基于PLC的調(diào)節(jié)閥控制器研究
調(diào)節(jié)閥主要用于電站系統(tǒng)調(diào)節(jié)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(shù)，通過(guò)應(yīng)用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)維護(hù)電站系統(tǒng)
的正常運(yùn)行。
2 調(diào)節(jié)閥簡(jiǎn)介
2.1 調(diào)節(jié)閥的概述及構(gòu)成
調(diào)節(jié)閥又稱(chēng)控制閥（ControlValve），它是過(guò)程控制系統(tǒng)中用動(dòng)力操作去改變流體流量的裝置。根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)中的控制信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)介質(zhì)流量、壓力、溫度和液位的調(diào)節(jié)。
調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥組成見(jiàn)圖1。執(zhí)行機(jī)構(gòu)起推動(dòng)
的作用，閥起調(diào)節(jié)流量的作用。
圖1 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥
2.2 調(diào)節(jié)閥的工作原理
根據(jù)流體力學(xué)可知，調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對(duì)不可壓縮流體，調(diào)節(jié)閥的流量
（1）
式中，Q-流量；Kv-流量系數(shù)；△P-閥門(mén)前后壓差；V-閥門(mén)介質(zhì)比容；α-流量裕度系數(shù)。
此公式用于在節(jié)流部位的雷諾數(shù)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(shù)Kv值與閥門(mén)的流通能力和節(jié)流面積有關(guān)，不同的閥門(mén)對(duì)應(yīng)不同的Kv值。調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)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(diào)介質(zhì)的流量。
2.3 調(diào)節(jié)閥的流量特性
調(diào)節(jié)閥的流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過(guò)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系。
調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥前后壓差固定不變情況下的流量特性有直線、等百分比、拋物線及快開(kāi)4種特性。
在實(shí)際系統(tǒng)中，閥門(mén)兩側(cè)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(dāng)系統(tǒng)流量減少時(shí)由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加；②當(dāng)流量減少時(shí)，盤(pán)管上的阻力也減少，導(dǎo)致閥門(mén)壓力較大。因此調(diào)節(jié)閥前后的壓差通常是變化的，在這種情況下，調(diào)節(jié)閥相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系，稱(chēng)為工作流量特性
3 基于PLC的調(diào)節(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換。
3.2 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成
典型的PLC模擬量單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖2所示。
圖2 PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)原理
在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量c（t）（例如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等）是連續(xù)變化的模擬量，大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（例如晶閘管調(diào)速裝置、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和變頻器等）要求PLC輸出模擬信號(hào)mv（t），而PLC的CPU只能處理數(shù)字量。c（t）首先被測(cè)量元件（傳感器）和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流信號(hào)或直流電壓信號(hào)pv（t），例如4～20mA，1～5V，PLC用A/D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量pv（t）。
模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換和PID程序的執(zhí)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(shù)字量括號(hào)中的n表示該變量是第n次采樣時(shí)的數(shù)字量。
圖中的sp（n）是給定值，pv（n）為A/D轉(zhuǎn)換后的反饋量，誤差ev（n）=sp（n）-pv（n）。
D/A轉(zhuǎn)換器將PID控制器輸出的數(shù)字量mv（n）轉(zhuǎn)換為模擬量（直流電壓或直流電流）mv（t），再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想
首先對(duì)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，電容式壓力傳感器實(shí)時(shí)傳輸壓力信號(hào)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(zhí)行將傳感器傳來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成為對(duì)調(diào)節(jié)閥閥位開(kāi)度的控制指令，*終實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)部壓力的控制。
如圖3所示，系統(tǒng)規(guī)定壓力設(shè)定值為8kPa，在實(shí)際工廠的環(huán)境中，管道內(nèi)部壓力允許在一定范圍內(nèi)變化，所以以設(shè)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(dāng)測(cè)量元件測(cè)出管道壓力大于9kPa時(shí)，信號(hào)經(jīng)PLC后輸出一個(gè)使調(diào)節(jié)閥電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門(mén)開(kāi)度減小的指令；反之，當(dāng)測(cè)出壓力小于7kPa時(shí)，PLC輸出一個(gè)使調(diào)節(jié)閥電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)度開(kāi)大的指令；而管道壓力處于7~9kPa時(shí)，調(diào)節(jié)閥電動(dòng)機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)。
圖3 調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)原理
3.4 PLC控制系統(tǒng)的一般步驟
可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的主要步驟如下：深入了解和分析被控對(duì)象的工藝條件和控制要求；確定I/O設(shè)備；選擇合適的PLC類(lèi)型；分配I/O點(diǎn)；設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖程序；將程序輸入PLC；進(jìn)行軟件測(cè)試；應(yīng)用系統(tǒng)整體調(diào)試。
3.5 PLC的硬件組態(tài)
硬件組態(tài)，就是使用STEP7對(duì)SIMATIC工作站進(jìn)行硬件配置和參數(shù)分配。所配置的數(shù)據(jù)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(xiàng)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(diào)節(jié)閥點(diǎn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的接點(diǎn)“開(kāi)閥”“、關(guān)閥”相連接，為使實(shí)現(xiàn)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 中間繼電器線路圖
互鎖功能的實(shí)現(xiàn)：
（1）當(dāng)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(dǎo)致繼電器2無(wú)法接通。
（2）同理，當(dāng)繼電器2接通時(shí)，此時(shí)繼電器1無(wú)法接通。
在設(shè)置了軟、硬件互鎖之后，“開(kāi)閥”與“關(guān)閥”不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，有效的為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供了**保護(hù)。
3.7 系統(tǒng)調(diào)試
在完成程序編程和連接外部電路之后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)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(diào)節(jié)電阻箱模擬傳感器向PLC輸入信號(hào)，通過(guò)變量監(jiān)視窗口可以觀察到，在壓力的各個(gè)范圍內(nèi)相應(yīng)的開(kāi)閥、關(guān)閥和點(diǎn)動(dòng)指令的執(zhí)行。調(diào)試完畢后，經(jīng)檢驗(yàn)程序邏輯正確，運(yùn)行正常，實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制，達(dá)到了預(yù)期的目的。
4 結(jié)語(yǔ)
基于PLC的調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，依據(jù)與S7-300PLC相連的壓力傳感器傳回的參數(shù)信號(hào)，采集控制系統(tǒng)中所需要的數(shù)據(jù)量，通過(guò)PLC的編程實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中壓力實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并調(diào)節(jié)參數(shù)的波動(dòng)范圍在允許的范圍之內(nèi)，維護(hù)電廠的正常運(yùn)行。