基于PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K開(kāi)發(fā)

沈亞斌++趙濤

摘 要 設(shè)計(jì)基于PLC控制器的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K，可結(jié)合PLC、PLC模擬量擴(kuò)展模塊等構(gòu)成便利性、實(shí)用性很強(qiáng)的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能滿足過(guò)程控制、PLC課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，可使學(xué)生加深對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)、PLC控制、PID技術(shù)等知識(shí)的掌握。目前該實(shí)驗(yàn)?zāi)K已獲國(guó)家發(fā)明專利。

關(guān)鍵詞 過(guò)程控制系統(tǒng)；PLC；實(shí)驗(yàn)裝置

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）02-0041-02

Development of Process Control System Experiment Module based on PLC//SHEN Yabin， ZHAO Tao

Abstract The process control experimental modules designed based

on PLC controller in this paper can be combined with PLC， PLC analog extended module to form the integrated experiment system with convenience and practicality， it can meet the requirements of process control， PLC experiment teaching， can make the students deepen their grasp of knowledge in process control system， PLC control， PID technology. At present the experiment modules have been awarded national invention patent.

Key words process control system； PLC； experimental device

1 前言

過(guò)程控制是一門理論與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合緊密的自動(dòng)化專業(yè)課程，具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性，相應(yīng)的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)是本課程重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以了解各種過(guò)程控制儀表（包括檢測(cè)元件及變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器），掌握過(guò)程對(duì)象的建模方法和過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法（包括系統(tǒng)構(gòu)建、控制算法設(shè)計(jì)、控制參數(shù)整定等），并對(duì)計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)有一定的了解及掌握。

南京工程學(xué)院為提高學(xué)生的理論素質(zhì)、實(shí)踐能力和改善就業(yè)，用大量資金購(gòu)置多套專業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置。過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室原先采用的是浙大中控10多年前的SUPCON JX-300 DCS系統(tǒng)，配上基于工業(yè)過(guò)程的物理模擬對(duì)象系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、單回路控制、串級(jí)控制、前饋—反饋控制、比值控制、解耦控制等多種控制形式。但由于使用年限較長(zhǎng)，技術(shù)陳舊，且系統(tǒng)站點(diǎn)通信也不可靠，給實(shí)驗(yàn)的正常開(kāi)展及實(shí)驗(yàn)效果帶來(lái)很大影響。

學(xué)校近年添置一套南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化NT6000 DCS系統(tǒng)，但該系統(tǒng)沒(méi)有配備物理控制對(duì)象，只能在DCS的工程師站上進(jìn)行模擬組態(tài)和運(yùn)行，使得學(xué)生不能通過(guò)實(shí)驗(yàn)真實(shí)體驗(yàn)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的具體流程，不能幫助學(xué)生真正建立過(guò)程控制系統(tǒng)的概念，存在理論和實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題。

以上兩種基于DCS的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都屬于站點(diǎn)多（包括現(xiàn)場(chǎng)控制站、工程師站、操作員站等）的大型裝置，占用實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地大，添置、改造成本高，實(shí)驗(yàn)的靈活性、便利性較差。另外，PLC作為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一，由于其技術(shù)的發(fā)展、性能的提高、組網(wǎng)通信功能的靈活，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制領(lǐng)域，與過(guò)程控制的結(jié)合愈發(fā)緊密。為此，研究開(kāi)發(fā)一套基于PLC控制器的混合信號(hào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。該模塊既可作為過(guò)程控制系統(tǒng)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，又可作為PLC課程的實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象，分別進(jìn)行開(kāi)關(guān)量和模擬量控制的多個(gè)實(shí)驗(yàn)，減少專業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置的投資，有效提高裝置的利用率和實(shí)驗(yàn)的便利性。此外，在該實(shí)驗(yàn)?zāi)K基礎(chǔ)上還可進(jìn)行設(shè)計(jì)性拓展，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)和科研素質(zhì)。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖 設(shè)計(jì)的基于PLC控制器的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由PLC、實(shí)驗(yàn)?zāi)K（PCB板）、PLC模擬量擴(kuò)展模塊等構(gòu)成，是一套便利性、實(shí)用性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)裝置，能滿足過(guò)程控制、PLC課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，還可為學(xué)生加深對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)、PLC控制、PID技術(shù)等知識(shí)的掌握，建立明晰的系統(tǒng)概念。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部分說(shuō)明 由實(shí)驗(yàn)?zāi)K作為主要受控對(duì)象構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括模塊PCB板、PLC控制器和PLC模擬量擴(kuò)展模塊：PCB板包括DC-DC電路、信號(hào)給定及被控對(duì)象電路（模擬PI調(diào)節(jié)模塊和模擬二階被控對(duì)象模塊）、數(shù)字信號(hào)輸入輸出電路、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路、PCB板輸入輸出接口、第一端子排和第二端子排；PLC控制器包括電源電路、PLC控制器輸入輸出接口和中央處理單元；PLC模擬量擴(kuò)展模塊包括PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口。數(shù)字信號(hào)輸入輸出電路、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路和PCB板輸入輸出接口均通過(guò)第一端子排與PLC控制器輸入輸出接口相連接，信號(hào)給定及被控對(duì)象電路通過(guò)第二端子排與PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口相連接。

