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      基于PLC的調(diào)節(jié)閥控制器研究

      2013-12-31 07:20:10徐柳濱
      機械工程師 2013年4期
      關(guān)鍵詞:執(zhí)行機構(gòu)模擬量調(diào)節(jié)閥

      徐柳濱

      (1.哈爾濱工程大學(xué),哈爾濱150000;2.哈電集團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 來實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的自動控制,進而實現(xiàn)維護電站系統(tǒng)的正常運行。

      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)行機構(gòu)和閥組成見圖1。執(zhí)行機構(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方面:①由于泵的特性,當(dāng)系統(tǒng)流量減少時由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加;②當(dāng)流量減少時,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)行機構(gòu)。

      3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計思想

      首先對調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)進行分析,電容式壓力傳感器實時傳輸壓力信號送入PLC,PLC 先經(jīng)過硬件組態(tài)再進行編程,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,信號經(jīng)PLC 后輸出一個使調(diào)節(jié)閥電動執(zhí)行機構(gòu)閥門開度減小的指令;反之,當(dāng)測出壓力小于7kPa 時,PLC 輸出一個使調(diào)節(jié)閥電動執(zhí)行機構(gòu)開度開大的指令;而管道壓力處于7~9kPa 時,調(diào)節(jié)閥電動機構(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;設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖程序;將程序輸入PLC;進行軟件測試;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)建一個帶有SIMATIC 工作站的項目。

      3.6 連接電路

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

      圖4 中間繼電器線路圖

      互鎖功能的實現(xiàn):

      (1)當(dāng)繼電器1 接通時,繼電器1 的觸點14、13 與繼電器2 的觸點9、1 形成回路,此時繼電器1 正常工作,觸點9、1 斷開,繼電器2 的觸點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,此時繼電器1 無法接通。

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

      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)進行調(diào)試,在SIMATIC Manage 界面中,將BLOCKS 中所有的塊及System data 點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,在壓力的各個范圍內(nèi)相應(yīng)的開閥、關(guān)閥和點動指令的執(zhí)行。調(diào)試完畢后,經(jīng)檢驗程序邏輯正確,運行正常,實現(xiàn)了對調(diào)節(jié)閥的自動控制,達到了預(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,通過對調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)進行分析,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 的編程實現(xiàn)對系統(tǒng)中壓力實時的監(jiān)控,并調(diào)節(jié)參數(shù)的波動范圍在允許的范圍之內(nèi),維護電廠的正常運行。

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

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

      [3] 西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動集團.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.

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