基于PLC的过程控制系统的设计 |
| 2012-08-26 13:19 作者：潘浩华 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网8月26日消息 《硅谷》杂志2012年第14期刊文称，首先针对当今发展的工业技术中所采用的PLC技术做一个简单介绍，然后就PLC对工业生产中的过程控制系统作一比较概括性的设计，以求得在工业生产中能用计算机来远程操控或者手动操作控制面板进而控制整个生产过程的目的。
现今社会产业不断发展，人们也在不断寻找着优化工业发展的各种系统程序，以期获得企业的最大化利润或者最好的收益。不管是化工行业、轻工纺织业还是食品行业，PLC技术的运用都有了相当成熟的表现。而基于过程控制的DCS系统则对生产的半自动化甚至全自动化都有着极大的推动作用，如果不依靠在PLC上发展出来的过程控制系统，那么在这高速发展的工业产业当中，生产车间则需要大量的操作人员，他们用最为原始的人工操作方式来生产，这样的话，企业的寿命将会大大缩减，而且一旦产品的销售或者说市场需求量急速扩大的话，那么企业将跟不上节奏，从而导致更多麻烦。另外，在生产车间大量用人工操作的方式来维持生产的运行，这中间人员的相互协调以及人员本身的综合素质将会大大制约着生产的进行，尤其是对物料的精细分配上。而PLC技术的出现，以它为主体的过程控制系统有着相当稳定的可靠性、操作便捷性、操作简单化，因此，在现代各大企业中，其被广泛的运用着。本文就先简单介绍PLC技术，然后讲述基于PLC技术上的一种对工业生产的过程控制系统的粗略构建。
1PLC技术概述
1.1PLC组成及原理
首先简单说明下PLC（ProgrammableLogicController），PLC是能够进行数字化处理方式的电子控制装置，它专门应用在工业生产设计上。实质上他就是应用在工业环境下的计算机。随着整个计算机技术的飞速发展，PLC的发展也到达了前所未有的地步，目前这样一个电子控制装置所集成的技术已经囊括了计算机、通信、过程控制以及自动化控制等多领域的技术。其组成及工作原理如图1所示。
图1PLC的组成及工作原理图
1.2PLC的功能特点
PLC是一种数字运算操作电子系统，它的特点有：可以存储用户程序；通过各种传感器，可以采集机器上各种部件的状态或工作情况的信息（阀门动作监测电眼、温度探头、角度编码器、压力检测开关、接近开关、T型铁等）；可以按预置程序驱动机器上部件执行相应操作，如驱动电磁阀、马达、加热器等；可以与用户互动，如PLC可以通过终端显示设备显示设备上的各种信息，用户可以通过终端操作设备操控PLC按我们的要求执行程序等等。
另外PLC系统构成非常灵活，其特产体现在开关量的控制，相对来说，它的扩展不但容易，并且还能进行连续过程的PID回路控制。PLC系统在实际生产过程中一般与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，以此来实现生产过程的自动化。由于其编程语言一般采用简明的逻辑图、梯形图或者相关语句组成，所以使用起来方便简单。具体体现在系统的开发与维护周期短，现场调试容易。像在食品行业中，尤其是自动化程序较高的饮料行业，PLC的运用能够做到在线修改程序，改变控制的方案而无需拆开机器设备。它能在不同环境下运行，可靠性十分强悍。
2PLC的控制系统设计
2.1系统的过程控制
在这里阐述的系统主要用于饮料类行业，它要承担温度、压力、流量、湿度、液位、重量或体积等仪表数据的采集，对阀门、开关（I/P类）和电机等相关设备实现半自动化甚至全自动化的控制。同时对机器自动添加物料完成配方等精确操作过程的计算调节，对压力、温度、液位实现PID的自动调节等。真正做到只要让操作人员直接点击任意生产流程按钮就可以自动执行操作过程的要求，而一旦生产过程中出现故障，则相关过程自动终止，不会因为某一个小故障而导致更为严重的事故。
2.2针对不同需求的控制分析
在进行过程控制当中，我们需要知道针对一套机器设备或者工艺流程需要监测的方方面面，努力做到全方位的控制，这样在生产过程中便于管理，便于对每个环节做出分析，才能更好的优化整个生产，最终获得良好的收益。因此，设计出一套合理的、质量高的控制系统对于企业将是不可或缺的，而生产过程的控制其主要对象表现在各种复杂的工艺设备和生产过程。那么我们首先要做的便是对该生产过程做出详细的分析，了解工艺过程的特点，了解受控制的机器、电、液之间的配合，提出受控对象的PLC控制要求，这样才能确定好过程控制方案。
