基于PLC的調節閥控制器研究
介紹了調節閥及PLC的基本工作原理，通過(guò)對調節閥控制系統進(jìn)行分析，應用西門(mén)子S7-300PLC實(shí)現了對調節閥的自動(dòng)控制。
1、引言
調節閥主要用于電站系統調節自動(dòng)化過(guò)程控制領(lǐng)域中的介質(zhì)流量、壓力、溫度、液位等工藝參數，通過(guò)應用PLC來(lái)實(shí)現調節閥的自動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現維護電站系統 的正常運行。2、調節閥簡(jiǎn)介
2.1、調節閥的概述及構成
調節閥又稱(chēng)控制閥(ControlValve)，它是過(guò)程控制系統中用動(dòng)力操作去改變流體流量的裝置。根據自動(dòng)化系統中的控制信號，自動(dòng)調節閥門(mén)的開(kāi)度，從而實(shí)現介質(zhì)流量、壓力、溫度和液位的調節。調節閥由執行機構和閥組成見(jiàn)圖1。執行機構起推動(dòng) 的作用，閥起調節流量的作用。
圖1 電動(dòng)調節閥
2.2、調節閥的工作原理
根據流體力學(xué)可知，調節閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節流元件。對不可壓縮流體，調節閥的流量
(1) 式中，Q-流量;Kv-流量系數;△P-閥門(mén)前后壓差;V-閥門(mén)介質(zhì)比容;α-流量裕度系數。
此公式用于在節流部位的雷諾數Re>105，并且無(wú)閃蒸和閥門(mén)無(wú)過(guò)渡管接頭的情況，其中流量系數Kv值與閥門(mén)的流通能力和節流面積有關(guān)，不同的閥門(mén)對應不同的Kv值。調節器輸出信號控制閥門(mén)的開(kāi)或關(guān)，可以改變閥門(mén)的Kv值，從而改變被調介質(zhì)的流量。
2.3、調節閥的流量特性
調節閥的流量特性是指被調介質(zhì)流過(guò)調節閥的相對流量與調節閥的相對開(kāi)度之間的關(guān)系。
調節閥流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性是指在調節閥前后壓差固定不變情況下的流量特性有直線(xiàn)、等百分比、拋物線(xiàn)及快開(kāi)4種特性。
在實(shí)際系統中，閥門(mén)兩側的壓力降并不是恒定的，使其發(fā)生變化的原因主要有兩個(gè)方面：①由于泵的特性，當系統流量減少時(shí)由泵產(chǎn)生的系統壓力增加;②當流量減少時(shí)，盤(pán)管上的阻力也減少，導致閥門(mén)壓力較大。因此調節閥前后的壓差通常是變化的，在這種情況下，調節閥相對流量與相對開(kāi)度之間的關(guān)系，稱(chēng)為工作流量特性。
3、基于PLC的調節閥控制
3.1、PLC的編程語(yǔ)言STEP7是S7-300PLC的編程軟件
梯形圖、語(yǔ)句表和功能圖是標準的STEP7軟件包配備的3種基本編程語(yǔ)言，這3種編程語(yǔ)言可以在STEP7中相互轉換。
3.2、模擬量閉環(huán)控制系統的組成
典型的PLC模擬量單閉環(huán)控制系統原理如圖2所示。
圖2 PLC模擬量閉環(huán)控制系統原理
在模擬量閉環(huán)控制系統中，被控量c(t)(例如壓力、溫度、流量、轉速等)是連續變化的模擬量，大多數執行機構(例如晶閘管調速裝置、電動(dòng)調節閥和變頻器等)要求PLC輸出模擬信號mv(t)，而PLC的CPU只能處理數字量。c(t)首先被測量元件(傳感器)和變送器轉換為標準的直流電流信號或直流電壓信號pv(t)，例如4～20mA，1～5V，PLC用A/D轉換器將它們轉換為數字量pv(t)。
模擬量與數字量之間的相互轉換和PID程序的執行都是周期性的操作，其間隔時(shí)間稱(chēng)為采樣周期Ts。各數字量括號中的n表示該變量是第n次采樣時(shí)的數字量。
圖中的sp(n)是給定值，pv(n)為A/D轉換后的反饋量，誤差ev(n)=sp(n)-pv(n)。
