PLC在水下電弧控制系統中的應用

1 引言
水下電弧有著(zhù)廣泛的用途，其中應用之一是水下制取“電弧氣”。制造電弧氣的一個(gè)關(guān)鍵要素就是保持電弧電壓的穩定，使電弧能在水下穩定放電。大電流(1000 A，DC)、大功率(50 kW)水下電弧放電本身是一個(gè)復雜的過(guò)程，電弧長(cháng)度短，具有非線(xiàn)性、變參數、不易穩定等特點(diǎn)。試驗表明采用PFC-PID串級控制策略的水下電弧控制系統的動(dòng)態(tài)品質(zhì)明顯優(yōu)于采用傳統PID控制的系統，具有較強的魯棒性和抗干擾能力。
大多數PID控制都是基于單片機進(jìn)行，但單片機控制的DDC系統軟硬件設計較為復雜，特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長(cháng)處，而PLC在這方面卻是公認的最佳選擇。隨著(zhù)PLC功能的擴充，許多PLC控制器中都集成了PID控制功能，因此在邏輯控制與PID控制混合的應用場(chǎng)所中采用PLC控制是較為合理的。經(jīng)過(guò)認真的市場(chǎng)調研和技術(shù)準備，筆者使用了目前比較先進(jìn)的PLC技術(shù)開(kāi)發(fā)控制系統，對現場(chǎng)各種生產(chǎn)過(guò)程信號進(jìn)行采集.監測、計量。從實(shí)際應用的效果來(lái)看，該系統具有性?xún)r(jià)比高、可維護性強、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統的工作原理
在水下電弧控制系統中，電弧放電在反應器中完成，氣體由此產(chǎn)生。電極控制裝置連續地將碳棒電極送入反應器中并維持電極電弧的穩定，從而保持電弧電壓和電流的恒定，使得產(chǎn)氣成分穩定且產(chǎn)氣效率提高。水下電弧控制系統示意圖如圖l所示。

1.控制器，2.伺服放大器，3.220 W交流伺服電動(dòng)機，4.進(jìn)退限位開(kāi)關(guān)，5.碳棒檢測開(kāi)關(guān)，6.前進(jìn)限位開(kāi)關(guān)，7.陰極碳棒，8.陽(yáng)極碳棒，9.下棒控制電磁閥，10.反應堆，T.反應罐溫度，P.反應罐壓力，U.電弧電壓，I.電弧電流。
碳棒的進(jìn)退是通過(guò)伺服電機經(jīng)傳動(dòng)作用來(lái)實(shí)現控制的?？刂破魍ㄟ^(guò)不斷檢測T、P、U、I值的大小及各開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)來(lái)控制電機的轉速，通過(guò)動(dòng)絲桿傳動(dòng)作用推動(dòng)碳棒前進(jìn)，當碳棒前進(jìn)速度同碳棒燃燒速度一致時(shí)，可認為弧長(cháng)基本不變，從而實(shí)現整個(gè)電弧的電壓電流恒定控制。
由于陰極碳棒相對陽(yáng)極碳棒燃燒速度較慢，在工藝設計時(shí)，將陰極碳棒與推進(jìn)導桿連為一體，由伺服電機控制該碳棒的進(jìn)退，其換棒工序需人工手動(dòng)完成；陽(yáng)極碳棒則與推進(jìn)導軒相分離，導桿只可往前推進(jìn)碳棒，而不能控制其后退，通過(guò)位置檢測開(kāi)關(guān)檢測碳棒是否推進(jìn)到位，以決定是否進(jìn)人自動(dòng)換棒工序。在進(jìn)行換棒時(shí)，電機控制陰極導桿快速后退，同時(shí)另一電機控制陽(yáng)極碳棒自動(dòng)跟進(jìn)，以免斷弧。

3 S7-200系列PLC的特點(diǎn)
S7-200為西門(mén)子公司生產(chǎn)的SIMATIC系列小型PLC，無(wú)論是獨立運行，還是相連成網(wǎng)絡(luò )，皆能實(shí)現復雜控制功能，適用于各行各業(yè)、各種場(chǎng)合中的檢測、監測及控制的自動(dòng)化。此次選用的CPU226有如下特點(diǎn)：24輸入、16輸出共40個(gè)數字量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)；13 KB程序和數據存儲空間；6個(gè)獨立的30 kHz高速計數器，2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出，具有比例、積分、微分(PID)控制器；2個(gè)RS485通信-編程口，具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由方式通信能力；I/O端子排可很容易地整體拆卸。自由通信是S7-200系列PLC的一大特色。它使S7-200系列PLC可以與任何通信協(xié)議公開(kāi)的設備、控制器進(jìn)行通信，即可以由用戶(hù)自己定義通信協(xié)議(如ASCⅡ協(xié)議)。波特率最高為38.4 kbit/s(可調整)。因此可以通信的范圍大大增加，控制系統配置也更加靈活、方便。

