基于S7-200PLC的高压调节阀控制器设计
当今的工业生产中，用于控制水、气、油等各种流体传送的阀门是不可缺少的重要设备。在高压的场合危险性非常高，如果使用手动调节阀，不但不能在线自动调节阀门开度，实现安全操作，而且在操作过程中，若产生泄漏或操作失误，则会造成人员伤亡。随着计算机控制系统的广泛应用，电动阀门要求在中央控制室的HMI上也能够远程控制，否则不能确切知道阀门开到了什么位置，也就不能把阀门准确地开到中间某个位置。目前，适合高压的电控调节阀价格比较昂贵，而同样级别的手动调节阀价格低廉。文中主要介绍使用西门子S7-200PLC系列可编程控制器对高压手动调节阀进行改造，调节阀可根据伺服电机和编码器传来的脉冲信号，直接操作改变阀门的开度，实现在线自动标定、自校正、实时监控等功能，有效提高控制水平。
1、监控系统的组成结构
该调节阀执行机构主要由PLC和执行器组成。PLC以西门子S7-200可编程控制器为核心，配以相应的外围电路和上位机组态软件；执行器由伺服电机和增量式编码器构成，该设计方案控制精度要求达到0.5%。系统工作原理如图1。
图1 系统工作原理图
(1)阀门机械执行器
具体的做法是将阀芯的调节轴伸出和伺服电机对接起来，并在联轴器中间安装一个位置传感器，传感器采用增量式旋转编码器，消除电磁式传感器的磁滞特性，使阀门能精确地定位。此种方法间接实现了高压气体的自动控制，并且避免了高压调节阀的高成本。
(2)可编程控制器
控制器接收来自编码器的脉冲信号，该脉冲信号接入PLC的高速计数器端口；编码器每圈发出512个脉冲，电机正转时，编码器A相超前B相90°，PLC高速计数器正向累计脉冲；反之，编码器B相超前A相90°，PLC高速计数器反向累计脉冲。
阀门开度
(1)
其中：N为阀门开度从0调节到100%需转动的圈数，W为编码器每圈发出的脉冲数，n为PLC实时的累加值。由式(1)可知，通过PLC的计数值，即可计算出阀门的当前开度。需要调节阀门开度时，在监控界面输入目标开度值。若目标开度大于当前开度，PLC发出伺服电机正转信号，开度正调到目标开度；反之，PLC发出伺服电机反转信号，阀门开度反调到目标开度。在程序中附加原点监测和极限值保护环节，调节阀控制系统还可以完成疲劳密封的检测和处理任务。
2、系统硬件设计
对控制器的基本要求是：能够实时采集被测阀门的性能参数，包括前压力、后压力、压差、温度、流量等，并能够实时显示和调节阀门的开度，同时保持与上位机的通信。
该系统硬件部分由工控机、PLC、数据采集卡及其他电气元件组成，全部装配到一个电气控制柜中。系统需要采集的信号包括4个模拟量和7个数字量，4个模拟量包括：被测阀前后的压力、介质温度和介质流量，系统构成图见图2。3个数字量包括：接近开关、控制调节阀开度的伺服电机正/反转用继电器、电磁阀和3个指示灯。考虑到开关量输入输出的数量、模拟量输入精度互锁等方面情况，选用西门子CPU-222PLC作为控制器。CPU-222有8个输入点和6个输出点，并可以扩展2个模块；机内有256个定时器/计数器，4个高速计数器；内置24V直流电源；每条布尔量指令执行时间为0.22μs；编程可用手持编程器，也可以用个人PC，方便现场编制程序及归档文件和打印输出。
图2 数据采集系统硬件构成
模拟量单元采用EM231模块，此模块有4路模拟量输入。主要技术数据为：输入类型为差分输入；输入类型有电压单极性、电压双极性、电流3种类型；电压输入范围有0～10V，0～5V，0～1V，0～100mV，±5V，±2.5V，±500mV等，电流范围为0～20mA。数模转换时间小于250μs；量程范围为0～32000；A/D转换精度为12位；电流输出稳定时间为2ms。
3、系统软件实现
系统软件由两部分组成： (1)PLC控制程序；(2)上位机测控数据实时处理软件。PLC控制程序主要完成阀门开度的调节及其他控制功能；上位机监控界面主要负责系统运行的监控和信息的处理。一般的组态软件控制功能都较弱，开发上位机监控界面时使用了大量的脚本进行系统的控制，而力控PCAu-to组态软件界面的按钮和文字是静止的，为形象显示大都使用了漂亮的位图或者利用了PhtoshopCS所做出的效果，较为人性化。开发的监控界面，不但实现了一般的性能参数和曲线的监控显示，而且还有一套比较完善的数据库管理系统。综合起来，上位机完成了整个数据采集系统的监控、控制、调度和管理任务。
3.1、调节阀PLC软件设计
软件核心部分框图如图3所示。图中，用mk代表目标开度，用dk代表当前开度。其工作原理是在系统组态界面上输入所需要的阀门目标开度数值。该数值经量程转化成编码器的脉冲个数输入到PLC中，PLC将阀门的实际开度和目标开度进行比较，若目标开度大于当前开度，PLC就向电动机发出正转信号，电动机就正转，编码器就增计数；反之，电动机就反转，编码器减计数。编码器的脉冲数传送到PLC，并与目标脉冲数进行比较，当编码器的所设目标脉冲数等于实际旋转采集到的脉冲数时(利用高速计数器当前值等于预设值中断)，电动机停止旋转，阀门即达到所设目标开度值。此时，阀门的实际开度经PLC传送回组态界面，并在画面上显示实际阀门开度。
图3 软件核心部分框图
该软件程序还具有防止惯性而产生的震荡、编码器故障或急停保护、正反转互锁和切换保护、掉电保持等功能，它采用梯形图逻辑编制，编程方便且直观。因篇幅原因，下面仅给出PLC高速计数器部分控制程序梯形图，如图4所示。
图4 梯形图程序
3.2、系统监控中心软件
监控系统是利用力控公司的PCAuto6.0编写的。PCAuto组态软件运行在Windows各种操作系统中，能利用图形编辑功能方便地构成监控画面，以动画方式在线监控设备的运行状态，具有数据库ODBC接口、DDE功能，可便利地生成实时/历史曲线、用户报表和报警。上位机系统主要由主界面、参数设定、用户报表、曲线、报警、历史查询、用户管理、联机帮助文档等画面组成。
用户通过系统可随时清楚了解被测阀门的性能参数与运行状态，对阀门实施远程控制，来实现对整个数据采集系统的监视、控制、调度和管理。系统将历史数据以多种方式保存，便于管理者进行阀门站运行数据的分析统计和故障分析。图5为监控系统主画面。
图5 监控系统主画面
4、结束语
使用S7-200PLC将高压手动调节阀改造成电动调节阀，解决了高压电控阀在线调节困难和安全隐患的问题，还具有防止惯性而产生的震荡、编码器故障或急停保护、正反转互锁和切换保护、掉电保持等功能。整个过程简单直观，能巧妙和低成本地解决高压阀调节问题。监控中心通过数据传输对被测阀门性能参数进行实时采集、对异常情况及时报警，系统有较强的数据处理功能，实现了数据报表和曲线的自动生成、数据库历史查询等多种功能。系统经半年多实际运行，其性能稳定，运行可靠，人机界面友好，易操作，大大减少了工作人员的劳动强度和操作失误，使用维护方便，具有很好的可扩展性和较高的实用价值。
