艾默生CTPLC在老化房控制系统中的应用———艾默生网络能源有限

一、引言
       随着电子技术，计算机控制技术和通信技术的发展，PLC（可编程序控制器）的功能也愈来愈强大，由原来简单的逻辑控制功能逐渐发展到模拟量控制，高速大容量运算处理，PID闭环控制，运动/定位控制，网络通信等功能，已经成为现代工业控制设备的三大支柱之一。EC20系列PLC(可编程控制器)是艾默生(Emerson)公司致力于工业自动化领域全新推出的新一代可编程控制器，它代表了工业自动化控制的最高水平，是最新计算机技术与工业控制技术的完美结合。
        自EMERSON EC20系列PLC推向市场以来，以其卓越的性能，高品位的性价比，完善的服务体系受到用户的热烈好评，产品广泛应用于电子，食品饮料行业，空调制冷设备，锅炉行业，物流仓库，科技农业，交通运输，石油化工，供水，玻璃/钢铁行业，纺织机械，线缆机械，塑机，印染包装等各个领域。本文介绍了艾默生公司EC20 PLC在老化房控制系统中的应用并着重介绍该产品的PID闭环功能在恒温控制上的实现和强大的网络通信功能对EMERSON EV2000变频器运行控制的实现。该老化房控制系统是家电，电子，电脑行业产品生产检测的重要设备，也是产品生产合格检查的重要环节。该系统采用EMERSON EC20 PLC和多台EV2000变频器，实现对室内温度和变频器运行的集中控制。
二、老化房控制系统工艺要求：
老化房结构如图所示：


具体要求如下：
1、该系统所控制的老化房面积达16×30M，要求控制范围在20-55℃，控制精度达±5℃，能够在上位机对温度设定/显示/保存；（加湿控制采用单独进行和PLC无关）
2、该系统有3个风机，用于进风，回风和排风；有4个风闸：新风闸，回风闸，排风闸，防火闸；2个防尘过滤网；6个火灾报警点；
在正常情况下（温湿度），关闭进风阀和排风阀，停止进风电机和排风电机，打开回风阀和防火阀，启动回风风机，保持老化房内回风循环；
在高温情况下，排风阀和进风阀打开，启动排风电机和进风电机，抽出部分空气；
在火灾报警情况下，防火阀关闭，回风禁止循环，全部从室内抽出；同时排风阀和进风阀打开，启动排风电机和进风电机，抽出室内空气；
3、其他要求省略；
三、工作原理：
PLC系统结构如下：


EC20PLC设备的I/0接线如图：


工作原理：
根据老化房工艺要求组成如上图控制系统：上位机采用台湾研华IPC（工控计算机）；监控画面采用亚控公司的KINGVIEW软件，该软件操作简单，元件形象丰富，性能稳定；核心控制部分采用EMERSON EC20-2012BTA类型的PLC和4个温度采集模块（EC20-4TC，接受K型温度信号）；传动采用EMERSON EV2000通用型变频器。
在设备连接方面，EC20 PLC充分体现了自身的优势，由于EC20 PLC本身带有2个串行通信口（1个RS232口，集成自由协议/编程协议/MODBUS从站协议，1个RS232/485口，集成自由协议/MODBUS主站/从站协议），EC20 PLC利用COM0口和IPC进行通信（EC20 PLC做从站，设置成MODBUS从站协议），利用COM1和多台变频器组成网络进行集中控制（EC20 PLC的COM1设置成MODBUS主站协议）。
IPC为整个系统的人机接口，IPC读取PLC采集的系统运行状态如各风机的运转状态，各测温点温度，报警状况并显示在监控画面上，IPC又把各种操作命令传给PLC以控制系统的运行，如温度的设定，PID参数设定，各种阀门的开闭，变频器的启动、停止等设定。并且可以实时监控整个系统的工作运行状态、动作过程及故障报警等，IPC还可以根据设定对采集的数据进行保存打印。
在系统设计中，EC20 PLC为整个系统的核心，执行各种系统操作及计算，EC20 PLC根据工艺要求和现场状况进行逻辑判断，开闭各种阀门和启停各风机；同时利用自身的PID功能对温度进行控制，具体方法后面描述。
EV2000系列变频器自带RS485接口的通讯单元，符合RS485通讯规范，用于实现PLC与多台变频器的联网。根据MODBUS通讯协议，我们可以通过RS485网络轻松实现对变频器的运行控制。由于RS485通讯链路传输距离远、配线简单、抗干扰能力强、可靠性高，因此在设计中，我们省略了变频器的外部起停控制线路，对变频器的所有控制都通过RS485通讯链路来完成，达到了经济高效的目的。
四、监控画面
整个系统监控画面主要分为主画面，实时温度监控，PID参数设定，三个部分（其他部分省略），具体如下：


