PROFIBUS—PA網(wǎng)絡(luò)下氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用

安磊

摘 要：PROFIBUS-PA是工業(yè)總線中常見的通信方式，主要用于自動化系統(tǒng)中各現(xiàn)場設(shè)備之間的通信。文章以西門子S7-400 PLC、SAMSON氣動薄膜調(diào)節(jié)閥、SAMSON 3730-4定位器為例，對PROFIBUS-PA網(wǎng)絡(luò)下氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用做一探討。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS-PA；氣動薄膜調(diào)節(jié)閥；定位器；PID閉環(huán)控制

中圖分類號：TQ056.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）05-0089-02

1 概 述

PROFIBUS-PA用于過程自動化現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)傳輸，其特點是在現(xiàn)場使用過程中確保本質(zhì)安全和通過電纜同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和供電。氣動薄膜調(diào)節(jié)閥是根據(jù)定位器所提供的壓縮空氣工作氣壓來改變閥芯與閥座間的流通面積以調(diào)節(jié)介質(zhì)流量。在PROFIBUS-PA環(huán)境下應(yīng)用氣動薄膜調(diào)節(jié)閥，實際上是利用定位器接收到的PROFIBUS-PA網(wǎng)絡(luò)電流信號，來調(diào)節(jié)工作氣壓的大小以改變調(diào)節(jié)閥開度，確保介質(zhì)流量符合要求。

2 技術(shù)要點

2.1 PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA用于PLC與過程自動化的現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器的低速數(shù)據(jù)傳輸，其功能集成在起動執(zhí)行器、測量變送器和調(diào)節(jié)閥定位器等現(xiàn)場設(shè)備中。PROFIBUS-PA采用符合IEC 1158-2標(biāo)準(zhǔn)的傳輸技術(shù)，即曼徹斯特碼編碼與總線供電傳輸技術(shù)，以確保本質(zhì)安全，并通過總線直接給現(xiàn)場設(shè)備供電。采用曼徹斯特編碼傳輸數(shù)據(jù)時，從0到1的上升沿發(fā)送二進(jìn)制“0”，從1到0的下降沿發(fā)送二級制數(shù)“1”，傳輸速率為31.25 kbit/s?，F(xiàn)場設(shè)備通過DP/PA耦合器或DP/PA鏈接器接入網(wǎng)絡(luò)。

2.2 氣動薄膜調(diào)節(jié)閥

氣動薄膜調(diào)節(jié)閥由膜片、推桿、閥芯、閥座、彈簧等部件組成。其工作原理：

來自定位器的信號壓力，即壓縮空氣工作氣壓，通入到薄膜氣室時，在膜片上產(chǎn)生一個推力。

當(dāng)推力大于彈簧的作用力時，膜片帶動推桿向上移動，使閥芯和閥座之間的空隙增大，致使介質(zhì)流量增大。

當(dāng)信號壓力減小至小于彈簧作用力時，膜片帶動推桿向下移動，使閥芯和閥座之間的空隙減小，致使介質(zhì)流量減小。

當(dāng)信號壓力與彈簧作用力相等時，閥芯與閥座間的流通面積不再變化，致使介質(zhì)流量穩(wěn)定。

由此可見，氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的開度由信號壓力的大小決定，而信號壓力大小由定位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3 SAMSON 3730-4定位器

3730-4型PROFIBUS-PA定位器使用符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)進(jìn)行通訊及供電。其工作原理為：

PROFIBUS-PA信號通過IEC1158-2輸入模塊進(jìn)入定位器，經(jīng)過微處理器和D/A轉(zhuǎn)換器處理后，形成模擬量直流控制信號w，送至PD控制器（比例積分控制器）。閥位傳感器根據(jù)調(diào)節(jié)閥閥芯實際位置，經(jīng)過處理后形成閥位反饋信號x，送至PD控制器。PD控制器將x、w進(jìn)行對比及運算，輸出運算信號至電氣轉(zhuǎn)換器。在電氣轉(zhuǎn)換器的作用下，氣源氣壓根據(jù)輸出運算信號電流值的大小，被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)大小的工作氣壓。

工作氣壓在氣動放大器的作用下，將大流量同壓力的壓縮空氣作用在控制閥上，此處壓縮空氣的壓力即上節(jié)中所描述的信號壓力。

3 實例分析及實施

3.1 實例分析

本文以卷煙制造企業(yè)中回潮機(jī)控制加水流量為實例，說明氣動薄膜調(diào)節(jié)閥在PROFIBUS-PA網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用。

回潮機(jī)是卷煙制造企業(yè)制絲生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備，其工藝任務(wù)是對煙葉或煙絲進(jìn)行增溫增濕處理，確保物料水分及溫度符合工藝要求?；爻睓C(jī)對加水流量的控制方式為PID閉環(huán)，如圖1所示。

