基于可編程序邏輯控制器的基礎(chǔ)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與探究

劉雪花,王 健

（黃岡科技職業(yè)學(xué)院,湖北黃岡,438000）

工業(yè)上用到的電子加速器通常都是束流光學(xué)、集核物理、電磁學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)以及制造技術(shù)多種技術(shù)綜合起來(lái)的一種高科技的新產(chǎn)品。基于PLC的電子加速器系統(tǒng)主要用在第一，燃煤電廠中對(duì)排出去的煙進(jìn)行除硫處理；第二，對(duì)橡膠輪胎進(jìn)行硫化處理；第三，電纜、電線以及熱收縮管線的輻照關(guān)聯(lián)生產(chǎn)；第四，對(duì)谷物進(jìn)行殺菌處理等很多的用途。整個(gè)PLC控制系統(tǒng)包含很多的調(diào)節(jié)測(cè)量信號(hào)，通過(guò)這些信號(hào)的輸入輸出就可以進(jìn)行具體的操作了。

1 確定方案以及相關(guān)的技術(shù)要求

對(duì)可編程序邏輯控制器來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案的確定是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗刂频哪繕?biāo)是工業(yè)上會(huì)用到的電子加速器，對(duì)這種設(shè)備進(jìn)行控制的系統(tǒng)必須要擁有非常高的可靠性、安全性以及穩(wěn)定性。

電子加速器的工作環(huán)境通常都是非常惡劣的，如果使用的是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，當(dāng)計(jì)算機(jī)在工作的時(shí)候那些輸入和輸出的信號(hào)就會(huì)受到環(huán)境的干擾，這樣就會(huì)對(duì)控制的結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差，還有就是電子加速器是一個(gè)強(qiáng)束流、高電壓的設(shè)備，電子加速器本身就是一個(gè)對(duì)電磁信號(hào)有非常大干擾的源泉，此外還會(huì)有一些通過(guò)空間引入的干擾，并且以上說(shuō)到的干擾其干擾能量都是非常大的，這時(shí)候?qū)π盘?hào)的輸入和輸出就會(huì)造成非常大的影響。

我們選擇的控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：第一，非?？煽康陌踩Ｗo(hù)能力，可防止在出現(xiàn)事故時(shí)對(duì)設(shè)備和人身造成傷害；第二，電子加速器應(yīng)擁有比較高的穩(wěn)定性；第三，系統(tǒng)能夠自動(dòng)穩(wěn)流、穩(wěn)壓；第四，盡量提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，這樣可以減少不必要的人員操作，在設(shè)備工作的時(shí)候也可以減小危害；第五，應(yīng)該設(shè)計(jì)成為每個(gè)功能單元都可以進(jìn)行擴(kuò)充，這樣PLC控制系統(tǒng)能夠做到的控制范圍就更加廣泛了；第六，能夠自動(dòng)去打印電子加速器在運(yùn)行時(shí)候的一些參數(shù)以及歷史數(shù)據(jù)這樣就可以時(shí)刻了解加速器的運(yùn)行狀態(tài)了，可在第一時(shí)間掌握實(shí)時(shí)情況，并且能夠?qū)ふ业浇鉀Q這些問(wèn)題的方法；第七，擁有比較友好的人機(jī)界面，并且能夠呈獻(xiàn)給人們動(dòng)態(tài)的或者是直接的流程畫面，進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)；第八，維修的時(shí)候應(yīng)該比較方便，同時(shí)應(yīng)該具有比較多的工作模式；第九，除了系統(tǒng)本身已經(jīng)設(shè)定好的參數(shù)能夠進(jìn)行比較穩(wěn)定的運(yùn)行之外，當(dāng)操作人員對(duì)一些參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行修改的時(shí)候設(shè)備能夠按照操作人員的指令去工作。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則以及對(duì)硬件的選擇

2.1 控制系統(tǒng)的抗干擾能力

把計(jì)算機(jī)技術(shù)作為核心內(nèi)容的電子加速器系統(tǒng)必須要有非常好的抗干擾的能力，只有在抗干擾能力方面有一個(gè)非常好的表現(xiàn)才能夠把這個(gè)系統(tǒng)投入到工業(yè)使用當(dāng)中去。

