新一代小型PLC的应用

　　自EMERSON EC20系列PLC推向市场以来，以其卓越的性能，高品位的性价比，完善的服务体系受到用户好评，产品广泛应用于电子、食品饮料、空调制冷设备、锅炉、物流仓库、科技农业、交通运输、石油化工、供水、玻璃/钢铁、纺织机械、线缆机械、塑机、印染包装等各个领域。本文介绍了EC20小型PLC在老化房控制系统中的应用，并着重阐述了该产品的PID闭环功能在恒温控制上的实现和强大的网络通信功能对EMERSON EV2000变频器运行控制的实现。
   
    老化房控制系统工艺要求
   
    该老化房控制系统是家电、电子、电脑行业产品生产检测的重要设备，也是产品生产合格检查的重要环节。该系统采用EMERSON EC20 PLC和多台EV2000变频器，实现对室内温度和变频器运行的集中控制。老化房结构如图1所示： 主要要求如下：

    （1）该系统所控制的老化房面积达16m×30m，要求控制范围在20℃～55℃，控制精度达±5℃，能够在上位机对温度设定/显示/保存。

图1 老化房结构示意图

    （2）该系统有3个风机，用于进风，回风和排风；有4个风闸：进风闸，回风闸，排风闸，防火闸；2个防尘过滤网；6个火灾报警点；在正常情况下（温湿度），关闭进风阀和排风阀，停止进风电机和排风电机，打开回风阀和防火阀，启动回风风机，保持老化房内回风循环；在高温情况下，排风阀和进风阀打开，启动排风电机和进风电机，抽出部分空气；在火灾报警情况下，防火阀关闭，回风禁止循环，全部从室内抽出；同时排风阀和进风阀打开，启动排风电机和进风电机，抽出室内空气。
   
    PLC控制原理
   
    PLC系统结构如图2所示：

图2 EC 20系列PLC结构示意图

    根据老化房工艺要求组成如图2的控制系统：上位机采用台湾研华IPC（工控计算机）；监控画面采用亚控公司的KINGVIEW软件，该软件操作简单，元件形象丰富，性能稳定；核心控制部分采用艾默生EC20-2012BTA类型的PLC和4个温度采集模块（EC20-4TC，接受K型温度信号）；传动采用艾默生EV2000通用型变频器。
   
    在设备连接方面，EC20 PLC充分体现了自身的优势，由于EC20 PLC本身带有2个串行通信口（1个RS232口，集成自由协议/编程协议/MODBUS从站协议，1个RS232/485口，集成自由协议/MODBUS主站/从站协议），EC20 PLC利用COM0口和IPC进行通信（EC20 PLC做从站，设置成MODBUS从站协议），利用COM1和多台变频器组成网络进行集中控制（EC20 PLC的COM1设置成MODBUS主站协议）。
   
    IPC为整个系统的人机接口，IPC读取PLC采集的系统运行状态如各风机的运转状态，各测温点温度，报警状况并显示在监控画面上，IPC又把各种操作命令传给PLC以控制系统的运行，如温度的设定，PID参数设定，各种阀门的开闭，变频器的启动、停止等设定。并且可以实时监控整个系统的工作运行状态、动作过程及故障报警等，IPC还可以根据设定对采集的数据进行保存打印。
   
    在系统设计中，EC20 PLC为整个系统的核心，执行各种系统操作及计算，EC20 PLC根据工艺要求和现场状况进行逻辑判断，开闭各种阀门和启停各风机；同时利用自身的PID功能对温度进行控制，具体方法后面描述。
   
    艾默生EV2000系列变频器自带RS485接口的通讯单元，符合RS485通讯规范，用于实现PLC与多台变频器的联网。根据MODBUS通讯协议，可以通过RS485网络轻松实现对变频器的运行控制。由于RS485通讯链路传输距离远、配线简单、抗干扰能力强、可靠性高，因此在设计中，我们省略了变频器的外部起停控制线路，对变频器的所有控制都通过RS485通讯链路来完成，达到了经济高效的目的。
   
    监控画面
   
    整个系统监控画面主要分为主画面（如图3），实时温度监控（如图4），PID参数设定（如图5），三个部分（其他部分省略），具体如下：

图3 主画面

    主要完成对系统状态的监控（如各种风阀的开闭状态，风机的运行状态，报警状态），数据统计（如系统运行的时间，启停系统的次数），温度设定/测量等功能。

图4 实时温度监控画面

    主要用于对温度的实时监控，并描绘出温度曲线趋势，以便判断系统的温度控制是否处于良好状态，同时可以实现对温度进行保存/打印等操作。

图5 PID参数设定画面

    主要用于比例常数P、积分常数I、微分常数D的设定，同时根据实时温度曲线状况进行调节；同时显示PID控制的输出比例。

    对温度控制的实现
   
    为便于对整个老化房内温度的控制，同时充分利用EC20 PLC自身PID功能和PWM脉冲输出（Y0，Y1）的优势，室内温度区域分为2个部分（上层和下层各8个测温度点），对温度取平均值作为温度的测量值，并把此平均值送入PID功能块进行运算，同时对加热执行元件也进行了分组处理：温度偏差较小的情况下，进行PID运算，通过Y0输出脉冲给SSR1，同时关闭SSR2，SSR3（即Y1，Y2停止输出）；如果温度偏差较大，则Y1，Y2也参加输出，具体处理思路如下：
   
    通过此法处理可以把温度控制精度保持在±0.3℃以内,而且无论提升温度还是下降温度都很快速；同时把PID输出转化为PWM的占空比输出，又大大节省了PLC的资源（充分利用Y0，Y1的高达100KHZ的脉冲输出功能）。
   
    EC20 PLC的编程软件CONTROLSTAR的操作简单方便，指令丰富，功能强大，是一个很优秀的全中文编辑工具。
   
    实现步骤具体如下：首先，在数据块设定PID各参数，其中的重点是设置P，I，D三个参数和输出量的上下限范围，由于PID的输出结果直接和PWM结合在一起，所以设置时要特别注意，在本例子中，按照PWM的周期为4s（=4000MS）计算，把PID的输出上下限分别设定为4000和0；另外按照逆动作（BIT0=1），输出限定（BIT5=1）的要求对D7911各位进行赋值。其次,在程序里调用PID指令和PWM指令用于控制Y0的输出（对SV和PV的比较而进行的逻辑控制输出较简单，故此处省略）。

　　对变频器的启停控制
   
    由于EMESON EC20 PLC和EV2000变频器（非标）都集成MODBUS协议，所以实现它们的通信相对比较简单，整个网络采用RS485通信方式。

图6 EC20 PLC对各设备接口通信参数的设置

    （1）各设备接口通信参数设置，对EC20 PLC设置如图6所示。
    （2）EV2000的设置要点：各通信参数要和EC20 PLC一致；各变频器的地址要有自己惟一的从机地址；注意变频器的通信跳线开关CN14拨在RS485方向；变频器的延时应答设为(FF.03)30-50ms。
    （3）EC20PLC和变频器的连接：采用MODBUS RTU方式通信，Modbus采用“Big Endian”编码方式，先发送高位字节，然后是低位字节。
   
    该系统以前是采用IPC+控制I/O卡的方式进行控制的，但是存在系统稳定性能差，控制效果不理想，故障率高的缺点，自从改用EMERSON 的PLC作为系统的核心设备后，系统不仅达到良好的控制效果和很好的经济效益，同时比较容易维护。

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