如圖所示，編號為1212的設(shè)備即為回潮機(jī)，編號為1209的設(shè)備為回潮機(jī)前對物料進(jìn)行稱重的電子皮帶秤。結(jié)合案例及PID閉環(huán)控制系統(tǒng)中的參數(shù)，sp為設(shè)定加水量，即物料瞬時重量（1209電子皮帶秤對物料進(jìn)行稱重獲?。┏艘约铀禂?shù)，被控量c為實際加水量，電磁流量計測量實際加水量后可得出實際加水量信號pv。sp和pv進(jìn)行比較得出誤差ev并將其輸入至PID控制器，控制器通過計算得出調(diào)節(jié)信號作用于控制加水流量的氣動薄膜調(diào)節(jié)閥。

根據(jù)以上分析，得出該實例的PID控制方式，如圖2所示。

3.2 案例實施

3.2.1 定位器參數(shù)設(shè)置

使用定位器控制面板上的旋鈕設(shè)置參數(shù)：

①轉(zhuǎn)動旋鈕按鍵至參數(shù)3，將其參數(shù)值設(shè)置為ON，以允許修改定位器參數(shù)；

②轉(zhuǎn)動旋鈕按鍵至參數(shù)4，參照調(diào)節(jié)閥銘牌選擇銷釘位置；

③轉(zhuǎn)動旋鈕按鍵至參數(shù)5，參照調(diào)節(jié)閥銘牌輸入額定行程/范圍；

④轉(zhuǎn)動旋鈕按鍵至參數(shù)6，將其參數(shù)值設(shè)置為NOM，以進(jìn)行精確初始化。

上述參數(shù)設(shè)置完成后，使用電筆按初始化鍵進(jìn)行定位器的初始化操作。初始化結(jié)束后，轉(zhuǎn)動旋鈕按鍵至參數(shù)46，設(shè)置定位器在PA網(wǎng)絡(luò)中的地址，本實例中定位器的地址為3，設(shè)置完成后長按旋鈕按鍵進(jìn)行確認(rèn)。

3.2.2 PLC組態(tài)

安裝與電磁流量計和3730-4定位器相關(guān)的GSD文件后，即可用STEP7軟件進(jìn)行組態(tài)。

①按照需求對S7-400 PLC進(jìn)行組態(tài)；

②選擇DP組件中的DP/PA Link，將其接入CPU模塊中的DP網(wǎng)絡(luò)，雙擊圖標(biāo)設(shè)置其地址為4；

③在右側(cè)組件列表中選擇相應(yīng)的電磁流量計和定位器，將其接入PA網(wǎng)絡(luò)，雙擊圖標(biāo)，分別設(shè)置電磁流量計的地址為10，3730-4定位器的地址為3，PLC組態(tài)示意圖，如圖3所示。

組態(tài)完成后，可在下方地址映射表中發(fā)現(xiàn)，電磁流量計相對于PLC的輸入地址為PID1245，3730-4定位器相對于PLC的輸出地址為PQD601。

3.2.3 PLC編程

該實例使用STL語言進(jìn)行編程，調(diào)用FB41功能塊，對應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊是DB17。

CALL "CONT_C" ， DB17

輸入：

COM_RST ：= DB205.DBX 20.2

MAN_ON ：= DB205.DBX20.3 //是否手動操作

P_SEL：= M363.1 //決定是否開啟比例調(diào)節(jié)。

I_SEL：= M363.2 //決定是否開啟積分調(diào)節(jié)。

D_SEL：= M363.3 //決定是否開啟微分調(diào)節(jié)。

CYCLE：=T#100MS //采樣時間

SP_INT：=DB112.DBD0 //設(shè)定加水量

PV_IN ：=PID 1245 //實際加水量信號

MAN ：=DB112.DBD8

GAIN ：=DB112.DBD12 //增益

TI ：=DB112.DBD16 //積分相應(yīng)時間

TD ：=DB112.DBD20 //微分時間輸入

DEADB_W：=DB112.DBD36 //死區(qū)

LMN_HLM ：=DB112.DBD24 //PID控制器輸出上限

LMN_LLM ：=DB112.DBD28 //PID控制器輸出下限

輸出：

LMN：=PQD601 //控制器輸出值，該值作用于定位器以調(diào)節(jié)閥門開度。

4 結(jié) 語

由于工業(yè)自動化程度的不斷提高，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在自動化控制中逐步發(fā)揮著不可取代的作用，變頻器、傳感器、變送器等現(xiàn)場設(shè)備的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合，充分提升現(xiàn)場設(shè)備在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的可用性，以提升工業(yè)自動化控制水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尚群立，蔣鵬.智能電氣閥門定位器的研究[J]儀器儀表學(xué)報，2007，（4）.

[2] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.