制器使用。信号处理包括“滤波”、“零点迁移与量程变换、标度变换”等功能处理模块。○控制算法设计与实现控制算法设计有PID控制、Ping-Pang控制、模糊控制等三种方式并可切换进行。图3控制主程序①控制周期的确定不同的被控对象其特性不一样,其采样控制周期也不一样,根据流量和液体的压力特性,本系统的控制周期选择为1s[4]。②Ping-Pang控制Ping-Pang控制是一种开关控制,使控制器输出最大或最小,它是时间最短的最优控制。但由于控制精度差、造成执行器频繁动作。为此当偏差绝对值较大时采用Ping-Pang控制,而在偏差绝对值较小时可采用其他控制方案。③PID控制PID控制采用增量式PID算法,其算法公式[4]为:Δu(n=a0e(n-a1e(n-1+a2e(n-2;u(n=u(n-1+Δu(n;其中:a0=kp(1+TTi+TdTa1=kp(1+2TdTa2=kpTdTPID参数、水位给定值可通上位机组态画面实现在线调整。作水位的给定值扰动,在PID规律的作用下其控制效果的动态特性如图2所示。④模糊控制双容水箱惯性较大,引入模糊控制可改善控制系统动态特性。模糊控制采用离线方式根据输入语言变量赋表及模糊控制规则,建立控制规则查询表,然后把控制规则查询表下载到PLC存储区(如DM区,实现在线查询。根据运行实际,E(偏差e模糊量化后的值和ΔE(偏差变化率Δe模糊量化后的值的论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},U(模糊控制器的输出值的论域为{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}。建立的控制规则查询表为13×13的控制表。在实际编程中,为减小E、ΔE、U的正负号存储麻烦,我们把E和ΔE模糊量化值加6,此时E和ΔE变化范围为0-12,把U的值加7,其变化范围为0-14。把控制规则查询表看成是13×13的矩阵,其中的元素aij表示当E=i,ΔE=j时U=aij。这样共有13×13=169个数据逐行放入连续存储区(例如DM0101-DM0269,然后采用基址(101加偏移量(13*i+j进行间接寻址,可完成查表工作。假设E(即i在DM0012,ΔE在DM0013(即j,U(即aij在DM0016,偏移量放在DM0021,绝对地址放在DM0022,其查表程序段如下:MUL#13DM0012DM0020//DM0020=13*iCLCADDDM0020DM0013DM0021//偏移量=13i+jADD#101DM0021DM0022//绝对地址=101+13i+jMOV*DM0022DM0016//DM间接寻址○系统的故障诊断欧姆龙C200HG型PLC提供自诊断功能,可检查现场控制系统的多种不正常情况。包括PLC的电池电压过低、RS-232C端口通讯出错、PLC扫描周期错误、指令执行错误等故障的诊断。传感器故障诊断是在AD003模拟量输入模块通过IR区的(下转第33页现场总线与网络FieldBusandNetwork《自动化技术与应用》2004年第23卷第7期离较近、环境干扰较小,可以不采用光电隔离电路,这时可以将82C250的VREF端直接与RX1脚相连接,从而简化了电路。(4SJA1000以中断方式与MCU接口,当系统中断允许时,一旦有中断发生,SJA1000的INT脚就会被激活使MCU及时响应,从而提高了系统的实时性。(5需要特别说明的是,初始化在SJA1000的使用过程中是非常重要的一个环节。正确的初始化,可以保证可靠的数据通信,否则,系统将不可能正常地工作。图3给出了SJA1000的初始化框图(SJA1000工作晶振16M。图3SJA1000初始化框图6结论基于CAN总线的分布式过程控制系统,是采用现场总线控制系统(FCS的特点,把信息处理过程放到现场进行,而通过操作站集中管理。运用CAN总线技术,极大提高了系统的可靠性和实时性,系统开发成本低廉、性能价格比高,测控节点安装维护简单。从该设计方案在恶劣现场环境下的运行情况和实验结果来看,能够经受住现场的考验,通信速率高,出错率极低,运行效果良好,体现了CAN总线高性能、高可靠性的优点。具有广阔的应用前景,体现了工业控制领域发展的重要方向。7参考文献:[1]邬宽明,编著.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996.11[2]王毅锋.基于CAN总线的分布式数据采集与控制系统[J].工业控制计算机,2000,(5:48-50[3]刘宏达,等.基于CAN总线的适配卡设计[J].自动化技术与应用,2003,22(5:42-44[4]鞠玉翔,等.基于PCI9052的CAN总线