基于WinCC和PLC的压力调节系统设计

2013-06-01万鑫森

机电工程技术 2013年9期

万鑫森

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

0 引言

浮空器是一种依靠浮升气体升空的飞行器，可以搭载各种通讯、干扰、侦察、探测、光电、通信中继等电子设备升空到几百～几万米的高度，执行不同任务。由于其滞空时间长、探测范围大、能耗低、费用少、操作维护简单，成为世界各国重点研究的装备。图1所示为各国浮空器示意。

图1 世界各国浮空器

浮空器在执行任务时必须达到一定的高度，并且不断调整，随着高度的变化，环境温度、压力随之变化，浮空器内外压差也会相应的迅速变化。如果这种压差不能得到有效即时的调节控制，当内部气体压力过大时，很容易导致囊体破裂；而当温度或者高度下降时，浮力气体压缩，内外压差不够，整个气囊无法保形，导致囊体刚度变化，因此，浮空器一般都需要安装压力调节系统，以调节浮空器的内外压差，使其在不同环境、不同高度下保持在恒定的范围内，并使得软式气囊具有一定外形和强度。

本文将基于WinCC 和PLC，研究一种压力自动调节系统，具有实时监控，参数设置，在线趋势显示，数据记录和存储、状态报警等功能，以实现浮空器压力自动调节。

1 系统设计

浮空器一般包括主气囊、副气囊、尾翼和整流罩等多个气室。主气囊内部充满浮力气体，副气囊在主气囊内部，用于调节内部压力；尾翼在主气囊尾部，用于保持浮空器的自稳定性；整流罩在副气囊底部，用于防护电子设备。各个气室分布如图2所示。

图2 浮空器各个气室分布示意图

压力调节系统需要通过测量各个气室与外界的压差，并和设定值进行比较，适时打开进气装置或排气装置，使各个气囊的压差保持在恒定的范围之内。

系统需要控制的设备包括副气囊进气和排气装置、尾翼进气和排气装置、整流罩进气和排气装置；主气囊是密封的，不需要进排气装置。需要检测的参数包括主气囊压差、副气囊压差、尾翼压差、整流罩压差以及各个进排气装置的工作状态。通过判断各个气囊的压差，给出相应的控制信号，若设备发生故障，导致压力失调，将给出报警信息，提示操作人员人工干预；系统还能记录并保存数据，以便进行囊体密封、强度特性等参数分析。

1.1 PLC程序设计

根据西门子S7-200手册，选用CPU226以及1个EM235 模拟量模块。选定硬件后先进行端口分配和定义。端口分配如表1所示。

PLC程序主要包括两大块：模拟量采集部分和控制输出部分，此处重点就模拟量采集部分程序进行说明。

1.1.1 模拟量检测程序

压差值是压力调节系统执行的基础，因此对传感器的精度和稳定性要求比较高。这里选用Honeywell公司的一款高精度压力变送器，能提供动态补偿，减少了由于温度、环境、长期稳定性引起的漂移误差。传感器输出是4～20 mA 的模拟信号，量程为0～150 mmH2O。而PLC的模拟量接口输入是0～20 mA，对应的数字量为0～32 000，因此，还需经过计算和转换，以便得出所需要的压差参数[1]。

表1 PLC端口分配表

设Y为实际需要的压差参数，X为PLC经过模数转换得到的数字量，则Y 与X 之间存在如下关系：

为简化编程，首先设计一个模拟量采集子程序；其次，对子程序进行调用，得出压差值；最后在主程序中引用压差值进行压力控制。

子程序的输入、输出及相关中间变量如表2所示。

表2 子程序变量定义

根据公式（1）以及表2的变量定义，模拟量采集子程序示意如下。

该子程序有 INPUT、RANGE 和OUTPUT三个对外接口，分别表示输入、量程和输出。在调用该子程序时，只要将输入和量程对应，就可以得出所需的压差值。

子程序完成后，需要进行调用，即可完成参数采集。

最后在主程序（Main）中调用SBR_0 运行即可。

1.1.2 控制和报警程序

采集到各个气囊的压差后，即可对压力值进行比较和控制。每个气囊都有一个安全工作的压力范围，压力超出最大设定值就控制排气装置释放空气，低于相应的值关闭；反之当压力低于最小设定值就控制进气装置充气，到达设定值停止；程序还设定了各个气囊欠压和过压报警点，通过比较进行报警。软件控制流程图见图3。