實(shí)驗(yàn)?zāi)K的特點(diǎn) 采用通用化設(shè)計(jì)，PLC主機(jī)及其模擬量輸入輸出模塊完全可以根據(jù)用戶要求自行配置，如西門子、三菱、歐姆龍、松下、臺(tái)達(dá)等，適應(yīng)性強(qiáng)；功能全面，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目豐富，結(jié)合過(guò)程控制和PLC的經(jīng)典控制實(shí)驗(yàn)，可以豐富目前高等院校過(guò)程控制及PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容；成本低廉、輸入輸出接口通用、使用靈活方便、擴(kuò)展靈活、易于維護(hù)、占用PLC資源少，方便教學(xué)實(shí)驗(yàn)，具有良好的應(yīng)用前景。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)

基于PLC控制器的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K，作為模擬被控對(duì)象，結(jié)合PLC及PLC的模擬量輸入輸出模塊，既可以做諸如多路信號(hào)巡回檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理、基于PLC的數(shù)字PID閉環(huán)控制、顯示及報(bào)警等傳統(tǒng)過(guò)程控制的實(shí)驗(yàn)，也可做諸如帶倒計(jì)時(shí)的交通信號(hào)燈控制、順序控制、多路彩燈控制等經(jīng)典PLC實(shí)驗(yàn)，功能全面。

基于PLC的巡回檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn) 由PCB板上的信號(hào)給定模塊提供兩路模擬實(shí)測(cè)物理量，經(jīng)PLC（以西門子S7 200 PLC為例）模擬量擴(kuò)展模塊（型號(hào)EM235）定時(shí)采集輸入，與內(nèi)給定值進(jìn)行比較，輸出相應(yīng)切換信號(hào)，并且可以設(shè)定物理量的上下限值進(jìn)行越限報(bào)警，同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)物理量的顯示。

基于PLC的PID閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn) 可通過(guò)PCB板上的調(diào)試開(kāi)關(guān)連接模擬PI調(diào)節(jié)模塊102c和模擬二階被控對(duì)象模塊102b，模擬二階被控對(duì)象模塊102b的輸出量通過(guò)PLC模擬量擴(kuò)展模塊（型號(hào)EM235）輸入，通過(guò)信號(hào)給定模塊102a改變給定值，通過(guò)模擬對(duì)象輸出量的顯示觀測(cè)PID閉環(huán)調(diào)節(jié)的過(guò)程，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較模擬PI調(diào)節(jié)與PLC的數(shù)字PID調(diào)節(jié)的效果。

基于PLC的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng) 由PCB板上的16個(gè)LED指示燈分別模擬十字交通路口的12個(gè)紅、黃、綠指示燈和4個(gè)路口4輛汽車的行止?fàn)顟B(tài)，由PLC的數(shù)字量輸出口進(jìn)行控制，東西、南北向的交通控制時(shí)間可由數(shù)碼管進(jìn)行倒計(jì)數(shù)顯示。另外，若將12個(gè)紅、黃、綠LED指示燈分成3組，就可模擬進(jìn)行不同要求的彩燈實(shí)驗(yàn)；還可將16個(gè)LED燈分組模擬不同對(duì)象，進(jìn)行各種順控實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

采用基于PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，豐富了過(guò)程控制系統(tǒng)和PLC兩門課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以方便地組成多種控制實(shí)驗(yàn)，模塊結(jié)構(gòu)配置簡(jiǎn)單、靈活，綜合性強(qiáng)、性價(jià)比高。該模塊將開(kāi)關(guān)量、模擬量采集與控制結(jié)合起來(lái)，充分模擬工業(yè)控制實(shí)際。通過(guò)該系統(tǒng)可以使學(xué)生對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)和PLC控制有比較全面的認(rèn)識(shí)和理解，更重要的是能讓學(xué)生將過(guò)程控制和PLC的理論知識(shí)與工程實(shí)踐得到很好的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)把多種專業(yè)知識(shí)在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中交叉、融合，為解決目前高校過(guò)程控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊落后的問(wèn)題提供設(shè)計(jì)思路，具有良好的實(shí)踐意義?！?/p>

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