基于PLC的控制系统在滤汁快速沉降器中的应用

1基于PLC的控制系统在滤汁快速沉降器中的应用陈家川梁积勋（南宁吉然糖业技术有限公司，广西南宁市530028）摘要：本文介绍了基于S7-200PLC与触摸屏的滤汁快速沉降器控制系统，对系统的控制流程及硬件配置进行了说明，并给出了各工艺测点的具体控制方案。关键词：PLC；触摸屏；PID控制；分段控制ApplicationofControlSystemBaseonPLCintheFiltrateRapidClarifierCHENJia-chuanLIANGJi-xun(NanningJiransugartechnologyCo.,Ltd,NanningGuangxi530028)Abstract：ThefiltraterapidclarifiercontrolsystembasedonPLCandtouchscreenisintroducedinthispaper.Thecontrolprocessesandhardwareconfigurationaredescrided,andthespecificcontrolschemesofeachmeasuringpointsarealsoprovided.Keyword:PLC;Touchscreen;PIDcontrol;Sectionalcontrol1引言：在糖厂滤汁快速沉降器系统的控制中，通常包含滤汁缓冲箱液位控制、滤汁加热温度控制、絮凝剂添加控制等诸多操作。而在滤汁快速沉降器岗位中，每个班的人员配置一般为一名岗位操作工，在人手不足以及生产工况不稳定的情况下，采用自动控制系统对滤汁快速沉降器系统进行集中控制具有十分重要意义。2工艺流程：滤汁进入缓冲箱后，通过变频泵输送到加热器，利用汁汽或废汽进行加热至95~100℃，然后经过散气箱进行散气，再进入沉降器主体，同时计量泵根据滤汁流量按比例加入2~3PPM絮凝剂，滤汁在沉降器主体内进行沉降，清汁直接从出口流出，经曲筛过滤后流入清汁箱，而泥汁从底部流出至吸滤机。工艺流程见图1。滤汁缓冲箱M絮凝剂箱滤汁快速沉降器曲筛TE101FT101M汁汽TIC101TV101FIC101散气箱MMV101FIC102加热器LT103LIC103MC103FT101MPP泥汁M图1.工艺流程图3系统的构成：控制系统采用西门子S7-200系列PLC作为数据采集和处理的核心，通过信号隔离模块对现场测量信号进行滤波和隔离处理，MCGS触摸屏作为人机交互界面，并配有手操器作为备用操作，从而提高系统的可靠性。系统配置见表1。工艺现场安装热电阻、液位变送器、电磁流量计、电动调节阀、变频器等仪表设备，对各个测控点进行测量和控制。序号名称型号数量1触摸屏TPC1062KS1块2CPUCUP224CN1块3西门子模块EM232CN2块4西门子模块EM235CN3块5隔离变送模块NHR-M315块6温度变送模块NHR-M321块7配电隔离模块NHR-M331块8数显表NHR-1100F2台9手操器NHR-5500F4台表1.系统配置表触摸屏与S7-200PLC之间的通讯采用RS485串行接口和PPI通讯协议，S7-200PLC内部已将PPI通讯协议固化在芯片中，设备连接组态时，将2MCGS触摸屏的设备组态相应设置为西门子S7200PPI。通讯波特率设置为9.6kbps，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。西门子的PPI（PointtoPoint）通讯协议采用主从式的通讯方式，一次读写操作的步骤包括：首先上位机发出读写命令，PLC作出接收正确的响应，上位机接到此响应则发出确认申请命令，PLC则完成正确的读写响应，回应给上位机数据。这样收发两次数据，完成一次数据的读写。图2.通讯接口示意图通过触摸屏内嵌的MCGS组态软件，进行设备组态、数据库组态和画面组态等，实现人机交互。控制系统画面包括监控画面、参数设置、历史趋势、登录界面。在监控画面里，运行人员能够监视各个控制设备的运行状态、设备故障报警及液位、流量等信号。图2.监控画面4系统控制方案：4.1缓冲箱液位控制：通过单法兰液位变送器对滤汁缓冲箱的液位进行测量，信号类型为4~20mA，该信号经隔离器处理后由PLC模拟量输入通道进行信号采集和处理。