應用一體化PLC實現氣體智能化供氣

張俊玲

（寧夏寶塔能源化工有限公司，銀川 751500）

智能化供氣系統組態包括主界面、氣體濃度、流量統計、報警信息和參數設置共5部分內容。氣源通過調節閥和流量計供氣給后端，后端的反饋依據是氣體濃度值（由氣體分析儀器測得）。一體化PLC控制器對整個供氣工藝進行PID自動模式調節控制，而手動供氣調節模式下，操作人員依據經驗值可以快速地設定供氣閥門的開度值，以實現快捷設置[1]。

1 主界面

圖1 氣體監控系統主界面圖Fig.1 Main interface diagram of the gas monitoring system

主界面的組態界面上包括氣罐、調節閥、流量計、PLC控制器、氣體分析儀和后端回流爐。其中，調節閥的開度Valve_Manual_Output使用變量%R00027，流量計的瞬時流量N2_FLOW使用變量%R00011，氣體分析儀濃度O2_PPM使用變量%R00001。觸摸屏組態右上角包括設備運行狀態顯示System_Status（停止、手動運行、自動運行和待料運行）使用變量%R00021，顯示日期RTC_DATE使用變量%SR047顯示格式為yyyy-mm-dd，顯示時間RTC_SEC使用變量%SR044顯示格式為HH ：mm：ss，并且在組態上放置了Alarm Object控件用于顯示實時的告警信息。為了方便用戶的操作控制，主界面下端設置5個Switch按鈕，主界面按鈕GoToMain使用變量%T00001，氣體濃度按鈕GoToO2使用變量%T00002，流量統計按鈕GoToFlow使用變量%T00005，報警信息按鈕GoToAlarm使用變量%T00004，參數設置按鈕GoToPara使用變量%T00003。主界面將氣體流量計、閥門開度、氣體濃度及設備運行狀態信息實時呈現在界面上，操作者可以根據控制要求，針對性地調整設置參數和運行模式，以滿足預期的氣體供氣控制要求[2]。

2 統計和告警

氣體監控系統的一個重要參數就是供氣后端的氣體濃度參數，為了保證工藝的平穩運行需要對濃度ppm值進行實時曲線監控和記錄；在保證氣體濃度的前提下對用氣量進行統計和記錄[3]。

應用trend Object控件，觸發ALW_ON使用%S007變量即一直有效。繪制O2_PPM_INT使用變量%R00009。曲線的X坐標為0 s～720 s，曲線的Y坐標為0 ppm～5000 ppm，由于供氣裝置需要進行調節控制，PV實際值O2_PPM使用%R00001變量，SV設定值Auto_SP使用%R00025變量[4]。而氣體的瞬時流量N2_FLOW使用變量%R00011，單位為L/min，累積流量N2_Flow_ACC_LERAL使用變量%R00039，單位為m3，由于累積量的原因需要使～用64位的變量而不是32位，這樣可以避免現存的大值累積量與小的瞬時流量累加時出現數據丟失。累計時間Timer1使用%R09000，時間的顯示格式為HH:MM:SS，如果操作者需要對設備進行復位操作Clear使用%T00022變量，進行點擊操作時%T00022觸發累計流量%R00039（單位L）和%R00035（m3）清零[5]。

圖2 氣體濃度界面圖Fig.2 Gas concentration interface

圖3 流量統計濃度界面圖Fig.3 Flow statistics concentration interface

在報警信息頁添加Alarm Object控件用于顯示實時的告警信息。在配置信息頁Config中Alarm Configuration中針設置告警的信息數目和告警內容變量%R00800，在Alarm Point 告警信息配置中添加提示信息內容，包括：PID參數設置錯誤、氣體濃度測量設備斷線、氣體流量計斷線、氣體濃度上限告警、氣體濃度下限告警、瞬時流量上限告警和瞬時流量下限告警等。設備在運行的過程中會根據變量%R00800的數值，以枚舉的方式顯示對于的告警信息值，以達到給操作者一個正確的操作依據[6]。