D/A轉換器將PID控制器輸出的數字量mv(n)轉換為模擬量(直流電壓或直流電流)mv(t)，再去控制執行機構。
3.3、控制系統設計思想
首先對調節閥控制系統進(jìn)行分析，電容式壓力傳感器實(shí)時(shí)傳輸壓力信號送入PLC，PLC先經(jīng)過(guò)硬件組態(tài)再進(jìn)行編程，將程序載入PLC，程序的執行將傳感器傳來(lái)的信號轉換成為對調節閥閥位開(kāi)度的控制指令，最終實(shí)現對管道內部壓力的控制。
如圖3所示，系統規定壓力設定值為8kPa，在實(shí)際工廠(chǎng)的環(huán)境中，管道內部壓力允許在一定范圍內變化，所以以設定值為中心加入一個(gè)范圍，令閾值為1kPa，確定管道正常的壓力范圍，即7~9kPa。當測量元件測出管道壓力大于9kPa時(shí)，信號經(jīng)PLC后輸出一個(gè)使調節閥電動(dòng)執行機構閥門(mén)開(kāi)度減小的指令;反之，當測出壓力小于7kPa時(shí)，PLC輸出一個(gè)使調節閥電動(dòng)執行機構開(kāi)度開(kāi)大的指令;而管道壓力處于7~9kPa時(shí)，調節閥電動(dòng)機構處于靜止狀態(tài)。
圖3 調節閥控制系統原理
3.4、PLC控制系統的一般步驟
可編程控制器應用系統設計與調試的主要步驟如下：深入了解和分析被控對象的工藝條件和控制要求;確定I/O設備;選擇合適的PLC類(lèi)型;分配I/O點(diǎn);設計應用系統梯形圖程序;將程序輸入PLC;進(jìn)行軟件測試;應用系統整體調試。
3.5、PLC的硬件組態(tài)
硬件組態(tài)，就是使用STEP7對SIMATIC工作站進(jìn)行硬件配置和參數分配。所配置的數據以后可以通過(guò)“下載”傳送到PLC。硬件組態(tài)的條件是必須創(chuàng )建一個(gè)帶有SIMATIC工作站的項目。
3.6、連接電路
連接外接電路時(shí)，兩個(gè)繼電器分別與調節閥點(diǎn)動(dòng)執行機構的接點(diǎn)“開(kāi)閥”“、關(guān)閥”相連接，為使實(shí)現互鎖功能，需要將兩個(gè)繼電器互連：如圖4電路圖，兩個(gè)繼電器中的觸點(diǎn)13 均與另一個(gè)繼電器的觸點(diǎn)9相連，再經(jīng)過(guò)觸點(diǎn)1接出。
圖4 中間繼電器線(xiàn)路圖
互鎖功能的實(shí)現：
(1)當繼電器1接通時(shí)，繼電器1的觸點(diǎn)14、13與繼電器2的觸點(diǎn)9、1形成回路，此時(shí)繼電器1正常工作，觸點(diǎn)9、1斷開(kāi)，繼電器2的觸點(diǎn)13、14所在回路無(wú)法接通，導致繼電器2無(wú)法接通。
(2)同理，當繼電器2接通時(shí)，此時(shí)繼電器1無(wú)法接通。
在設置了軟、硬件互鎖之后，“開(kāi)閥”與“關(guān)閥”不會(huì )同時(shí)出現，有效的為電動(dòng)執行機構提供了安全保護。
3.7、系統調試
在完成程序編程和連接外部電路之后，需要對系統進(jìn)行調試，在SIMATICManage界面中，將BLOCKS中所有的塊及Systemdata點(diǎn)擊下載將其一起下載到PLC中，然后接通電路，調節電阻箱模擬傳感器向PLC輸入信號，通過(guò)變量監視窗口可以觀(guān)察到，在壓力的各個(gè)范圍內相應的開(kāi)閥、關(guān)閥和點(diǎn)動(dòng)指令的執行。調試完畢后，經(jīng)檢驗程序邏輯正確，運行正常，實(shí)現了對調節閥的自動(dòng)控制，達到了預期的目的。
4、結語(yǔ)
基于PLC的調節閥控制系統設計，通過(guò)對調節閥控制系統進(jìn)行分析，依據與S7-300PLC相連的壓力傳感器傳回的參數信號，采集控制系統中所需要的數據量，通過(guò)PLC的編程實(shí)現對系統中壓力實(shí)時(shí)的監控，并調節參數的波動(dòng)范圍在允許的范圍之內，維護電廠(chǎng)的正常運行。
