EC20系列PLC在老化房控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

本文能過(guò)介紹了艾默生公司EC20 PLC在老化房控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及該產(chǎn)品PID閉環(huán)功能在恒溫控制上的實(shí)現(xiàn)和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能對(duì)艾默生EV2000的變頻器運(yùn)行控制。實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫度和變頻器運(yùn)行的集中控制。
關(guān)鍵詞：EC20 PLC 艾默生 EV2000 變頻器 控制

一、 概述

本文介紹了艾默生公司EC20 PLC在老化房控制系統(tǒng)中的應(yīng)用并著重介紹該產(chǎn)品的PID閉環(huán)功能在恒溫控制上的實(shí)現(xiàn)和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能對(duì)EMERSON EV2000變頻器運(yùn)行控制的實(shí)現(xiàn)。該老化房控制系統(tǒng)是家電，電子，電腦行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)檢測(cè)的重要設(shè)備，也是產(chǎn)品生產(chǎn)合格檢查的重要環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)采用EMERSON EC20 PLC和多臺(tái)EV2000變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度和變頻器運(yùn)行的集中控制。

二、 老化房控制系統(tǒng)工藝要求：

老化房結(jié)構(gòu)如圖所示：

具體要求如下：

1, 該系統(tǒng)所控制的老化房面積達(dá)16×30M，要求控制范圍在20-55℃，控制精度達(dá)±5℃，能夠在上位機(jī)對(duì)溫度設(shè)定/顯示/保存；（加濕控制采用單獨(dú)進(jìn)行和PLC無(wú)關(guān)）

2, 該系統(tǒng)有3個(gè)風(fēng)機(jī)，用于進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)和排風(fēng)；有4個(gè)風(fēng)閘：新風(fēng)閘，回風(fēng)閘，排風(fēng)閘，防火閘；2個(gè)防塵過(guò)濾網(wǎng)；6個(gè)火災(zāi)報(bào)警點(diǎn)；

在正常情況下（溫濕度），關(guān)閉進(jìn)風(fēng)閥和排風(fēng)閥，停止進(jìn)風(fēng)電機(jī)和排風(fēng)電機(jī)，打開(kāi)回風(fēng)閥和防火閥，啟動(dòng)回風(fēng)風(fēng)機(jī)，保持老化房?jī)?nèi)回風(fēng)循環(huán)；

在高溫情況下，排風(fēng)閥和進(jìn)風(fēng)閥打開(kāi)，啟動(dòng)排風(fēng)電機(jī)和進(jìn)風(fēng)電機(jī)，抽出部分空氣；

在火災(zāi)報(bào)警情況下，防火閥關(guān)閉，回風(fēng)禁止循環(huán)，全部從室內(nèi)抽出；同時(shí)排風(fēng)閥和進(jìn)風(fēng)閥打開(kāi)，啟動(dòng)排風(fēng)電機(jī)和進(jìn)風(fēng)電機(jī)，抽出室內(nèi)空氣；

3，其他要求省略；

三、 工作原理：

PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

EC20PLC設(shè)備的I/0接線如圖：

工作原理：

根據(jù)老化房工藝要求組成如上圖控制系統(tǒng)：上位機(jī)采用***研華IPC（工控計(jì)算機(jī)）；監(jiān)控畫(huà)面采用亞控公司的KINGVIEW軟件，該軟件操作簡(jiǎn)單，元件形象豐富，性能穩(wěn)定；核心控制部分采用EMERSON EC20-2012BTA類(lèi)型的PLC和4個(gè)溫度采集模塊（EC20-4TC，接受K型溫度信號(hào)）；傳動(dòng)采用EMERSON EV2000通用型變頻器。

在設(shè)備連接方面，EC20 PLC充分體現(xiàn)了自身的優(yōu)勢(shì)，由于EC20 PLC本身帶有2個(gè)串行通信口（1個(gè)RS232口，集成自由協(xié)議/編程協(xié)議/MODBUS從站協(xié)議，1個(gè)RS232/485口，集成自由協(xié)議/MODBUS主站/從站協(xié)議），EC20 PLC利用COM0口和IPC進(jìn)行通信（EC20 PLC做從站，設(shè)置成MODBUS從站協(xié)議），利用COM1和多臺(tái)變頻器組成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制（EC20 PLC的COM1設(shè)置成MODBUS主站協(xié)議）。

