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PLC在老化房控制系统中的应用
1 引言
随着电子技术，计算机控制技术和通信技术的发展，PLC(可编程序控制器)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，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(可编程控制器)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可编程控制器，它代表了工业自动化控制的最高水平，是最新计算机技术与工业控制技术的完美结合。
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的热烈好评，产品广泛应用于电子，食品饮料行业，空调制冷设备，锅炉行业，物流仓库，科技农业，交通运输，石油化工，供水，玻璃/钢铁行业，纺织机械，线缆机械，塑机，印染包装等各个领域。本文介绍了艾默生公司EC20 PLC在老化房控制系统中的应用并着重介绍该产品的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。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。
2 老化房控制系统工艺要求
老化房结构如图1所示。 
图1 老化房结构图
具体要求如下:
(1) 该系统所控制的老化房面积达16×30m2，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(加湿控制采用单独进行和PLC无关);
(2) 该系统有3个风机，用于进风，回风和排风;有4个风闸:新风闸，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。
(3) 其他要求省略。
3 控制系统分析与设计
3.1 PLC系统结构设计
PLC系统结构如图2所示: 
图2 PLC系统结构图
EC20PLC设备的I/0接线如图3所示: 
图3 EC20PLC设备的I/0接线图
根据老化房工艺要求组成如上图控制系统: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RS-232口，集成自由协议/编程协议/MODBUS从站协议，1个RS-232/485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RS-485接口的通讯单元，符合RS-485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，我们可以通过RSz-485网络轻松实现对变频器的运行控制。由于RS-485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RS-485通讯链路来完成，达到了经济高效的目的。
3.2 监控画面设计
整个系统监控画面主要分为主画面，实时温度监控，PID参数设定，三个部分(其他部分省略)，具体如下:
主画面如图4所示，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 系统监控主画面
实时温度监控画面如图5所示，此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 实时温度监控画面
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，见图6。 
图6 PID参数设定画面
3.3 对温度控制策略与PLC实现
（1）温度控制策略
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(参考EC20 PLC的I/O接线图，固态继电器SSR1，SSR2，SSR3所控制的发热管的功率逐渐加大)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:
表1 温度控制策略 
通过此法处理可以把温度控制精度保持在±0.3度以内，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，是一个很优秀的全中文编辑工具。
(2) PLC实现
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;
D7910 500
//采样时间S3 采样时间(Ts)范围为1～32767(ms)，比运算周期短的时间数值无法执行;
D7911 16#23
//动作方向 > 逆动作，设输出限定
………………………………………………..
//BIT0 0:正动作 1:逆动作;
………………………………………………..
//BIT1 0:输入变化量报警无效 1:输入变化量报警有效;
………………………………………………..
//BIT2 0:输出变化量报警无效 1:输出变化量报警有效;
………………………………………………..
//BIT3-4 没使用;
………………………………………………..
//BIT5 0:输出值上下限设定无效1:输出值上下限设定有效;
………………………………………………..
//BIT6～BIT15 没使用
D7912 70
//S3 2 输入滤波常数(α)范围0～99[﹪]，为0时没有输入滤波;
D7913 100
//S3 3 比例增益(Kp)范围1～32767[﹪];
D7914 25
//S3 4 积分时间(TI)范围0～32767(×100ms)，为0时作为∞处理(无积分);
D7915 0
//S3 5 微分增益(KD)范围0～100[﹪]，为0时无微分增益;
D7916 63
//S3 6 微分时间(TD)范围0～32767(×10ms)，为0时无微分处理;
D7925 2000
//S3 15 输入变化量(增侧)报警设定值0～32767(S3 1的BIT1=1时);
D7926 0
//S3 16 输入变化量(减侧)报警设定值0～32767(S3 1的BIT1=1时);
D7927 4000
//S3 17 输出变化量(增侧)报警设定值0～32767(S3 1的BIT2=1和BIT5=0时);输出上限设定值-32768～32767(S3 1的BIT2=0和BIT5=1时);
D7928 0
//S3 18 输出变化量(减侧)报警设定值0～32767(S3 1的BIT2=1和BIT5=0时);输出下限设定值-32768～32767(S3 1的BIT2=0和BIT5=1时);
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)。参见图7。
4 PLC与变频器的MODBUS通讯
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RS-485通信方式。
4.1 各设备接口通信参数设置
对EC20 PLC设置如图7所示: 
图7 各设备接口通信参数设置图
(1) 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唯一的从机地址;
●注意变频器的通信跳线开关CN14拨在RS-485方向;
●变频器的延时应答设为(FF.03)30-50ms。参见表2。
表2 EV200变频器的设备要点 
(2) EC20PLC和变频器的连接
(3) Modbus编码方式
图8示出了EC20 PLC和变频器之间采用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。RTU方式格式如图9所示。
图8 EC20PLC和变频器的连接图 
图9 RTU方式格式图
RTU方式:在RTU方式下，帧之间的空闲时间取功能码设定和Modbus内部约定值中的较大值。Modbus内部约定的最小帧间空闲如下:帧头和帧尾通过总线空闲时间不小于3.5个字节时间来界定帧。数据校验采用CRC-16，整个信息参与校验，校验和的高低字节需要交换后发送。具体的CRC校验请参考协议后面的示例。值得注意的是，帧间保持至少3.5个字符的总线空闲即可，帧之间的总线空闲不需要累加起始和结束空闲。
Modbus最主要的功能是读写参数，不同的功能码决定不同的操作请求。变频器Modbus协议支持表3功能码操作:
表3 变频器Modbus协议支持的功能码操作 
Modbus协议不同的功能码有不同数据的格式和意义，简要介绍如下:
改写多个变频器功能码和状态参数的格式协议如表4"表7所示:
表4 改写多个变频器功能码和状态参数的请求格式
表5 改写多个变频器功能码和状态参数的应答格式
表6 读取变频器参数的请求格式
表7 读取变频器参数的应答格式
(4) 变频器的功能码参数、控制参数和状态参数都映射为Modbus的读写寄存器。功能码参数的读写特性和范围遵循变频器用户手册的说明。变频器功能码的组号映射为寄存器地址的高字节，组内索引映射为寄存器地址的低字节。变频器的控制参数和状态参数均虚拟为变频器功能码组。功能码组号与其映射的寄存器地址高字节的对应关系如下:
F0组:0×00;
F1组:0×01;
F2组:0×02;
F3组:0×03;
F4组:0×04;
F5组:0×05;
F6组:0×06;
F7组:0×07;
F8组:0×08;
F9组:0×09;
FA组:0×0A;
Fb组:0×0B;
FC组:0×0C;
Fd组:0×0D;
FE组:0×0E;
FF组:0×0F;
FH组:0×10;
FL组:0×11;
Fn组:0×12;
FP组:0×13;
FU组:0×14;
变频器控制参数组:0×32;
变频器状态参数组:0×33。
例如变频器功能码参数F3.02的寄存器地址为0×302，变频器功能码参数FF.01的寄存器地址为0×F01。
(5) 具体程序编写:启动5#变频器正转，转速设定为50.00Hz(内部表示为5000)的命令如表8、表9、表10所示。
表8 变频器启动命令
程序清单:见图10所示。
图10 变频器启动程序清单
读取5#变频器的运行频率，变频器应答运行频率为50.00Hz:如表9所示。
表9 读取5#变频器的运行频率，变频器应答运行频率为50Hz 
程序清单:如图11所示。
图11 读变频器程序清单
5#变频器以最快速度停车，如表10所示。
表10 5#变频器的最快速度停车 
程序清单:(省略)
其他控制逻辑程序省略。
（转载）
