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阀门知识

PLC在智能气动阀门控制器中的应用

2020-05-25

气动阀门


阀门气动装置也称阀门气动执行机构,是驱动和控制阀门的重要装置,广泛应用于石油、化工、冶金和电力等领域中,随着现代化工业对阀门气动装置要求的提高,旧的阀门气动装置在功能和使用上的缺点暴露得越来越明显。智能阀门气动装置不仅克服了原来产品的不足,还增加了许多功能,扩展可使用领域,提高了各项指标和性能,而成本增加不多,可大量更新现有阀门气动装置。智能阀门气动装置在各个工业领域将得到广泛应用。

系统工作原理图

本文主要介绍使用西门子S7-200系列可编程控制器对阀门气动装置的智能控制技术,所述阀门控制机构可根据上位机传来的数字信号或者4~20mA的模拟控制信号,直接操作改变阀门的位移,利用微机技术和现场通信技术扩大功能,实现双向通信、在线自动标定、自校正等多种控制技术要求的功能,有效提供控制水平。

气动阀门执行机构

本阀门气动执行机构主要由控制器和执行器组成,阀门气动执行机构的控制器采用西门子S7-200可编程控制器为核心,配以相应的外围电路。明显简化了系统的结构,提高可控制精度,本设计方案控制精度要求达到0.5%。系统工作原理如图1。

(1)阀门机械执行器

本阀门执行机构采用气动内曲线马达作为动力元件,配置一套行星减速机构,同轴安装。利用压缩空气推动执行器内多组组合气缸活塞,传力给横梁和内曲线轨道的特性,带动空芯主轴作旋转运动,压缩空气通过配气盘输至各缸,改变进出气位置可以改变主轴旋转方向。根据负载(阀门)所需旋转扭矩的要求,可调整气缸组合数目,带动负载(阀门)工作。

(2)可编程控制器系统智能控制器软件核心部分框图

控制器接收来自控制中心的DC-20mA的电信号,该模拟信号接入PLC的模拟量模块;或者,控制器接收来自控制中心的数字信号,即阀门开度圈数。圈数直接写入PLC的控制单元,作为阀门工作指令,并与阀门开度反馈信号比较,由PLC判断处理,以确定气动阀的开关状态;正转、反转或者停止,再将阀门实际开度传回控制中心。阀门实际开度和主轴旋转方向由接近开关通过安全栅传回PLC,以便监视阀门运行状态。

控制器硬件

对控制器的基本要求是,能够实时显示采集阀门的状态信息,并加以分析、判断、控制气动阀门的正确运行,实时显示气动阀门的开度,同时保持与控制中心的通信。

考虑开关量输入输出的数量,模拟量输入精度及连锁等各方面情况,选用西门子S7-200系列可编程控制器,CPU型号为CPU-222。这种PLC小型、紧凑,可以直接装在电气常用的35mm标准导轨上;本机带有8个输入点和6个输入点,还可扩展2个模块,包括模拟量模块;机内有256个定时器/计数器,足够编程人员使用;内置24V直流电源;指令执行速度快,每条指令执行时间为0.37us;编程可用手持编程器,方便现场调试,也可以用个人PC,方便在研制场所编制程序及归档文件和打印输出。

模拟量单元采用EM235组合模块,此模块有4路模拟量输入,2路模拟量输出。主要技术数据为:输入类型为差分输入;输入电流为0~20mA;数模转换时间小于250us;量程范围为0~32000;A/D转换精度为12位;电流输出稳定时间为2ms。

PLC配置为:主机:6ES7212-1AB20-0XB0;模拟量组合模块:6ES7235-0KD20-0XA0。

软件编程和模拟量处理

软件核心部分框图如图2。阀门的控制分为手动控制和自动控制两种方式,用户可根据实际操作的需要选择相应的工作方式。手动方式下,分别有正转、反转和停止三个按钮,用户可以让阀门正、反转并停止在任意位置,一般用于粗调阀门位置或者标定阀门圈数时使用。其中各个开关量控制、定时、计数、连锁等常规控制用顺序控制方式的编程,这里不再阐述;自动方式下,由上位机给出4~20mA的模拟量信号,PLC根据模拟信号和标定的总阀门圈数,确定阀门开度,下面重点描述模拟量的处理问题。

(1)模拟量输入整定

阀门控制信号为4~20mA代表着阀门从0开度到满量程开度,以阀门总圈数500圈计算,各量之间的对应关系如表1。

在一般线性情况下

阀门开度=(A/D转换结果-6000)x500/26760死区控制梯形图

实验发现,如果直接使用A/D转换结果调试程序,模拟量的输入值变化太大,观察AIW2,随着4~20mA变化,AIW2应该在6000~32000变化。观察时看到,AIW2后两位数字都在跳动,这种情况无法参与控制。针对这种情况,从软件入手,进一步调整模拟量输入的稳定状况。方法是从AIW2取输入值,求多次采样的平均值,依据计算出的平均值输出,控制阀门运行。由于S7-200的指令处理较快,模拟转换时间也短,在几十us,且模拟量读数灵敏度较高,而本控制系统中,对转换时间要求不高,所以可以采用多次采样取平均值方法,来处理输入值。可以采用128次的平均值,求取平均值后放到VD18中,则每次读取时间还是在ms级,完全满足要求。经过上诉软件处理之后,VD18中的值只有一位在变,且是单个跳变,可以达到控制的要求。梯形图程序如图3。

(2)模拟量输出处理

模拟量输出要求从输出电流可以反映阀门现行开度,即电流输出值与阀门开度成比例。把现行阀门开度值放入VD64,由表1算出输出电流值,计算公式如下:

输出值=VD64x26760/500+6000

梯形图程序和输入时相似,不再阐述。

(3)死区设置

在实际应用中发现,由于A/D值zui后一位还是有跳变,在输入的模拟量变化时,计算出来的阀门开度会有跳变的情况出现,即PLC控制的继电器会有不断跳转的状况出现,阀门会反复开关,这在工业控制中是**不允许的。为了防止这种情况的出现,在程序中加入了死区控制,即当阀门达到设定值后,会对模拟输入重新判断,如果变化范围在死区之内时,PLC不会输出控制信号;只有当变化范围超过死区后,PLC才会输出控制信号。这样虽然对控制精度有所损失,但对工业控制来说,稳定性更加重要,实际应用中的控制效果也能达到要求。死区控制梯形图如图4。

图4中VW40为设定阀门开度值,CO为现行阀门开度值,判断后输出控制信号;VW70为死区值,死区值可以根据现场控制要求改变。

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