PLC程序完成后需要和上位机WinCC 软件进行通信。

1.2 WinCC的通信与组态

WinCC 是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的过程耦合、快速的画面更新，以及可靠的数据使其具有高度的实用性[2]。

图3 软件流程图

1.2.1 利用OPC与PLC建立连接

由于西门子S7-200 系列PLC的推出时间比WinCC 要晚，因此WinCC 中没有集成该PLC的PPI 协议，不能直接监控。这里采用OPC 服务器的方式，可以方便的建立通信。

OPC（OLE for process control）即用于过程控制领域中的对象链接与嵌入（object linking and embedding，OLE）。它是由OPC 基金会制定的一套基于COM/DCOM技术，采用客户/服务器模型制定的一种工业控制领域的开放式标准[3-4]。

首先在OPC 服务器中与PLC变量建立连接。这里采用开普的KEPServerEx 作为OPC 服务器，双击打开“KEPServerEx”应用程序，首先添加通信通道，名称默认为“Channel1”，设备选择“Siemens S7-200”，通信端口是“COM1”，参数系统默认。然后添加设备，名称默认是“Device1”，模式为“S7-200”，在“Device1”下添加组“Group1”，在“Group1”下增加变量。需要设置的变量参数包括“Name”、“Address”、“Description”、“Date Type”和“Scan”等。添加完参数后保存一个名为“YLTJ”的OPF文件，如图4所示。

1.2.2 WinCC与OPC的连接

图4 PLC与OPC服务器的变量连接

在WinCC 变量管理器中添加一个新的驱动程序，新的驱动程序选择OPC.CHN，在OPC GROUP 中选择“系统参数”，在跳出的“OPC 条目管理器”窗口中选择“\＜LOCAL>”下面的“KEPware.KEPS- erverEX.V4”，点击“浏览服务器”，将刚才在OPC 服务器中定义的变量添加到WinCC外部变量中，如图5所示。

图5 WinCC与OPC变量连接示意图

1.2.3 WinCC组态

为说明WinCC 的组态过程，本小节以添加一个压力在线趋势显示为例，进行操作。

打开WinCC 资源管理下的“变量记录”，在“归档”下选择归档向导，将需要归档的变量添加到“过程值归档”中，设置归档周期等参数。

打开WinCC 资源管理下的“图形编辑器”，新建一个名称为“ONLINE”的Pdl 文件，双击打开后，将控件目录下的“WinCC Online Trend Control”控件添加到图形中，调整到合适的大小。双击控件，在“曲线”窗口下添加4 个趋势，名称分别为“主气囊压差”、“副气囊压差”、“尾翼压差”、“整流罩压差”，在选择“归档/变量”中，将相应的变量和名称进行对应。在“常规”窗口下勾选“公共X 轴”，在“数值轴”窗口下设置“标签”、“粗略定标”、“精细定标”、“范围选择”等参数，使得趋势图便于观察，设置好以后保存并关闭图形编辑器。

在WinCC 资源管理器下，右键打开计算机属性，在“启动”窗口下勾选“变量记录运行系统”、“图形运行系统”、“用户归档”后，就可以运行WinCC对趋势图进行测试了。

2 测试与运行

经调试，该套装置在地面进行了模拟试验。结果表明，系统能准确地监控各个气囊的压力状态，显示最近2 分钟内各个气囊压力状态变化过程，并对气囊压力进行自主控制。图6所示为压力曲线测试示意图。以尾翼为例，当压力达到设定的压力值时（图6中A点），系统停止充气；随着不断漏气，压力逐渐降低，当压力值达到设定的值时（图6中B点），系统自动打开充气装置充气。