2.2 S7-200PLC的優(yōu)點(diǎn)

這里我們選擇的是西門子生產(chǎn)的S7-200這個(gè)系列的PLC，使用這種控制系統(tǒng)作為核心設(shè)備是有很多優(yōu)點(diǎn)的：第一，PLC是按照工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用到的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在檢測(cè)的時(shí)候也能夠符合這種系統(tǒng)，我們會(huì)選擇那些在工業(yè)上通用的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，在抗電磁噪聲能力方面的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)選擇通用的，PLC系統(tǒng)的可靠性都是非常高的；第二，PLC系統(tǒng)的控制系統(tǒng)是非常好的，它能夠完成對(duì)對(duì)數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出工作、數(shù)值比較運(yùn)算、順序邏輯控制、PID運(yùn)算、定時(shí)、中斷處理以及延時(shí)等多種功能；第三，PLC系統(tǒng)的外部控制電路對(duì)模擬量的輸入和輸出具有較好的隔離和濾波功能，能從供電電源的電壓穩(wěn)定以及停電保護(hù)方面進(jìn)行對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。基于上述理由可保證可編程序邏輯控制器在受到比較嚴(yán)重的電磁干擾之后還能夠正常的工作。

3 控制系統(tǒng)的硬件組成

這里我們選用的是西門子公司出產(chǎn)的S7-200系列的可編程序邏輯控制器充當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的核心。因?yàn)檫@是一個(gè)非常經(jīng)典的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能夠完成許多的工業(yè)操作，對(duì)企業(yè)的財(cái)產(chǎn)安全、工作人員的人身安全以及其他方面有擁有很好的保護(hù)作用。

本機(jī)采用西門子CPU226，具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊、13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器、2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出、具有PID控制器、2個(gè)RS485通訊/編程口、具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。西門子CPU226適用于較高要求的控制系統(tǒng)，可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。

3.1 束流穩(wěn)定的系統(tǒng)

首先我們應(yīng)該通過(guò)取樣電阻的方式把第二級(jí)的電流信號(hào)采集好（這個(gè)信號(hào)表示的只是電子流束的大小而已），當(dāng)束流信號(hào)傳送到PLC模擬輸入端的時(shí)候，就會(huì)通過(guò)PID回路進(jìn)行預(yù)算，然后再通過(guò)模擬輸出端把已經(jīng)得到控制的信號(hào)通過(guò)運(yùn)放和光隔離的裝置把控制電子槍當(dāng)中的電流連通起來(lái)，這樣就能夠形成一個(gè)閉合的回路了。然后還要把束流信號(hào)和最大的電流進(jìn)行設(shè)定比較，假如束流信號(hào)比最大的設(shè)定電流還大的話，這樣硬件給出的保護(hù)信號(hào)所起到的作用就不大了。

3.2 能量的穩(wěn)定系統(tǒng)

我們選用的系統(tǒng)擁有著兩種穩(wěn)定模式：能量穩(wěn)定模式和變頻器穩(wěn)定模式。

能量穩(wěn)定模式：這種模式是通過(guò)分壓電阻去取得能量的各個(gè)分壓值，并把這個(gè)值通過(guò)濾波電路然后再傳送到PLC系統(tǒng)的模擬輸入端去。通過(guò)PLC的模擬輸出端傳出控制信號(hào)，把這個(gè)信號(hào)放大之后添加到勵(lì)磁線圈之上就可以了。這種方法主要是通過(guò)把變頻器的信號(hào)輸入改變成為電動(dòng)機(jī)的輸入電壓值，其實(shí)就是把初級(jí)線圈上的電壓值改掉，這樣就可以把能量穩(wěn)定了，我們的目的也就達(dá)到了。如果單純的只是想改變能量而已，那么把計(jì)算機(jī)的給定值改變就可以了，但是這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是我們需要的。通常來(lái)說(shuō)，我們應(yīng)該把能夠檢測(cè)到的能量電壓和最高的能量設(shè)定硬件相比較，這樣就能夠在最短的時(shí)間內(nèi)對(duì)電流和電壓進(jìn)行一種保護(hù)了，也就是對(duì)設(shè)備的保護(hù)。

