基于PLC的調(diào)節(jié)閥控制器研究

徐柳濱

（1.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱150000；2.哈電集團(tuán)哈爾濱電站閥門有限公司，哈爾濱150046）

1 引 言

調(diào)節(jié)閥主要用于電站系統(tǒng)調(diào)節(jié)自動化過程控制領(lǐng)域中的介質(zhì)流量、壓力、溫度、液位等工藝參數(shù)，通過應(yīng)用PLC 來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的自動控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)維護(hù)電站系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖1 電動調(diào)節(jié)閥

2 調(diào)節(jié)閥簡介

2.1 調(diào)節(jié)閥的概述及構(gòu)成

調(diào)節(jié)閥又稱控制閥（Control Valve），它是過程控制系統(tǒng)中用動力操作去改變流體流量的裝置。根據(jù)自動化系統(tǒng)中的控制信號，自動調(diào)節(jié)閥門的開度，從而實(shí)現(xiàn)介質(zhì)流量、壓力、溫度和液位的調(diào)節(jié)。

調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥組成見圖1。執(zhí)行機(jī)構(gòu)起推動的作用，閥起調(diào)節(jié)流量的作用。

2.2 調(diào)節(jié)閥的工作原理

根據(jù)流體力學(xué)可知，調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對不可壓縮流體，調(diào)節(jié)閥的流量式中，Q-流量；Kv-流量系數(shù)；ΔP-閥門前后壓差；V-閥門介質(zhì)比容；α-流量裕度系數(shù)。

此公式用于在節(jié)流部位的雷諾數(shù)Re＞105，并且無閃蒸和閥門無過渡管接頭的情況，其中流量系數(shù)Kv值與閥門的流通能力和節(jié)流面積有關(guān)，不同的閥門對應(yīng)不同的Kv值。調(diào)節(jié)器輸出信號控制閥門的開或關(guān)，可以改變閥門的Kv值，從而改變被調(diào)介質(zhì)的流量。

2.3 調(diào)節(jié)閥的流量特性

調(diào)節(jié)閥的流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與調(diào)節(jié)閥的相對開度之間的關(guān)系。

調(diào)節(jié)閥流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性是指在調(diào)節(jié)閥前后壓差固定不變情況下的流量特性有直線、等百分比、拋物線及快開4 種特性。

在實(shí)際系統(tǒng)中，閥門兩側(cè)的壓力降并不是恒定的，使其發(fā)生變化的原因主要有兩個(gè)方面：①由于泵的特性，當(dāng)系統(tǒng)流量減少時(shí)由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加；②當(dāng)流量減少時(shí)，盤管上的阻力也減少，導(dǎo)致閥門壓力較大。因此調(diào)節(jié)閥前后的壓差通常是變化的，在這種情況下，調(diào)節(jié)閥相對流量與相對開度之間的關(guān)系，稱為工作流量特性。

3 基于PLC 的調(diào)節(jié)閥控制

3.1 PLC 的編程語言STEP7 是S7-300PLC 的編程軟件

梯形圖、語句表和功能圖是標(biāo)準(zhǔn)的STEP7 軟件包配備的3 種基本編程語言，這3 種編程語言可以在STEP7中相互轉(zhuǎn)換。

3.2 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

典型的PLC 模擬量單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖2 所示。

圖2 PLC 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量c（t）（例如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等）是連續(xù)變化的模擬量，大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（例如晶閘管調(diào)速裝置、電動調(diào)節(jié)閥和變頻器等）要求PLC 輸出模擬信號mv（t），而PLC 的CPU 只能處理數(shù)字量。c（t）首先被測量元件（傳感器）和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電流信號或直流電壓信號pv（t），例如4～20mA，1～5V，PLC 用A/D 轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量pv（t）。

模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換和PID 程序的執(zhí)行都是周期性的操作，其間隔時(shí)間稱為采樣周期Ts。各數(shù)字量括號中的n 表示該變量是第n 次采樣時(shí)的數(shù)字量。

圖中的sp（n）是給定值，pv（n）為A/D 轉(zhuǎn)換后的反饋量，誤差ev（n）=sp（n）-pv（n）。

D/A 轉(zhuǎn)換器將PID 控制器輸出的數(shù)字量mv（n）轉(zhuǎn)換為模擬量（直流電壓或直流電流）mv（t），再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

首先對調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，電容式壓力傳感器實(shí)時(shí)傳輸壓力信號送入PLC，PLC 先經(jīng)過硬件組態(tài)再進(jìn)行編程，將程序載入PLC，程序的執(zhí)行將傳感器傳來的信號轉(zhuǎn)換成為對調(diào)節(jié)閥閥位開度的控制指令，最終實(shí)現(xiàn)對管道內(nèi)部壓力的控制。

