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PLC在工業集散控制系統中的應用
PLC在工業集散控制系統中的應用
隨著國內工業的蓬勃發展，工業自動化程度的不斷提高，工業控制系統在工業過程控制中發揮著越來越重要的作用。各種儀器設備、交通工具、生產流水線、航天航空器具都離不開工業控制系統，特別在工業生產中，產生了巨大的經濟效益。在國內，工業控制系統也經歷了好幾個階段，從單片機、STD總線、蘋果機、工控機的單點控制到工控機、單片機的多點控制，直到現在的工控機、PLC、單片機的集散式控制系統，表明了國內工業控制在技術上的不斷發展。隨著技術的不斷進步，可編程控制器（PLC）將成為今后工業控制的主要手段和重要的基礎控制設備之一。
PLC是一種數字式運算操作的電子系統，用來完成工業控制中不同的復雜的控制功能，它通過自己的編程語言來執行一些邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算指令，并通過繼電器、A/D或D/A的輸入輸出達到控制的目的。PLC是60年代初在美國問世的，開始主要用于汽車制造行業，但在七十年代后期硬件環境的變化、硬件成本的降低和編程指令的大眾化使它的應用范圍不斷擴大。PLC面向用戶的專用工業控制計算機，具有許多明顯的特點：可靠性高、編程直觀簡單、適應性好、功能完善、接口功能強。
二、行業特點
1997年我們成功地完成了一個印染行業的集散控制系統。印染行業在我國是一個具有很長歷史的老工業，設備陳舊，對染機控制還是依靠手工操作。但是近幾年來，國際國內市場上印染產品競爭日趨激烈，因而對印染行業的生產工藝和印染質量提出了更高要求。所以我們針對印染行業的特點，對 原來自動化程度不高的染機進行改造，研制了PLC與微機的集散式控制系統，該系統控制可靠、操作簡便、開發性強、易于擴充和維護，具有較高的性價比。系統對整個印染過程進行全程控制和監管，對數據進行采集、顯示、檢測，大大提高了生產效率和印染質量。
三、系統組成
工業控制機群通過網卡相連，與信息網共享數據，管理工作站通過網絡對每個站點進行參數配置，并收集每個站點的有效信息如產量、合格率等，供生產管理部門和計劃部門使用。每個工業控制機控制一個或多個PLC控制器，對PLC進行參數設置、啟停工作、完成一定的算法并給控制人員提供監控畫面，監視每個 !"# 的工作狀態和執行機構的工作狀態。而PLC具體執行控制工作，接受參數后進行閉環控制，直到一個 循環結束，并且每個PLC之間用RS-232、RS-485進行通信，當一臺工控機發生故障時，可由另一臺正在工作的工控機接替監管，從而達到容錯和集散式控制的目的。
該系統還具有以下幾個特點：
1、根據用戶提出的要求，詳細編制各種染色的工藝流程，通過程式號方式方便地對各種布料進行染色控制。
2、通過自行開發的軟件，實現人機交互對參數進行詳細的設置調整，達到精確控制的目的。人機交互界面良好、操作簡便、監控信息也一目了然。
3、為了提高控制的精確性，并減少能源的耗費，系統針對夏季和冬季進行各自的參數控制，達到高效控制的目的。
4、在生產過程中為了減少停產的損失，在系統或執行機構發生故障時還提供了手動的功能，由系統控制改為人工控制，并有單點的信息監控。
四、軟硬件設計
在該系統中，管理工作站及工控機都是用來完成參數的設置和信息的收集的，具體的控制功能主要由PLC系統完成。該系統的PLC是松下電工株式會社的PLC FP-10SH，包括POWER單元、CPU單元、A/D和OUT單元，由A/D單元對染機的溫度進行采樣，通過一定的算法后，由OUT單元觸點 去控制冷卻閥和汽閥的繼電器工作，系統采用4個A/D單元，共32路進行輸入采樣，8個開關量輸出單元為128路，每一路控制由4個繼電器（啟/停、自動/手動、汽閥、冷卻閥）組成 。內有30KB程序存儲器，支持梯形圖設計和FP-BASIC語言，該系統的每個染機控制原理相同，不同的僅僅是每個染機控制參數。為了節省存儲資源，便于今后的擴充，在PLC程序編制方面僅對寄存器進行了分段分配，程序中采用了多次 循環嵌套，達到了合理利用資源的目的，并減少了隱性錯誤的存在。
五、實現過程
計算機對染機內部溫度的控制，主要是通過對蒸汽閥和冷卻閥的開關時間進行控制來實現的。由于工業過程對溫度的要求比較高，在加熱過程中溫度要均勻上升，在恒溫過程中溫度的誤差不能超過±1℃，而染機的升溫和降溫都存在過沖現象，因此設計采用模糊控制的方法，由于模糊控制，它不要求對象的精確數字模型，再者模糊控制本身就是一種非線性控制，當對象參數發生變化時，有較強的適應性，亦即具有較強的模仿性。利用模糊集合理論和語言變量的概念，可以把利用語言歸納的手動控制方法上升為數值運算，用計算機來完成這個任務以代替人的手動控制，實現模糊自動控制。整個爐溫控制過程采用模糊控制的方法，每個不同的段都由PLC根據初始溫度T1和段的結束溫度T2，以及這一段的時間t計算出溫度上升或下降的斜率k=（T2-T1）/t，再計算出每s秒需要上升或下降的溫度。然后根據定時器M的值來定出現在這一個s秒的目標溫度。一開始計時，M值即為1 ,，再每過s秒加1。
假如 M=x ，則這一小段的目標溫度為Ux=T1+k*x*s 。然而，因為目標值是一個定值溫度，為了讓控制蒸汽閥和冷卻閥的繼電器不至于太過頻繁地跳動，我們把這個值擴大為一個域，在升溫過程中溫度到達域的上限，則停止升溫（蒸汽閥關閉），當溫度下降到域的下*，又開始升溫（蒸汽閥打開）。
通過大量的實驗和計算，找出適當寬度的域，使控制更為精確、可行。PLC的工作流程圖如圖2所示。
六、計算機與PLC通信
在一個規模較大的工業控制系統中，常常有幾十個、幾百個甚至更多的測溫和控制對象。即使速度很高的系統，也很難滿足要求。為了降低危險，提高可靠性，必須將任務分散，而分散的設備需要通過一定的手段連接起來，其中數據通信和系統互連是該系統的關鍵技術之一。FP-10SH具有較強的通信功能，可以適合各種工業自動化網絡的不同需要， 其中包括以太網協議及通用接口、H型鏈接通信系統（H-LINK）、P 型鏈接系統（0PTICAL LINK）、W型鏈接系統（WIRE-LINK）和C-NET鏈接系統，還有遠程I/O通信系統（REMOTE I/O），它們通過RS485、RS232或專用網絡插座在PLC-PLC、計算機與PLC之間進行通信。但是要利用這些系統協議，必須采用專用高級通信單元，這勢必增加系統的成本。
為了節省開支，該系統直接采用松下電工最基礎的專用通信協議——NEWTOCOL。
NEWTOCOL分為兩部分：一是NEWTOCOL-COM，即關于計算機通信的 協議；二是NEWTOCOL-DATA，即關于數據傳輸協議。