3 參數設置

圖4 報警消息界面圖Fig.4 Alarm message interface diagram

供氣的系統的工作模式有手動和自動兩種，在參數設置頁通過Select控件設置，Auto_Manual使用的變量是%M00001，M變量與T變量不同的是PLC下電之后仍保持記憶狀態，這樣就避免供氣系統重新上電時需要人工重新設置的問題。與曲線顯示頁一樣，氣體濃度SV設定值Auto_SP使用%R00025變量，如果用戶使用自動模式，供氣系統會依據PID自動調整閥門的設定值0～100%開度，而如果用戶使用手動模式就需要根據當前的實時測量值依據經驗手工調整閥門的0～100%開度值。上述參數都是常規參數值，為了保證設備的穩定運行需要操作者輸入高級密碼進入非常規的參數設置頁，窗口放置Password Data控件，Password_Input使用變量%R00701，需要注意的是為了保證密碼安全和易用性，輸入密碼長度設置為6位。

參數設置除了上述內容以外，還包括傳感器參數設置、系統參數設置、PID參數設置、系統時間設置和IP地址設置[7]。

1）氣體分析儀：濃度通道測量值%AI001，量程最小值O2_PPM_Min變量%R00003，量程最大值O2_PPM_Max變量%R00005，氣體濃度的修正值O2_PPM_BIAS變量%R00007；流量通道測量值%AI002，量程最小值N2_FLOW_Min變量%R00013，量程最大值N2_FLOW_Max變量%R00015，流量修正值N2_Flow_BIAS變量%R00017。

2）系統時間設置：RTC_DATE使用的變量依舊是%SR047，RTC_SEC使用的變量依舊是%SR044，與主頁不同的是設置界面具有編輯功能，主界面為只讀狀態。

3）IP地址設置：IP地址使用變量%R02001，操作者可以依次填寫，子網掩碼使用變量%R02003，網關地址Gateway使用變量%R02005。

4）PID參數：包括氣體濃度ppm最小值、氣體濃度ppm最大值、KP值、KI值、KD值、最小閥門開度值%、最大閥門開度值%、差值ppm、開度值%和報警差值ppm。

4 邏輯控制

一體化PLC控制需要進行梯形圖編程以實現邏輯控制，其主控制功能包括如下部分[8]：

圖5 參數設置界面圖Fig.5 Parameter settings interface

1）AI：將氣體濃度傳感器和氣體流量計的4mA～20mA模擬信號通過量程上下限值變送計算出瞬時值，再加上參數設置中的修正值得到瞬時值，以實現外圍儀表的數據采集。

2）Screen：當前顯示哪個界面，此時哪個界面對應按鈕的Indicator顏色變成激活色，對用戶輸入的密碼進行鑒權判斷，如果一致才可以進行高級參數配置。針對氣體濃度ppm進行區間劃分（分為5段）；如果設備是運行狀態且授權未到期，畫面上的流量指示燈就以1s為周期交替閃爍。

3）Mode：供氣系統多種工作模式下的切換和邏輯控制。

4）ACC：將氣體流量計L/min切換單位至m3，并將流量計的瞬時流量不斷進行累加操作，同時對一體化PLC控制器的運行時鐘不斷進行累加以保證授權功能的可靠實現。

5）Alarm：依據氣體濃度范圍、流量計瞬時流量范圍以及邏輯要求，觸發顯示不同的告警信息內容，同時觸發語音告警動作。

6）Trend：為滿足不同的顯示效果將曲線圖進行1s刷新顯示，X軸為720 s（2min），Y軸為氣體濃度值現場的數據變化較大，為了更好地呈現出顯示效果，將5段曲線控件進行疊加，根據當前數值范圍選擇顯示的曲線控件，對測量值進行曲線顯示，變量%R00009為濃度測量值。

7）Light：供氣系統除了可以在一體化PLC上操作以外，也可以通過按鈕和指示燈LED指示當前的運行狀態，依據當前的運行狀態進行邏輯判斷并點亮。

5 結論

本文從組態主界面、統計告警、參數設置和邏輯控制幾個方面介紹了智能供氣系統基于一體化PLC實現供氣的自動和手動調節控制。系統通過反饋的氣體濃度值，對供氣閥進行分段PID處理和曲線顯示。經測試比較，基于一體化PLC所設計的智能化供氣裝置，可以快速地實現閥門調節和流量值統計，運行高效且穩定達到了預期的設計效果。