下面就饮料行业中无菌灌装机和吹瓶机为例，进行简要的说明。我们现在要做的就是分析下无菌灌装机是如何利用PLC来对生产做出监控的。当然，由于PLC控制的因素比较多，所以在此只是对灌装机的图案校正系统来简单说明下。
像利乐19机的图案校正就利用了PLC来控制，首先它依靠电眼来识别包装材料上的26位条形码，然后通过TMCC（利乐多功能小型控制器），将信息反馈给PLC中心，由PLC作出相应的处理（程序已经设定好），再将信号传给DMCC来控制图案，从而调整灌装机里面的凸轮，影响到拉耳的力度，控制包材的行进距离，最终达到图案校正的目的，也即控制目的。
而灌装饮料的容器----PE塑料瓶的制备过程中则要求比较严格，即吹瓶工艺。它需要将精确计量的PE颗粒、色素原料、增韧剂或其他的添加剂混合后加入到特定容器中，最后经过吹瓶机在一定温度、压力情况下吹塑，最后冷却成型。这期间我们就需要对混合前不同物料的温度、湿度进行监控，当低于或者高于设定值时就会通过PLC的CPU作出报警反应，而在正常范围内则进行下一环节的操作；然后进入混合，对搅拌的速度、温度、压力都需要用到相应探针来控制，PLC不断的接受信号，然后发出指令，最终实现整个吹瓶工艺的控制。
2.3系统的结构设计
这里讲述的系统主要是为了提高生产过程的自动化程度，对单独的机器设备以及整个生产车间的设备进行控制而设立，我们采用三层体系模式。
第一层为人机模式，也即人与计算机的对话界面。本层体系采用IFIX组态软件对系统数据库进行分析表达并显示出整个控制电子版面图，并存储到关系数据库SQLServer2000，通过VBA的编程实现图标类从数据库自动生成报表。第二层结构为PLC控制网，我们可以采用多个PLC分别对不同的管路、通道、容器或者大型设备（如UHT杀菌设备等）进行单独控制，然后将他们联合起来，将所有信息都输入到一个总的PLC控制器中，由其完成最后的指令调节，最终将信息反馈给各个分PLC器，由他们单独完成相关工艺。同时PLC通过交换机与计算机通讯，智能阀位PID调节仪将根据实际的温度、压力、速度等要求，来自动完成相关阀门的调节作用。第三层为仪表和执行机构。各个仪表都将独立完成每道程序的相应监测行动，然后将信号传递给PLC，再传递给执行机构来完成。
2.4监控与控制的实现
计算机控制已经成为现代工业控制中不可或缺的一部分，因此，它的使用将是过程控制系统的设计与构建的重要组成部分，它将在整个过程中发挥着与PLC组建以太网，显示各种数据，控制机器设备，构建生产所需的数据库，甚至开放远程访问端口，方便远程管理生产工艺。我们利用计算机，安装上无限点的IFIX组态软件、SQLServer2000、EXCEL等软件，再用这些软件采集所需要的数据，分析所要采用的措施来进行下一步操作。以此循环，最终实现不断监测生产工艺的目的。
PLC的控制则常主要利用在各大机器设备上安装的探针、仪表等来对温度、压力、流量、速度、液位、重量等进行检测，对PID调节阀进行开度的检测和控制。而在实际工业生产中，我们需要对不同的产品做出不同的方案。当然为了更好的实现对阀门和电机等的控制，我们需要采用先进式数组式运算来处理。
同时系统具有自动诊断功能，实时监控通讯状态。当系统出现故障或错误时，PLC将自动结束相关程序的运行，然后发出报警信号并记录相关故障，交由操作人员或者工程师来处理。
3结束语
PLC的发展给工业规模化生产带来了巨大的经济效益，它在提升企业自动化过程中起到了无可比拟的作用，同时使得生产过程所需求的操作人员大量减少，节约了企业的生产过程成本。社会在进步，PLC的发展虽取得了重大成绩，但是我们仍需对其作出改进，努力完善它的控制系统建设。
作者简介：
姓名潘浩华（1977-），男，江苏响水人，本科，职称：中级，从事的研究方向或工作领域，机械和电子，能源动力交叉学科。（原文载于《硅谷》杂志2012年第14期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载） |
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