西门子模块|低压电器代理商|2023

.控制系统及控制原理

　　控制系统中控制器由一个CPU及两个PLC模块组成：S7-200系列中的CPU224，一个热电阻输入模块EM231，一个模拟量输出模块EM232，三者通过自身所带的电缆直接相连。其中EM231接受来自反应炉里的温度传感器输入的信号，CPU224中的PID算法的运算结果通过模拟量输出模块EM232输出电流信号（模拟量）来控制电磁阀一的开度，同时它来单独输出一个开关量来控制电磁阀二的开和关，控制系统结构框图如图1所示：

图1 控制系统结构框图

　　控制过程中，电磁阀二的状态只有两种：全开和关。基本的控制思想是：当实际值与设定值相差超过+1.5℃时，CPU224输出一个开关量使电磁阀二完全打开，待温差降到在+1℃范围或者反应炉温度低于设定值时，电磁阀二关闭，CPU224中的PID调节器开始起作用，调节器输出控制电磁阀二的开度，使反应炉的温度稳定在要求的±1℃内。PID调节器起主要的控制作用，开关量电磁阀的设计是为了防止反应炉温度超过PID的可调节范围。

3.系统实现

　　3.1掉电保护

　　工厂所在地区偶尔会停电，反应炉备有一个发电机，若停电发电机立即启动，向反应炉及其控制系统继续供电，但其间会有大约4分钟的停电间隙，为了保持生产需要停电恢复后控制系统能按照停电前的状态继续控制反应炉，这里可以利用S7-200内置的掉电保护[1]机制，在编写粘胶生产控制程序时可以将程序状态以及一些重要的数据保存在EEPROM里，当供电恢复时，程序读取这些数据。具体做法是：在用STEP-7编写程序时，定义程序系统块中的掉电保护范围，将M存储区的前12个字节（MB0到MB11）定义为掉电保护，程序中将阶段标志，反应炉运行时间等数据（见表1）复制到这段存储区，这样即使在超级电容失效的情况下，备用发动机供电后，仍然可以将PLC恢复到掉电前的状态，使反应炉接着先前的工序生产。

　　表1 MB0-MB13存储区保存的内容

　　3.2 WinCC与S7-200的通讯

　　一般来说，可以通过WinCC、触摸屏、自由口通讯三种方式来监控S7-200。用触摸屏进行监控，可靠性高，不需要考虑通讯问题，设计容易，但是价格高，扩展性差;用自由口通讯，优点就是可以用任何编程工具来实现，投资低，缺点是可靠性低，而且需要占有PLC内部资源。对于该工厂而言，一方面要考虑经济因素，另一方面由于扩大生产的需要，扩展性很重要，因此本次项目选用WinCC作为监控软件的界面开发平台。

　　由于SIMATIC WinCC是采用了新的32位技术的过程监控软件，具有良好的开放性和灵活性，所以无论是单用户系统，还是冗余多服务器/多用户系统，WinCC均是较好的选择。但由于西门子公司S7-200系列PLC比监控组态软件WinCC推出晚，WinCC中没有集成S7-200系列PLC的通信驱动程序，因此需通过Profibus, OPC与S7-200通讯[2]。采用OPC方式简单，只需要有一个OPC Server，这可以通过S7-200 PC Access软件来实现;而采用Profibus方式，需要一个Profibus DP模块，一个通讯模块如CP5412，还需要Profibus电缆，整体成本远高于采用OPC方式，因此本次改造采用基于OPC的WinCC监控方式。

　　3.3 参数下载功能

　　该工厂需要生产不同品种的粘胶，每种粘胶的生产工艺不一样，并且每种粘胶的生产过程由若干个化学反应过程组成，这些化学反应需要的环境温度也各不相同。若把这些具体的温度值放在程序里，当生产工艺改变时，就必须修改程序，这就要求工厂的操作人员有较高的程序设计能力，同时系统的可维护性也低。另一方面，对于不同的生产工艺，控制器的PID参数不同，基于上面所述的原因，PID参数设定也应该从程序中分离。

　　参数下载是监控软件的一个重要功能，在下载过程中，WinCC与PLC通讯可能不正常，造成下载失败，这就需要一个纠错过程。解决的方法是，在监控界面里用户输入的只是WinCC中的一些内部变量，同时设计一些表格和曲线，它们用来显示OPC的客户端的变量（也即WinCC过程变量），当相对应的数据一致时，表示参数下载成功，一次典型失败下载如图2所示。

图2 参数下载

　　这里用户输入了3个温度保持阶段以及PID参数，但坐标轴上没有显示对应的温度，这就提示用户PLC和上位机通讯出了故障。

　　3.4 变量记录

　　WinCC的变量记录编辑器允许用户为其过程数据生成用户档案库，过程数据和档案库之间的联系是过程变量，通过变量记录，用户可以分析反应炉的数学模型，可以查看PID参数是否设置合理，这项功能对于作者所控制的反应炉而言尤为重要。粘胶生产所用的反应炉是一个大滞后的系统，对于大滞后的系统消除这种滞后影响非常重要，因此必须弄清它的惯性常数，借助于WinCC对设定温度，反应炉实际温度，水的流量这三个变量的归档数据，可以大大方便作者对反应炉的分析。另外WinCC里有种控件叫做在线趋势控件，利用该控件可以在终端机PC上实时地显示上述三个变量的曲线，对于参数调整很有帮助。记录变量可以通过WinCC的变量记录编辑器来完成。