圖3 調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)原理

如圖3 所示，系統(tǒng)規(guī)定壓力設(shè)定值為8kPa，在實(shí)際工廠的環(huán)境中，管道內(nèi)部壓力允許在一定范圍內(nèi)變化，所以以設(shè)定值為中心加入一個(gè)范圍，令閾值為1kPa，確定管道正常的壓力范圍，即7～9kPa。當(dāng)測量元件測出管道壓力大于9kPa 時(shí)，信號經(jīng)PLC 后輸出一個(gè)使調(diào)節(jié)閥電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門開度減小的指令；反之，當(dāng)測出壓力小于7kPa 時(shí)，PLC 輸出一個(gè)使調(diào)節(jié)閥電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)開度開大的指令；而管道壓力處于7～9kPa 時(shí)，調(diào)節(jié)閥電動機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)。

3.4 PLC 控制系統(tǒng)的一般步驟

可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的主要步驟如下：深入了解和分析被控對象的工藝條件和控制要求；確定I/O 設(shè)備；選擇合適的PLC 類型；分配I/O 點(diǎn)；設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖程序；將程序輸入PLC；進(jìn)行軟件測試；應(yīng)用系統(tǒng)整體調(diào)試。

3.5 PLC 的硬件組態(tài)

硬件組態(tài)，就是使用STEP7 對SIMATIC 工作站進(jìn)行硬件配置和參數(shù)分配。所配置的數(shù)據(jù)以后可以通過“下載”傳送到PLC。硬件組態(tài)的條件是必須創(chuàng)建一個(gè)帶有SIMATIC 工作站的項(xiàng)目。

3.6 連接電路

連接外接電路時(shí)，兩個(gè)繼電器分別與調(diào)節(jié)閥點(diǎn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的接點(diǎn)“開閥”、“關(guān)閥”相連接，為使實(shí)現(xiàn)互鎖功能，需要將兩個(gè)繼電器互連：如圖4 電路圖，兩個(gè)繼電器中的觸點(diǎn)13均與另一個(gè)繼電器的觸點(diǎn)9 相連，再經(jīng)過觸點(diǎn)1 接出。

圖4 中間繼電器線路圖

互鎖功能的實(shí)現(xiàn)：

（1）當(dāng)繼電器1 接通時(shí)，繼電器1 的觸點(diǎn)14、13 與繼電器2 的觸點(diǎn)9、1 形成回路，此時(shí)繼電器1 正常工作，觸點(diǎn)9、1 斷開，繼電器2 的觸點(diǎn)13、14 所在回路無法接通，導(dǎo)致繼電器2 無法接通。

（2）同理，當(dāng)繼電器2 接通時(shí)，此時(shí)繼電器1 無法接通。

在設(shè)置了軟、硬件互鎖之后，“開閥”與“關(guān)閥”不會同時(shí)出現(xiàn)，有效的為電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供了安全保護(hù)。

3.7 系統(tǒng)調(diào)試

在完成程序編程和連接外部電路之后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，在SIMATIC Manage 界面中，將BLOCKS 中所有的塊及System data 點(diǎn)擊下載將其一起下載到PLC 中，然后接通電路，調(diào)節(jié)電阻箱模擬傳感器向PLC 輸入信號，通過變量監(jiān)視窗口可以觀察到，在壓力的各個(gè)范圍內(nèi)相應(yīng)的開閥、關(guān)閥和點(diǎn)動指令的執(zhí)行。調(diào)試完畢后，經(jīng)檢驗(yàn)程序邏輯正確，運(yùn)行正常，實(shí)現(xiàn)了對調(diào)節(jié)閥的自動控制，達(dá)到了預(yù)期的目的。

4 結(jié) 語

基于PLC 的調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過對調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，依據(jù)與S7-300 PLC 相連的壓力傳感器傳回的參數(shù)信號，采集控制系統(tǒng)中所需要的數(shù)據(jù)量，通過PLC 的編程實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中壓力實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并調(diào)節(jié)參數(shù)的波動范圍在允許的范圍之內(nèi)，維護(hù)電廠的正常運(yùn)行。

［1］ 邢麗娟，楊世忠.調(diào)節(jié)閥特性及選擇方法［M］.煤礦機(jī)械，2007（5）：164-166.

［2］ 廖常初.S7-300/400PLC 應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 西門子（中國）有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán).深入淺出西門子S7-300 PLC［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.