王輝 吳曉雪

摘要：目前工業(yè)控制中的過(guò)程控制主要采用基于工控機(jī)的集散控制系統(tǒng)，這種自動(dòng)控制系統(tǒng)雖然具有專業(yè)性好、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在可靠性差和性價(jià)比相對(duì)較低的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，提出基于PLC的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)在常規(guī)順序控制邏輯中融入對(duì)組態(tài)控制算法調(diào)度使用，實(shí)現(xiàn)了梯形圖內(nèi)程序與控制算法的相結(jié)合，使得PLC完成了面向模擬量的過(guò)程控制功能，有效提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵字：PLC; DCS;順序控制;過(guò)程控制;PID算法

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

PLC（可編程邏輯控制器）以其優(yōu)越的性能被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中。在工業(yè)控制中PLC主要針對(duì)離散控制變量進(jìn)行順序控制，而面向模擬變量的復(fù)雜回路控制主要由基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的集散控制系統(tǒng)（DCS）完成[1]。但是DCS在實(shí)際部署和使用中存在難以克服的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在一次性投入太高、維護(hù)費(fèi)用高，硬件和軟件相對(duì)封閉，且通信協(xié)議兼容性差，容易形成了信息孤島，此外DCS的暈可靠性受制于器硬件的配置，因此在相同價(jià)格基礎(chǔ)上DCS的穩(wěn)定性大大低于PLCc2-3]。

由于DCS在工業(yè)控制中存在的使用局限性，使得針對(duì)基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究日益深入，在PLC中集成DCS的自動(dòng)控制系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢(shì)[4-5]。隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC已經(jīng)具有PID回路控制的功能，并提供模擬量輸入和輸出的模塊，一些PLC在PID控制模塊，甚至還發(fā)展了“超前滯后”“模糊控制”等控制算法，這使得基于PLC的閉環(huán)控制和過(guò)程控制已經(jīng)具備可靠的技術(shù)基礎(chǔ)[6]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種PLC梯形圖內(nèi)嵌入組態(tài)算法的自動(dòng)控制系統(tǒng)總體框架。該控制系統(tǒng)基于數(shù)字量處理的邏輯控制和模擬量的過(guò)程控制的有機(jī)結(jié)合，在傳統(tǒng)梯形圖PLC程序中融入PID邏輯控制算法，通過(guò)對(duì)回路控制測(cè)量的設(shè)計(jì)和配置，并在組態(tài)軟件的支持下，最終實(shí)現(xiàn)基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)，有效提升自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2 基于PLC的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與配置

2.1 總體架構(gòu)

基于順序控制和回路控制的獨(dú)立PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)總體框架如圖1示[7-8]。

由圖1知，PID控制算法是以功能模塊的形式在梯形圖被調(diào)用，而實(shí)現(xiàn)控制算法和順序控制有機(jī)結(jié)合的是PLC控制引擎。PLC控制引擎實(shí)現(xiàn)由組態(tài)軟件生成的梯形圖控制程序向PLC可執(zhí)行代碼的解釋。

2.2 梯形圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置

傳統(tǒng)梯形圖在圖形化PLC編程平臺(tái)完成設(shè)計(jì)，而回路控制算法在組態(tài)軟件中完成組態(tài)配置[9-10]。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC圖形化編程平臺(tái)已經(jīng)能夠提供類似PID控制算法模塊的拖放式操作，以便在梯形圖中以圖形元素形式完成控制算法的設(shè)計(jì)和配置[11]。具有回路控制功能的梯形圖完成設(shè)計(jì)后，解釋成成操作指令，然后再編譯成PLC可執(zhí)行的文件下載到PLC設(shè)備中進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行。

2.3 過(guò)程控制的組態(tài)與配置

過(guò)程控制的組態(tài)就是把根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求對(duì)可完成具體控制算法程序的功能模塊進(jìn)行調(diào)用實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的回路過(guò)程控制[12-14]。針對(duì)控制模塊采用圖形與命令相結(jié)合的方式，完成具體控制元素的輸入輸出端口、算法參數(shù)等具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的配置。