主画面如上图所示，主要完成对系统状态的监控（如各种风阀的开闭状态，风机的运行状态，报警状态），数据统计（如系统运行的时间，启停系统的次数），温度设定/测量等功能。


实时温度监控画面如上所示，此画面主要用于对温度的实时监控，并描绘出温度曲线趋势，以便判断系统的温度控制是否处于良好状态，同时可以实现对温度进行保存/打印等操作。


PID参数设定画面主要用于比例常数P，积分常数I，微分常数D的设定，同时根据实时温度曲线状况进行调节；同时显示PID控制的输出比例。
五、对温度控制的实现
为便于对整个老化房内温度的控制，同时充分利用EC20 PLC自身PID功能和PWM脉冲输出（Y0，Y1）的优势，室内温度区域分为2个部分（上层和下层各8个测温度点），对温度取平均值作为温度的测量值，并把此平均值送入PID功能块进行运算，同时对加热执行元件（参考EC20 PLC的I/O接线图，固态继电器SSR1，SSR2，SSR3所控制的发热管的功率逐渐加大）也进行了分组处理：温度偏差较小的情况下，进行PID运算，通过Y0输出脉冲给SSR1，同时关闭SSR2，SSR3（即Y1，Y2停止输出）；如果温度偏差较大，则Y1，Y2也参加输出，具体处理思路如下：
偏差值（ER=SV-PV） 处理办法
ER≥3 关闭PID运算，直接输出Y0，Y1，Y2；
3>ER≥1 启动PID运算控制Y0输出，同时启动Y1输出；关闭Y2输出；
1>ER≥-1 启动PID运算控制Y0输出，关闭Y1，Y2输出；
-3>ER>-1 启动PID运算控制Y0输出，同时启动Y1输出；关闭Y2输出；
-3≥ER 关闭PID运算，关闭Y0，Y1，Y2；
通过此法处理可以把温度控制精度保持在±0.3度以内,而且无论提升温度还是下降温度都很快速；同时把PID输出转化为PWM的占空比输出，又大大节省了PLC的资源（充分利用Y0，Y1的高达100KHZ的脉冲输出功能）。
EC20 PLC的编程软件CONTROLSTAR的操作简单方便，指令丰富，功能强大，是一个很优秀的全中文编辑工具。
实现步骤具体如下：首先，在数据块设定PID各参数，其中的重点是设置P，I，D三个参数和输出量的上下限范围，由于PID的输出结果直接和PWM结合在一起，所以设置时要特别注意，在本例子中，按照PWM的周期为4秒（=4000MS）计算，把PID的输出上下限分别设定为4000和0；另外按照逆动作（BIT0=1），输出限定（BIT5=1）的要求对D7911各位进行赋值；
D7910 500 //采样时间S3 采样时间(Ts)范围为1～32767(ms)，比运算周期短的时间数值无法执行；
D7911 16#23 //动作方向 > 逆动作，设输出限定
………………………………………………..//BIT0 0：正动作 1：逆动作；
………………………………………………..//BIT1 0：输入变化量报警无效 1：输入变化量报警有效；
………………………………………………..//BIT2 0：输出变化量报警无效 1：输出变化量报警有效；
………………………………………………..//BIT3-4 没使用；
………………………………………………..//BIT5 0：输出值上下限设定无效1：输出值上下限设定有效；
………………………………………………..//BIT6～BIT15 没使用
D7912 70 //S3+2 输入滤波常数(α)范围0～99[﹪]，为0时没有输入滤波；
D7913 100 //S3+3 比例增益(Kp)范围1～32767[﹪]；
D7914 25 //S3+4 积分时间(TI)范围0～32767(×100ms)，为0时作为∞处理(无积分)；
D7915 0 //S3+5 微分增益(KD)范围0～100[﹪]，为0时无微分增益；
D7916 63 //S3+6 微分时间(TD)范围0～32767(×10ms)，为0时无微分处理；
D7925 2000 //S3+15 输入变化量(增侧)报警设定值0～32767(S3+1的BIT1=1时)；
D7926 0 //S3+16 输入变化量(减侧)报警设定值0～32767(S3+1的BIT1=1时)；
D7927 4000 //S3+17 输出变化量(增侧)报警设定值0～32767(S3+1的BIT2=1和BIT5=0时)；输出上限设定值-32768～32767(S3+1的BIT2=0和BIT5=1时)；
D7928 0 //S3+18 输出变化量(减侧)报警设定值0～32767(S3+1的BIT2=1和BIT5=0时)；输出下限设定值-32768～32767(S3+1的BIT2=0和BIT5=1时)；
其次,在程序里调用PID指令和PWM指令用于控制Y0的输出（对SV和PV的比较而进行的逻辑控制输出较简单，故此处省略）。