由于糖厂生产中各方面的原因，滤汁来汁量时常不稳定，导致缓冲箱液位波动较大，实践表明，若采用传统的PID控制方式，每次滤汁来汁量的变化，造成系统的干扰，使得输出量跟着变化，连续的扰动使得滤汁进汁流量不稳定，这对于生产工艺极其不利。故采用液位分段控制的方式，可将液位高度分为4段，在每段液位范围内，滤汁泵输出某一固定的流量，液位越高，泵输出流量越大，每段液位对应的泵输出值可由经验值获得。在每段液位范围之间设置死区，以此消除控制的频繁波动。此控制方式可使液位在某一高度范围时，正反作用的干扰相互抵消，输出流量恒定不变，从而使滤汁流量最大程度的保持稳定，同时也能很好地跟随滤汁来汁量的变化。4.2滤汁加热温度控制：采用PT100热电阻对滤汁二次加热温度进行测量，经温度变送模块转换为标准4~20mA信号后，由PLC采集并运算得出滤汁实际温度值。温度量程设置范围设置为0~200℃。采用前馈+PID控制算法，以滤汁泵的出口流量作为前馈变量，结合S7-200PLC的内部PID指令构成温度控制算法。系统方框图如图3所示。PID指令的控制算法[1]Mn=Kc*en+KI*en+MX+KD*(en-en-1)将前馈控制量加入PID控制量构成前馈+PID控制算法：Mout=Mn+Kf*Vf即：Mout=Kc*en+KI*en+MX+KD*(en-en-1)+Kf*Vf其中：Mn采样时间n的回路输出计算值Mout输出控制量Kc回路增益en采样时间n的回路偏差值en-1回路偏差的前一个数值（采样时间n-1）KI积分项的比例常数MX积分项的前一个数值（采样时间n-1）KD微分项的比例常数Kf前馈系数Vf泵出口流量图3.控制系统方框图前馈控制器PID控制器控制阀受控对象温度变送器偏差控制量-操纵量测量值受控变量++干扰设定值34.3絮凝剂自动添加控制：通过电磁流量计对滤汁流量进行测量，根据滤汁流量按比例添加絮凝剂，絮凝剂添加量的计算公式如下：絮凝剂计量泵输出流量=滤汁流量×滤汁比重×配比率(PPM)×0.001÷絮凝剂浓度絮凝剂计量泵输出百分比=絮凝剂计量泵输出流量÷絮凝剂计量泵最大量程由程序计算出絮凝剂计量泵的输出百分比后，换算得出4~20mA控制信号，传送至变频器AI接口，调节变频器的输出频率，控制计量泵的转速，从而实现按比例添加絮凝剂。絮凝剂添加控制程序如下：Network1//控制参数初始化LDSM0.1MOVR2.5,VD60MOVR1.06,VD64MOVR0.075,VD68Network2//絮凝剂体积流量计算LDSM0.0LPSMOVRVD4,AC3AENO*RVD60,AC3AENO*RVD64,AC3LPP/R10.0,AC3AENO/RVD68,AC3Network3//计量泵手自动控制切换LDSM0.0LPSAM0.1MOVRAC3,VD72/R1000.0,AC3AENOMOVRAC3,VD76LPPANM0.1MOVRVD72,VD76/R1000.0,VD76Network4//计量泵控制量输出LDSM0.0LPSMOVRVD76,AC2*R25600.0,AC2AENO+R6400.0,AC2LRDROUNDAC2,AC2AENODTIAC2,AC2LRDAI0.0MOVWAC2,AQW8LRDAI0.1MOVWAC2,AQW12LPPAI0.0AI0.1MOVWAC2,AQW8AENOMOVW0,AQW124.4刮泥电机转速控制和排泥流量控制：两者通常不需要频繁操作，均可在触摸屏上进行手动操作。刮泥电机采用变频器控制，启动变频器后将其控制频率固定在12HZ左右即可。排泥电动调节阀的开度通常固定在20%~30%之间，也可以在触摸屏上根据排泥流量适当调整阀门的开度。5结束语采用PLC和触摸屏为核心构建的滤汁快速沉降器控制系统，具有界面直观，操作方便，稳定性和灵活性高等特点，在糖厂实际应用当中，不仅减少了司泵岗位工对滤汁泵的操作，也使沉降器岗位操作简单轻松。生产工艺上，滤汁温度控制稳定，絮凝剂添加量更为精确，系统达到了稳定生产，提高工艺品质，节省劳动力的目的。参考文献：[1]SIMATICS7-200可编程序控制器系统手册[M].北京:机械工业出版社,2002.[2]西门子（中国）有限公司.深入浅出西门子S7-200PLC（第三版）[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.[3]陈建明.电气控制与PLC应用[M].北京:电子工业出版社,2009.