马志新

（甘肃能源化工职业学院电气工程系，甘肃 兰州 730000）

1 流程工业自动化中自动控制系统的组成

在流程工业生产过程中，许多流体在由管道和设备组成的密闭系统中连续地进行着物理或化学变化。一个生产过程自动化控制系统由被控制的设备、测量变送设备、控制仪表和能输出位移、角度变化的执行器四部分组成。为了自动控制系统设计方便和得到高质量的控制效果，根据工业生产要求及工艺流程要求，通过选用合适的仪表及控制装置组成自动控制系统，并对主要参数进行整定，使系统的过渡时间最短，实现对生产过程的自动最优控制。

2 基于智能设备的流量自动控制系统的设计方案

2.1 工艺流程

本案以SCE-IAI02工业自动化实训设备为例。该实训装置工艺方面由1个水槽和2个储罐组成，水槽处于台面下方位置，2个储罐处于台面上方位置，2个储罐管路连通构成2阶系统。

水槽和2个储罐通过管道连接，介质水在水泵的驱动下从水槽抽出，流向铁罐，再流向透明罐，循环往复。该装置上还有电源单元、按钮单元、变频器单元、PLC控制单元、仪表单元、三相异步交流电动机、水泵、加热管、检测仪表、电动调节阀和接口模块等组成。通过检测仪表测量管路系统的压力、流量、温度、液位，借助于PLC和上位机可以构成自动检测系统，通过PLC的运算，通过变频器和电动控制阀为执行器，可以组态出不同变量的自动控制系统。

2.2 自控系统的构成（被控变量、操纵介质的选择）

在SCE-IAI02工业自动化实训设备上，有水槽和储罐，还有电磁流量计，可以选择安装有电磁流量计的一段直管道为被控对象，选择管道中的水的流量为被控变量，选择水为操纵介质，选择G120变频器为执行器，S7-1200PLC为控制器，就可以构成一个流量自动控制系统。

2.3 硬件选型

首先要设置PG/PC接口。从工控电脑控制面板进入，设置网卡并确认。打开工控电脑TIA PORTAL组态软件，先创建一个新项目，命名并选择保存路径，切换至PORTAL视图，在树形目录下，添加新设备，选择控制器S7-1200，型号CPU1214C DC/DC/DC，订货号6ES7214-1AG40-0XB0，在巡视窗口属性栏中设置PLC的IP地址和子网掩码，编译下载。

2.4 选择AI/AQ模块型号并组态

在自动控制系统调节过程中，会有A/D转换和D/A转换过程，需要在TIA PORTAL组态软件设备视图中添加AI/AQ模块，具体型号为AI4×13BIT/AQ2×14BIT，订货号6ES7-234-4HE32-0XB0。还需对模拟量输入的4个通道进行设置，通道0至通道4地址类型为IW，电流信号，范围为4-20mA DC，设置I/O起始地址。

2.5 添加G120变频器并与PLC联网，组态报文类型

变频器的作用是把输入电压频率固定的交流电变成输出电压频率可调的交流电，实现变频调速。西门子G120变频器采用模块化的设计，G120变频器可以通过PROFINET接口无缝集成到全集成自动化系统中。在网络视图中，从硬件目录下选择其它现场设备，在PROFINET I/O下DRIVES中，选择G120变频器，型号为SINAMICS G120CU250 S-2PN VECTOR V4.7，订货号6SL3246-0BA22-1FAX，将它拖入设备视图空白处，拖网口，完成和PLC联网。

在G120巡视窗口属性栏中设置常规属性，给G120变频器设置一个PROFINET设备名称，再设置一个IP地址。在硬件目录子模块中，选择标准报文1-1PZD2/2，将报文模块拖至设备概览空槽中，设置该报文的I/O起始地址，这样，PLC和G120变频器2台设备只要联网成功，就可以互相通信，传输控制字和转速字。

2.6 G120分配IP地址及分配Device Name

在项目树中，选在线访问，点击更新可访问的设备，在系统识别出G120后，利用在线并诊断功能，对G120进行分配Device Name和分配IP地址，G120的Device Name和IP跟前面设置的要保持一致。