IPC為整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)接口，IPC讀取PLC采集的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)如各風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，各測(cè)溫點(diǎn)溫度，報(bào)警狀況并顯示在監(jiān)控畫(huà)面上，IPC又把各種操作命令傳給PLC以控制系統(tǒng)的運(yùn)行，如溫度的設(shè)定，PID參數(shù)設(shè)定，各種閥門(mén)的開(kāi)閉，變頻器的啟動(dòng)、停止等設(shè)定。并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工作運(yùn)行狀態(tài)、動(dòng)作過(guò)程及故障報(bào)警等，IPC還可以根據(jù)設(shè)定對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存打印。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，EC20 PLC為整個(gè)系統(tǒng)的核心，執(zhí)行各種系統(tǒng)操作及計(jì)算，EC20 PLC根據(jù)工藝要求和現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行邏輯判斷，開(kāi)閉各種閥門(mén)和啟停各風(fēng)機(jī)；同時(shí)利用自身的PID功能對(duì)溫度進(jìn)行控制，具體方法后面描述。

EV2000系列變頻器自帶RS485接口的通訊單元，符合RS485通訊規(guī)范，用于實(shí)現(xiàn)PLC與多臺(tái)變頻器的聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)MODBUS通訊協(xié)議，我們可以通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的運(yùn)行控制。由于RS485通訊鏈路傳輸距離遠(yuǎn)、配線簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此在設(shè)計(jì)中，我們省略了變頻器的外部起停控制線路，對(duì)變頻器的所有控制都通過(guò)RS485通訊鏈路來(lái)完成，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)高效的目的。

四、 監(jiān)控畫(huà)面

整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面主要分為主畫(huà)面，實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控，PID參數(shù)設(shè)定，三個(gè)部分（其他部分省略），具體如下：

主畫(huà)面如上圖所示，主要完成對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控（如各種風(fēng)閥的開(kāi)閉狀態(tài)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，報(bào)警狀態(tài)），數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（如系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間，啟停系統(tǒng)的次數(shù)），溫度設(shè)定/測(cè)量等功能。

實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控畫(huà)面如上所示，此畫(huà)面主要用于對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并描繪出溫度曲線趨勢(shì)，以便判斷系統(tǒng)的溫度控制是否處于良好狀態(tài)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行保存/打印等操作。

PID參數(shù)設(shè)定畫(huà)面主要用于比例常數(shù)P，積分常數(shù)I，微分常數(shù)D的設(shè)定，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)溫度曲線狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)；同時(shí)顯示PID控制的輸出比例。

五、 對(duì)溫度控制的實(shí)現(xiàn)

為便于對(duì)整個(gè)老化房?jī)?nèi)溫度的控制，同時(shí)充分利用EC20 PLC自身PID功能和PWM脈沖輸出（Y0，Y1）的優(yōu)勢(shì)，室內(nèi)溫度區(qū)域分為2個(gè)部分（上層和下層各8個(gè)測(cè)溫度點(diǎn)），對(duì)溫度取平均值作為溫度的測(cè)量值，并把此平均值送入PID功能塊進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)對(duì)加熱執(zhí)行元件（參考EC20 PLC的I/O接線圖，固態(tài)繼電器SSR1，SSR2，SSR3所控制的發(fā)熱管的功率逐漸加大）也進(jìn)行了分組處理：溫度偏差較小的情況下，進(jìn)行PID運(yùn)算，通過(guò)Y0輸出脈沖給SSR1，同時(shí)關(guān)閉SSR2，SSR3（即Y1，Y2停止輸出）；如果溫度偏差較大，則Y1，Y2也參加輸出，具體處理思路如下：

通過(guò)此法處理可以把溫度控制精度保持在±0.3度以內(nèi),而且無(wú)論提升溫度還是下降溫度都很快速；同時(shí)把PID輸出轉(zhuǎn)化為PWM的占空比輸出，又大大節(jié)省了PLC的資源（充分利用Y0，Y1的高達(dá)100KHZ的脈沖輸出功能）。

EC20 PLC的編程軟件CONTROLSTAR的操作簡(jiǎn)單方便，指令豐富，功能強(qiáng)大，是一個(gè)很優(yōu)秀的全中文編輯工具。

實(shí)現(xiàn)步驟具體如下：首先，在數(shù)據(jù)塊設(shè)定PID各參數(shù)，其中的重點(diǎn)是設(shè)置P，I，D三個(gè)參數(shù)和輸出量的上下限范圍，由于PID的輸出結(jié)果直接和PWM結(jié)合在一起，所以設(shè)置時(shí)要特別注意，在本例子中，按照PWM的周期為4秒（=4000MS）計(jì)算，把PID的輸出上下限分別設(shè)定為4000和0；另外按照逆動(dòng)作（BIT0=1），輸出限定（BIT5=1）的要求對(duì)D7911各位進(jìn)行賦值；

其次,在程序里調(diào)用PID指令和PWM指令用于控制Y0的輸出（對(duì)SV和PV的比較而進(jìn)行的邏輯控制輸出較簡(jiǎn)單，故此處省略）。

六、 對(duì)變頻器的啟?？刂?