過(guò)程控制組態(tài)流程包括控制模塊調(diào)用，控制模塊定序和控制參數(shù)的設(shè)置三步?？刂颇K調(diào)用是從從基本控制模塊庫(kù)中選擇所用的控制模塊?？刂颇K定序是通過(guò)各個(gè)控制模塊輸入和輸出關(guān)系的設(shè)定完成控制回路的設(shè)計(jì)?？刂茀?shù)設(shè)置是對(duì)各個(gè)控制模塊的算法參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這些參數(shù)包括比例系數(shù)，積分時(shí)間、微分時(shí)間、滯后時(shí)間等。完成過(guò)程控制組態(tài)后，進(jìn)行程序編譯，生成目標(biāo)代碼。過(guò)程控制的組態(tài)與配置流程如圖2示[15]。

2.4 總體設(shè)計(jì)與配置流程

基于回路控制的梯形圖首先完成回路控制的組態(tài)，隨后生成梯形圖，具體實(shí)現(xiàn)步驟如圖3示[16-17]。

3 控制算法的組態(tài)分析

3.1 控制算法的組態(tài)識(shí)別

基于圖形化的回路控制對(duì)用戶非常直觀，能夠容易不同控制策略以及控制回路的不同組態(tài)。但對(duì)PLC而言，顯然需要采用有效讀取模式，對(duì)控制策略進(jìn)行組態(tài)識(shí)別。基于雙堆棧的方式能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程控制策略的識(shí)別。

對(duì)控制模塊自輸出節(jié)點(diǎn)依次向前逆向遍歷。下面以單輸出與單輸入控制模塊為例，說(shuō)明具體識(shí)別過(guò)程。

第一步是確定組態(tài)圖中無(wú)輸出屬性的輸出模塊，建立主、從兩個(gè)堆棧，。將確定的輸出模塊壓入從堆棧。

第二步從堆棧中彈出一個(gè)輸出模塊，并將該輸出模塊壓入主堆棧中，此時(shí)主堆棧中的棧頂模塊為當(dāng)前操作模塊。

第三步將當(dāng)前操作模塊的輸入端口所連接的輸入模塊壓入從堆棧。如當(dāng)前端口為輸入模塊，則跳轉(zhuǎn)下一步，如不是輸入模塊，則分析其他輸入端口，直到完成所有端口的分析為止。

第四步對(duì)從堆棧中是否還有模塊進(jìn)行最后檢查。如果從堆棧中沒(méi)有模塊則過(guò)程結(jié)束，此時(shí)的主堆棧就是控制模塊的組態(tài)序列。如果從堆棧還有沒(méi)有彈出的控制模塊，則將其壓入主堆棧中，并設(shè)為當(dāng)前操作模塊并跳轉(zhuǎn)上一步繼續(xù)識(shí)別。

3.2 控制算法的數(shù)據(jù)分析

DCS控制系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)大多存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便相關(guān)信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理操作。但是基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，通常只操作PLC的輸入輸出區(qū)數(shù)據(jù)，因此采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)顯然造成了資源的浪費(fèi)。采用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存難以保證PLC對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的嚴(yán)苛要求。

由此本文采用數(shù)據(jù)棧這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC功能塊數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。具體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作包括以下流程：

（1）輸入數(shù)據(jù)壓入數(shù)據(jù)棧。壓入的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與輸入點(diǎn)數(shù)一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為空時(shí)，也要把NULL值壓入對(duì)應(yīng)的位置。

（2）輸出數(shù)據(jù)彈出數(shù)據(jù)棧。彈出棧的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為空時(shí)，也要進(jìn)行NULL數(shù)據(jù)的彈出棧操作，以保證棧內(nèi)數(shù)據(jù)與輸出點(diǎn)位順序的一致。

（3）數(shù)據(jù)入棧時(shí)按順序入棧，數(shù)據(jù)出棧時(shí)按逆序進(jìn)行變量賦值。在控制算法指令實(shí)現(xiàn)中，也要以及數(shù)據(jù)出入棧的順序進(jìn)行操作。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 應(yīng)用環(huán)境

對(duì)異步電機(jī)的同步控制是工業(yè)控制常見(jiàn)場(chǎng)景。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，基于工控機(jī)的控制系統(tǒng)存在故障率高、抗干擾差的問(wèn)題。本文采用歐姆龍C200HE型PLC作為控制器，基于PLC內(nèi)嵌的PID算法模塊，構(gòu)建電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。應(yīng)用控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度取決于測(cè)量精度，因此上圖中的采用精度較高的高速計(jì)數(shù)模塊作為電機(jī)的速度測(cè)量裝置。高速計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)模式可采用門控方式，當(dāng)控制輸入IN為高電平時(shí)，開始對(duì)脈沖計(jì)數(shù);當(dāng)IN變成低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器值被保留，直到IN再次變?yōu)楦唠娖剑?jì)數(shù)器從零開始重新計(jì)數(shù)。