六、对变频器的启停控制
由于EMESON EC20 PLC和EV2000变频器（非标）都集成MODBUS协议，所以实现它们的通信相对比较简单，整个网络采用RS485通信方式。
1.各设备接口通信参数设置，对EC20 PLC设置如下：



2.EV2000的设置要点：1，各通信参数要和EC20 PLC一致；2，各变频器的地址要有自己唯一的从机地址；3，注意变频器的通信跳线开关CN14拨在RS485方向；4,变频器的延时应答设为(FF.03)30-50ms;
FF：通讯参数
功能码 名称 LCD画面显示 设定范围 最小单位 出厂设定值 更改
FF.00 通讯配置 通讯配置 LED个位：波特率选择
0：1200BPS
1：2400BPS
2：4800BPS
3：9600BPS
4：19200BPS
5：38400BPS
LED十位：数据格式
0：1-8-2格式，无校验，RTU
1：1-8-1格式，偶校验，RTU
2：1-8-1格式，奇校验，RTU
3：1-7-2格式，无校验，ASCII
4：1-7-1格式，偶校验，ASCII
5：1-7-1格式，奇校验，ASCII
LED百位：虚拟输入端子
0：无效
1：有效
LED千位：接线方式
0：直接电缆连接（232/485）
1：MODEM（232） 1 0004 ×
FF.01 本机地址 本机地址 0～247，0 为广播地址 1 5 ×
FF.02 通讯超时检出时间 通讯超时时间 0.0～1000s 0.1 0.0s ×
FF.03 本机应答延时 本机应答延时 0～1000ms 1 5ms ×
3.EC20PLC和变频器的连接如下：


4.EC20 PLC和变频器之间采用MODBUS RTU方式通信，Modbus采用“Big Endian”编码方式，先发送高位字节，然后是低位字节。RTU方式格式如下：