2.7 上位机组态并联网

在不使用HMI的情况下，可以将工控电脑组态为上位机，将电脑LCD当做DISPLAY，集中显示采集到的过程参数。在设备视图中增加PC-STATION，然后给PC机添加Communication Moduls常规IE和Wincc Advanced应用软件。上位机添加完毕，点击网口，在PC的巡视窗口属性栏常规设置中设置IP地址，此IP和工控电脑主机的IP地址一致，并和PLC联网，再给PC-STATION添加新画面，在新画面中增加I/0域、文字域、按钮，将按钮和变频器启动停止的控制元素关联，并将I/0域和对应需显示的模拟量进行关联。文字域定义对应显示的字符，工控电脑的LCD可以显示有关变量的实时总貌画面。

2.8 编辑变量表

用PLC变量表定义变量的符号地址，然后在用户程序中使用它们。也可以在变量表中修改自动生成的符号地址的名称。

S7-1200提供变量表功能，可以用变量表来定义地址或常数的符号。可以为存储器类型I、Q、M等创建变量表。打开项目树的文件夹“PLC变量”，添加新变量表，打开新生成的变量表，在变量表的“名称"列输人变量的名称；单击“数据类型”列右侧隐藏的按钮，设置变量的数据类型(只能使用基本数据类型)，模拟量输入的数据类型为Word，模拟量采集后PLC运算输出的实时数据类型为Real。给管道流量变送器分配的与A/D模块连接的地址为IWxx，给管道流量采集变换之后分配的输出地址为MDxx。

2.9 主程序编程

在项目树目录下Main主程序界面中，先增加几个Real型的临时数据temp，采集几个模拟量就增加几个临时数据temp，液位、流量、压力、温度、电动控制阀开度等诸多模拟量采集在梯形图中可以通过不同的指令实现，本案中采用缩放转换指令。

变频器停止的控制字为047E，启动的控制字为047F，用MOVE指令将变频器的启动、停止控制字传送给对应的QW，就可以实现变频器的启动停止控制。主程序编写完毕，编译下载到CPU中。将变频器设为HAND状态，手动输出一个电压值，驱动电机和泵运转使水路循环，启动主程序状态监视，进入在线模式后，在主程序有关数据块的OUT端会出现被测变量的实时测量值。

2.10 子程序中调用PID-Compact指令

调用PID-Compact指令的时间间隔为采样周期。为了保证精确的采样时间，在循环中断OB中调用PIDCompact指令。

打开项目视图中的工艺对象，选中“添加新块”，选中打开的对话框中的“组织块"按钮，选中"Cyelicinterupt”，生成循环中断组织块，设置循环时间，并对该模块进行设置，设置控制器类型及Input和Output参数。打开指令卡的“工艺”窗口的PID控制文件夹，将其中的“PID_Compact”指令拖放到循环中断组织块，设置Set point的具体流量值，将Input和流量反馈值关联，将循环中断组织块的输出Output per和G120的转速字QW关联，ModeActivate上连一常开触点M，运行模式开关State关联一寄存器MW。编译下载。

2.11 调试

调用子程序，并使子程序处于程序状态监视，将ModeActivate外接的常开触点通过修改操作数为1再为0接通一次，运行模式开关Mode关联的寄存器MW修改操作数为3，通过主程序状态监视START变频器，使变频器接收PLC的输出控制字和PID给出的具体转速字，驱动电机带动泵运转，使水路循环，完成流量的采集和PID控制，使流量稳定于Set point附近。以变频器为执行器，PLC为控制器的流量自动控制系统调试完毕。

还可以在线调试，通过修改PID模块的Kc、Ti、Td等参数，使系统很快出现衰减比为4:1-10：1的衰减振荡，实现最优控制方案。

3 结语

PLC是典型的数字式控制器，G120变频器是智能设备。在流程工业自动化领域，在相同的控制规模下，使用数字式控制器和工业以太网，极大地减少了仪表数量，因而大大减少了仪表外部的硬接线。PLC采用数字技术实现了控制技术、通信技术和计算机技术的综合控制。PLC可以通过网络与工程师站连接，实现小规模系统的集中监视和操作。还可通过通信接口挂接到数据总线上，构成中、大规模的集散控制系统。