4.2 程序?qū)崿F(xiàn)與應(yīng)用分析

在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，應(yīng)在進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，首先把IN置為低電平，讀取計(jì)數(shù)值，然后置位IN為高電平以觸發(fā)脈沖計(jì)數(shù)。PLC程序在掃描周期的最后集中刷新數(shù)字量I/O口，因此此時(shí)需要立即執(zhí)行IORF指令以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字量110的刷新，以使輸入口IN立即有效。程序框架如圖5所示。

設(shè)定的速度由人機(jī)界面輸入。當(dāng)設(shè)定速度由0提高至2500轉(zhuǎn)，電機(jī)的速度響應(yīng)曲線如圖6示。

PLC高速計(jì)數(shù)模塊測(cè)量電機(jī)實(shí)際速度的負(fù)反饋，輸入比例積分（PD控制模塊，計(jì)算得出的速度控制信號(hào)由RS-485輸出值變頻器，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由圖6看出，速度響應(yīng)時(shí)間為0.02s，振蕩幅度很小，可以忽略不計(jì)，穩(wěn)態(tài)速度能夠保持在2500轉(zhuǎn)。由此可以看出基于PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠完成過(guò)程控制的功能。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間試運(yùn)行表明，基于PLC的系統(tǒng)具運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾性能優(yōu)異的特點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)DCS控制存在的可靠性差的問(wèn)題，基于對(duì)在梯形圖程序中融入回路控制算法的思路，提出基于PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、程序設(shè)計(jì)與配置以及控制算法的組態(tài)分析進(jìn)行深入研究，最后在實(shí)例中成功應(yīng)用了具有閉環(huán)控制功能的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)應(yīng)用實(shí)例的表明基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠提高較好的控制性能。

參考文獻(xiàn)

[1]趙粉榮.基于PLC的數(shù)控組合機(jī)床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)U].自動(dòng)化與儀器儀表，2017，㈣：117-119.

[2]李寧，盧子廣，羅啟平.鍍鉻槽液溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J]，電鍍與精飾，2017，39 （08）：25-28.

[3]孫永芳.基于自動(dòng)生產(chǎn)線上PLC的模塊化設(shè)計(jì)U].自動(dòng)化與儀器儀表，2017，（07）：87-88.

[4]張秋雁，徐宏偉，周克，等.LabVIEW在PLC功耗高精度動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2017，54 （13）：115-119.

[5]劉小春.基于PLC的水箱水位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2017，（06）：171-173.

[6]暴翔，何小剛.基于模糊PID控制器的等速采樣系統(tǒng)[J].煤炭技術(shù)，2017，36 （06）：273-275.

[7]繆正成，倪曉春，金俠杰，等.基于PLC與步進(jìn)電機(jī)的裝載機(jī)先導(dǎo)手柄閥測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)[J].機(jī)床與液壓，2017，45 （08）：159-162+176.

[8]劉水，王致杰，王海群，等.基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)[J].信息技術(shù)，2017，（04）：57-60.

[9]王軍華.單神經(jīng)元PID控制器在PLC中的實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2017，（04）：59-60.

[1O]汪晟杰，王宇恒，王博.基于LabVIEW與三菱PLC通信在液壓控制中的應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2017，46 （02）：171-173.

[11]王國(guó)榮，基于PLC的船艙內(nèi)溫度自動(dòng)控制方法研究U].艦船科學(xué)技術(shù)，2017，39 （06）：108-110+113.

[12]陳進(jìn)，施海濤，李橋，基于PLC的船舶壓載艙監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2016，38 （03）：30-32+36.

[13]潘蓮輝，張美義，甘桂裕，等.模糊自整定PID控制方案在自動(dòng)加藥系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2017，44 （03）：262-266.

[14]李文宇，王延軍，高飛，等.滯后系統(tǒng)的一種改進(jìn)PID控制方法[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2015，（O1）：19-21.

[15]黃從智，杜斌，鄭青.基于PLC的線性自抗擾控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].控制工程，2015.24 （O1）：171-177.

[16]鄧潔清，袁宇波.基于PLC模塊的變電站自動(dòng)化測(cè)試仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，37 （24）：157-160.

[17]閔瑩，經(jīng)亞枝.軌道交通通用I/O裝置的研制[J].儀器儀表用戶，2013，（06）：31-33.