4 控制系統方案設計
如圖2所示，本控制系統的現場(chǎng)控制部分選用了S7-200 Micro PLC CPU226 DC/DC/DC型和SIMATIC TP 270型觸摸式面板作為基層控制部分。PLC與觸摸屏間的通訊通過(guò)RS-485串行總線(xiàn)完成。PLC控制器本機系統通過(guò)其擴展模塊主要完成5方面功能：DI(開(kāi)關(guān)量輸入)、DO(開(kāi)關(guān)量輸出)、AI(模擬量輸入)、AO(模擬量輸出)、通訊。其中DI口用于檢測開(kāi)關(guān)狀態(tài)(如液位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等)；DO口用于高速脈沖的發(fā)送、變頻器的開(kāi)?？刂?、各電機的開(kāi)?？刂?、電磁閥的控制等。AI用于模擬量的采樣，現場(chǎng)模擬量主要包括反映罐溫度、壓力、電弧的電壓電流等，從現場(chǎng)傳送到AI模塊的信號為4 mA~20 mA電流信號。AO則根據現場(chǎng)采集到的信號調節模擬量輸出大小來(lái)控制變頻器頻率的高低，進(jìn)而通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現對循環(huán)泵和氣體壓縮泵的速度控制。伺服電機的控制則通過(guò)告訴脈沖輸出控制來(lái)完成。在控制柜內部預留出用于其它功能模塊的擴展空間，如額外的壓力檢測、氣體濃度檢測，還有Medem上網(wǎng)模塊，以后系統升級可將現場(chǎng)得到的各種數據通過(guò)Modem發(fā)送到Internet。

5 系統軟件設計
5.1 PLC程序設計說(shuō)明
CPU226是西門(mén)子S7-200系列中的高檔PLC，本機自帶24個(gè)數字輸入口、16個(gè)數字輸出口及兩個(gè)RS-422/485串行通訊口，最多可擴展7個(gè)應用模塊。這里通過(guò)擴展EM231模擬輸入模塊來(lái)采集電壓信號，輸入模擬信號可選擇O V～10 V、5 V、0 mA~20 mA等多種信號輸入方式。最終PLC根據輸入電壓信號的大小控制脈沖發(fā)送周期的大小，從而達到控制伺服電機速度的目的。本系統中控制程序主要完成以下幾個(gè)任務(wù)：
1)系統參數的初始化；
2)各種檢測開(kāi)關(guān)的讀??；
3)電壓、電流、工作壓力、溫度等的讀??；
4)電機、變頻器、電磁閥等的控制。
為了完成上述各種功能，程序分為七大模塊，分別為：
1)初始化程序：完成系統各種參數的初始化，如在控制面板上對參數作了修改，則下次運行時(shí)會(huì )自動(dòng)用新參數完成初始
化；
2)模擬量的讀?。洪_(kāi)機工作便開(kāi)始完成電壓、電流、工作壓力、溫度等的監測與讀取，實(shí)時(shí)傳遞數據到面板顯示；
3)主控程序：完成各子程序使能模塊的調用及切換，各種限制及保護功能等；
4)手動(dòng)控制程序：實(shí)現各種控制狀態(tài)的手動(dòng)操作；
5)自動(dòng)控制程序：完成自動(dòng)換棒、自動(dòng)補水、自動(dòng)引弧、各種電機等的控制；
6)控制算法程序：完成對產(chǎn)氣壓力和工作電弧的恒定控制；
7)PWM/PTO脈沖控制：根據檢測到的電弧電壓及碳棒狀態(tài)自動(dòng)調節脈沖頻率或脈沖個(gè)數、兩個(gè)脈沖口的配合與切換、PWM/PTO工作方式的配合與切換等。
5.2 程序控制流程
整個(gè)程序的控制難點(diǎn)在于對電弧的控制，因此，本文僅給出電弧控制的流程，如圖3所示。電弧控制難的主要原因在于電弧燃燒時(shí)其間距較小，容易受到外界干擾，引起控制器的震蕩。在換棒過(guò)程中，最容易出現斷弧現象，針對電弧燃燒時(shí)陰極和陽(yáng)極燃燒速度不同設計了以下控制程序(陽(yáng)極燃燒速度遠遠大于陰極)。

在換棒時(shí)，右電機(控制陽(yáng)極碳棒)控制滾軸絲桿全速后退，左電機(控制陰極碳棒)則進(jìn)入PID調節程序自動(dòng)跟進(jìn)，當檢測到碳棒到位，右電機先控制滾軸絲桿快速前進(jìn)以彌補虛位，然后將PID控制切換到右電機上，左電機緩慢后退。

6 結束語(yǔ)
基于PLC的水下電弧控制系統軟硬件設計較為簡(jiǎn)單，但邏輯控制功能強大，由于許多PLC控制器中都擴充了PID控制功能，因此在邏輯控制與PID控制混合的應用場(chǎng)合采用PLC控制是較為合理的。從系統實(shí)際運行的效果來(lái)看，該系統性?xún)r(jià)比高、可維護性強、性能穩定。