由于EMESON EC20 PLC和EV2000變頻器（非標(biāo)）都集成MODBUS協(xié)議，所以實(shí)現(xiàn)它們的通信相對(duì)比較簡(jiǎn)單，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用RS485通信方式。

1. 各設(shè)備接口通信參數(shù)設(shè)置，對(duì)EC20 PLC設(shè)置如下：

2. EV2000的設(shè)置要點(diǎn)：1，各通信參數(shù)要和EC20 PLC一致；2，各變頻器的地址要有自己唯一的從機(jī)地址；3，注意變頻器的通信跳線開(kāi)關(guān)CN14撥在RS485方向

3. EC20PLC和變頻器的連接如下：

4. EC20 PLC和變頻器之間采用MODBUS RTU方式通信，Modbus采用“Big Endian”編碼方式，先發(fā)送高位字節(jié)，然后是低位字節(jié)。RTU方式格式如下：

RTU方式：在RTU方式下，幀之間的空閑時(shí)間取功能碼設(shè)定和Modbus內(nèi)部約定值中的較大值。Modbus內(nèi)部約定的最小幀間空閑如下：幀頭和幀尾通過(guò)總線空閑時(shí)間不小于3.5個(gè)字節(jié)時(shí)間來(lái)界定幀。數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用CRC-16，整個(gè)信息參與校驗(yàn)，校驗(yàn)和的高低字節(jié)需要交換后發(fā)送。具體的CRC校驗(yàn)請(qǐng)參考協(xié)議后面的示例。值得注意的是，幀間保持至少3.5個(gè)字符的總線空閑即可，幀之間的總線空閑不需要累加起始和結(jié)束空閑。

Modbus最主要的功能是讀寫(xiě)參數(shù)，不同的功能碼決定不同的操作請(qǐng)求。變頻器Modbus協(xié)議支持以下功能碼操作：

Modbus協(xié)議不同的功能碼有不同數(shù)據(jù)的格式和意義，簡(jiǎn)要介紹如下：

改寫(xiě)多個(gè)變頻器功能碼和狀態(tài)參數(shù)的格式協(xié)議：請(qǐng)求格式如下：

應(yīng)答格式如下：

讀取變頻器參數(shù)的協(xié)議格式：請(qǐng)求格式如下：

應(yīng)答格式如下：

變頻器的功能碼參數(shù)、控制參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)都映射為Modbus的讀寫(xiě)寄存器。功能碼參數(shù)的讀寫(xiě)特性和范圍遵循變頻器用戶手冊(cè)的說(shuō)明。變頻器功能碼的組號(hào)映射為寄存器地址的高字節(jié)，組內(nèi)索引映射為寄存器地址的低字節(jié)。變頻器的控制參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)均虛擬為變頻器功能碼組。功能碼組號(hào)與其映射的寄存器地址高字節(jié)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

F0組：0x00；F1組：0x01；F2組：0x02；F3組：0x03；F4組：0x04；F5組：0x05；F6組：0x06；F7組：0x07；F8組：0x08；F9組：0x09；FA組：0x0A；Fb組：0x0B；FC組：0x0C；Fd組：0x0D；FE組：0x0E；FF組：0x0F；FH組：0x10；FL組：0x11；Fn組：0x12；FP組：0x13；FU組：0x14；變頻器控制參數(shù)組：0x32；變頻器狀態(tài)參數(shù)組：0x33。

例如變頻器功能碼參數(shù)F3.02的寄存器地址為0x302，變頻器功能碼參數(shù)FF.01的寄存器地址為0xF01。

5、具體程序編寫(xiě)：?jiǎn)?dòng)5#變頻器正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為50.00HZ（內(nèi)部表示為5000）的命令如下：

程序清單：

讀取5#變頻器的運(yùn)行頻率，變頻器應(yīng)答運(yùn)行頻率為50.00HZ：

程序清單：

5#變頻器以最快速度停車(chē)：

七、 小結(jié)

該系統(tǒng)以前是采用IPC+控制I/O卡的方式進(jìn)行控制的，但是存在系統(tǒng)穩(wěn)定性能差，控制效果不理想，故障率高的缺點(diǎn)，自從改用EMERSON 的PLC作為系統(tǒng)的核心設(shè)備后，系統(tǒng)不僅達(dá)到良好的控制效果和很好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)比較容易維護(hù)，受到用戶的好評(píng)。