變頻器穩(wěn)定模式：這種模式只適用于電子加速器的調(diào)試工作。我們可以通過(guò)傳感器的測(cè)量來(lái)得到中頻的電動(dòng)機(jī)輸出電壓，這時(shí)候把得到的數(shù)值和計(jì)算機(jī)的設(shè)定電壓進(jìn)行對(duì)比運(yùn)算，最后把給出的控制信號(hào)加到控制電機(jī)兩端去，這樣就能夠讓電機(jī)的電壓達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，同時(shí)這時(shí)候也可以改變電機(jī)的電壓值。

3.3 校準(zhǔn)和掃描系統(tǒng)

這個(gè)系統(tǒng)的主要作用就是要保證束流能夠均勻的轉(zhuǎn)過(guò)鈦箔之后還能夠進(jìn)入到輻照去進(jìn)行物品的加工工作，這樣能夠把束流分散到鈦箔之外，存留在鈦箔區(qū)域的束流會(huì)很少，鈦箔燒毀的可能就很小了，同時(shí)鈦箔的壽命也會(huì)得到一種保障。這個(gè)系統(tǒng)還能夠讓那些進(jìn)入到空氣中的電子去按照需要的軌跡去進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這樣就可以滿足那些比較特殊的輔照工藝的工藝要求了。

3.4 對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的保護(hù)工作

第一，我們應(yīng)該設(shè)置出工作狀態(tài)下的信號(hào)的連鎖，通過(guò)不同的狀態(tài)信號(hào)去把這些設(shè)備的運(yùn)行情況做一個(gè)系統(tǒng)的總結(jié)；第二，將發(fā)出的信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)中去；第三，當(dāng)加速器工作的時(shí)候應(yīng)該把模式改為調(diào)試模式，這樣加速器就可以為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)旁路了，這時(shí)候系統(tǒng)就會(huì)相對(duì)穩(wěn)定很多。

4 對(duì)軟件部分的設(shè)計(jì)

我們可以把控制部分的軟件分成是兩個(gè)部分，分別是應(yīng)用控制程序以及上位機(jī)的監(jiān)測(cè)管理程序，下面我們對(duì)這兩部分進(jìn)行一個(gè)比較詳細(xì)的了解。

4.1 應(yīng)用控制程序

我們這里講到的是由西門子提供的一種控制程序的編程軟件。這種編程軟件只能在windows系統(tǒng)上才能夠運(yùn)行，這種軟件的編程語(yǔ)言主要有梯形圖（LAD）、語(yǔ)句表（STL）、功能塊（FBD），SIMATIC STEP7編程軟件能夠很簡(jiǎn)單的把程序進(jìn)行編譯、修改以及調(diào)試工作，能把已經(jīng)編制好的程序下載到PLC系統(tǒng)中去，同時(shí)這種編程軟件還有非常好的編輯功能，能夠把程序進(jìn)行編輯、打印、存盤等工作。

4.2 上位機(jī)監(jiān)測(cè)管理程序

我們能夠根據(jù)各個(gè)分機(jī)的不同功能去把控制程序進(jìn)行分類，控制程序可以分為：第一，設(shè)置PLC的地址、連通上位機(jī)通訊；第二，加速器運(yùn)行程序（主要包括連鎖控制、緊急保護(hù)控制、關(guān)機(jī)、加速器自動(dòng)開機(jī)、工作模式的設(shè)定、遠(yuǎn)程控制以及程序符合等）；第三，能量穩(wěn)定程序以及束流工具。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)電子加速器中的可編程序邏輯控制器系統(tǒng)已經(jīng)處于一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，那些對(duì)PLC系統(tǒng)的運(yùn)行有比較大影響的因素基本上已經(jīng)得到了解決，由于控制系統(tǒng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定了所以現(xiàn)在的電子加速器在工業(yè)中的應(yīng)用也是越來(lái)越廣泛了。

[1] 白金.基于S7-200 PID指令算法的恒壓供水自動(dòng)化系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用. 2009（12）

[2]馮國(guó)良,嚴(yán)利.一種新型PID控制算法及其仿真分析.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào),2010年9月第8卷第3期

[3]劉元洋,劉德博主編.自動(dòng)檢測(cè)和過(guò)程控制.北京冶金工業(yè)出版社,2011.10