RTU方式：在RTU方式下，帧之间的空闲时间取功能码设定和Modbus内部约定值中的较大值。Modbus内部约定的最小帧间空闲如下：帧头和帧尾通过总线空闲时间不小于3.5个字节时间来界定帧。数据校验采用CRC-16，整个信息参与校验，校验和的高低字节需要交换后发送。具体的CRC校验请参考协议后面的示例。值得注意的是，帧间保持至少3.5个字符的总线空闲即可，帧之间的总线空闲不需要累加起始和结束空闲。
Modbus最主要的功能是读写参数，不同的功能码决定不同的操作请求。变频器Modbus协议支持以下功能码操作：
功能码 功能码意义
0x03 读取变频器功能码参数和运行状态参数
0x06 改写单个变频器功能码或者控制参数，掉电之后不保存
0x08 线路诊断
0x10 改写多个变频器功能码或者控制参数，掉电之后不保存
0x41 改写单个变频器功能码或者控制参数，掉电之后保存
0x42 功能码管理
Modbus协议不同的功能码有不同数据的格式和意义，简要介绍如下：
改写多个变频器功能码和状态参数的格式协议：请求格式如下：
应用层协议
数据单元 数据长度
（字节数） 取值或范围
功能码 1 0x10
起始寄存器地址 2 0x0000~0xFFFF
操作寄存器数目 2 0x0001~0x0004
寄存器内容字节数 1 2*操作寄存器数目
寄存器内容 2*操作寄存器数目
应答格式如下：
应用层协议
数据单元 数据长度（字节数） 取值或范围
功能码 1 0x10
起始寄存器地址 2 0x0000~0xFFFF
操作寄存器数目 2 0x0001~0x0004
读取变频器参数的协议格式：请求格式如下：
应用层协议
数据单元 数据长度
（字节数） 取值或范围
功能码 1 0x03
起始寄存器地址 2 0x0000~0xFFFF
寄存器数目 2 0x0001~0x0004
应答格式如下：
应用层协议
数据单元 数据长度
（字节数） 取值或范围
功能码 1 0x03
读取字节数 1 2*寄存器数目
读取内容 2*寄存器数目
变频器的功能码参数、控制参数和状态参数都映射为Modbus的读写寄存器。功能码参数的读写特性和范围遵循变频器用户手册的说明。变频器功能码的组号映射为寄存器地址的高字节，组内索引映射为寄存器地址的低字节。变频器的控制参数和状态参数均虚拟为变频器功能码组。功能码组号与其映射的寄存器地址高字节的对应关系如下：
F0组：0x00；F1组：0x01；F2组：0x02；F3组：0x03；F4组：0x04；F5组：0x05；F6组：0x06；F7组：0x07；F8组：0x08；F9组：0x09；FA组：0x0A；Fb组：0x0B；FC组：0x0C；Fd组：0x0D；FE组：0x0E；FF组：0x0F；FH组：0x10；FL组：0x11；Fn组：0x12；FP组：0x13；FU组：0x14；变频器控制参数组：0x32；变频器状态参数组：0x33。
例如变频器功能码参数F3.02的寄存器地址为0x302，变频器功能码参数FF.01的寄存器地址为0xF01。
5.具体程序编写：启动5#变频器正转，转速设定为50.00HZ（内部表示为5000）的命令如下： 地址 功能码 寄存器地址 寄存器数目 寄存器内容字节数 寄存器内容 校验和
请求 0x05 0x10 0x3200 0x0002 0x04 0x01C7,0x1388 0x16A9
响应 0x05 0x10 0x3200 0x0002 无 无 0x4EF4
程序清单：


读取5#变频器的运行频率，变频器应答运行频率为50.00HZ：
地址 功能码 寄存器地址 寄存器数目或者读取字节数 寄存器内容 校验和
请求 0x05 0x03 0x3301 0x0001 无 0xDB0A
响应 0x05 0x03 无 0x02 0x1388 0x44D2
5#变频器以最快速度停车：
地址 功能码 寄存器地址 寄存器内容 校验和
请求 0x05 0x06 0x3200 0x00C3 0xC6A7
响应 0x05 0x06 0x3200 0x00C3 0xC6A7
程序清单：(省略)
其他控制逻辑程序省略。
总结：该系统以前是采用IPC+控制I/O卡的方式进行控制的，但是存在系统稳定性能差，控制效果不理想，故障率高的缺点，自从改用EMERSON 的PLC作为系统的核心设备后，系统不仅达到良好的控制效果和很好的经济效益，同时比较容易维护，受到用户的好评。