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1  引言

    可编程控制器由于抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛应用。工业控制机作为中央控制单元，配有组态软件，选用大屏幕实时监视界面，实现各控制点的动态显示、shujuxiugai、故障诊断、自动报警，还可显示查询历史事件记录，系统各主要部件累计运行时间，各装置工艺流程图，各装置结构图等。中央控制单元和下位机PLC之间采用串行通讯方式进行数据交换，通常距离在1000m以内选用485双绞线通讯方式，较常距离可选用光纤通讯，更长距离也可选用无线通讯方式。下位机选用PLC控制，根据控制对象的多少，控制对象的范围，可选用一台或多台PLC进行控制，PLC之间数据交换是利用内部链接寄存器，实现数据交换和共享。

2  控制系统可靠性降低的主要原因

    虽然工业控制机和可编程控制器本身都具有很高的可靠性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成无法挽回的经济损失。

2．1 影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：

2．1．1  造成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，特别是鼠害），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错。

2．1．2  机械触点  抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制结果。

2．1．3  现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。

2．2  影响执行机构出错的主要原因有：

2．2．1  控制负载的接触不能可靠动作，虽然PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作。

2．2．2控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作。

2．2．3各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统可靠性。

3．解决方案的实施：要提高整个控制系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性和执行机构动作的准确性，PLC才能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽快排除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。

3．1 设计完善的故障报警系统

    在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，第1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。专门设置故障复位灯按钮，显示设备工作状态。第2级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。3级故障显示设置在中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。

图1

3．2 输入信号可靠性研究

    要提高现场输入给PLC信号的可靠性，首先要选择可靠性较高的变送器和各种开关，防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良。其次在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号的可信性。数字信号滤波可采用图1程序设计方法，在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况和系统要的响应速度确定，一般在几十ms，这样可保证触点确实稳定闭合后，才有其它响应。模拟信号滤波可采用图2程序设计方法，对现场

图2

    模拟信号连续采样2次，采样间隔由A/D转换速度和该模拟信号变化速率决定。2次采样数据分别存放在数据寄存器DT0、DT1中，当后1次采样结束后利用数据比较、数据交换指令保留值作为本次采样结果控制R100的通断。

图3

    高值监视模块的使用（原理如图3所示）

    模块的运算式为当DT1>=DT2时R100=ON  当 DT1<(DT2­－WR10)时 R100＝OFF

    低值监视模块的使用（与图3相反）

    模块的运算式为当DT1< DT2时R100=ON  当DT1 >= (DT2­­＋WR10)时　R100＝OFF

    说明DT1为触点输入数，DT2­为经验值WR10为滞后宽度．

    提高读入PLC现场信号的可靠性还可利用控制系统自身特点，利用信号之间关系来判断信号的可信程度。在一定时间里输入变化范围，但输出在允许值内变化自动延长通断时间，消除了小信号影响、极限开关故障或传送信号线路故障，同样通过报警系统通知操作人员处理该故障。由于在程序设计时采用了上述方法，大大提高了输入信号的可靠。

3．3 执行机构可靠性研究

    当现场的信号准确地输入给PLC后，PLC执行程序，将结果通过执行机构对现场装置进行调节、控制。怎样保证执行机构按控制要求工作，当执行机构没有按要求工作，怎样发现故障？

    我们采取以下措施：当负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，启动时接触器是否可靠吸合，停止时接触器是否可靠释放，这是我们关心的。我们设计了如图4所示程序来判断接触器是否可靠动作。X0为接触器动作条件，Y0为控制线圈输出，

图4

    X1为引回到PLC输入端的接触器辅助常开触点，定时器定时时间大于接触器动作时间。R0为设定的故障位，R0为ON表示有故障，做报警处理；R0为OFF表示无故障。故障具有记忆功能，由故障复位按钮清除。

图5

    当开启或关闭电动阀门时，根据阀门开启、关闭时间不同，设置延时时间，经过延时检测开到位或关到位信号，如果这些信号不能按时准确返回给PLC，说明阀可能有故障，做阀故障报警处理。程序设计如图5所示。X2为阀门开启条件，Y1为控制阀动作输出，定时器定时时间大于阀开启到位时间，X3为阀到位返回信号，R1为阀故障位。

六、结论

    自动控制系统设计中采用了以上方法，经过近2年的运行证明这些方法的采用对提高系统可靠性运行是行之有效的。

1　引 言

　　目前，应用于民用工业、国防行业和大型实验室的各种试验箱设备越来越多，如温度试验箱、压力试验箱、湿度试验箱及各种温度－压力－湿度混合试验箱。这些环境试验设备的主要作用是为某些相应的产品做特定的环境试验，以达到检测和鉴定的目的。随着我国军事现代化步伐的加快，国防行业对这些试验设备的要求越来越高。长期以来，试验箱的生产和设计都由专门的企业来完成，控制手段基本上是采取仪表结合有纸纪录仪来实现，虽然性能比较稳定，但功能略显单调，尤其在数据保存、图形显示方面显得力不从心。为此，笔者与沈阳冷冻机有限公司合作，以温度试验箱为例，设计了一种由PC机和PLC构成的高低温试验箱微机自动控制系统，系统结构如图1—1所示。

　　图1—1所示控制系统中，试验箱体积为3 m3，试验箱的加热器和制冷机组等设备的控制由西门子PLCS7－200通过控制柜实现。而上位机由PC机构成，其主要任务是由PLC通过PPI电缆实现自由端口的通信，并根据现场数据进行温度控制的决策、数据管理和图形显示等。

　　高低温试验箱的温度控制范围是－100～＋200℃，精度为±1℃。

2　控制系统主回路

　　试验箱设备的控制系统主回路见图2—1所示。系统的制冷机组有两套，分别为M1和M2，由接触器K1和K2控制。M3为试验箱室内风机，用于均匀室内温度，由K3接触器控制。电加热器有两套，分别由接触器K4和K5控制接通或断开，加热控制由固态继电器SSR完成。

　　试验箱的控制原理是，首先根据实际要求的控机组。其次，根据试验箱的设定温度与实际温度的比较，进行控制算法运算。后控制SSR的导通率进行试验箱的加热控制。

3　控制回路设计

　　试验箱的设备控制主要由西门子公司的S7－200系列的PLC完成。目前，一般的工控系统大多数采用工控板卡、工控模块或PLC来实现。其中，工控板卡实时性好但使用维护不太方便；工控模块扩展性好但功能固定；而PLC由于其稳定性好，设计灵活，使用方便而越来越受工控界的欢迎，尤其在分布式控制系统的应用中其优势更加明显。

　　该控制系统中，笔者根据试验箱系统的被控设备数量及特点，选用PLC的CPU模块为S7－200（14点DC输入，10点继电器输出），扩展模块为EM231（2路Pt100温度测量模块）。控制回路设计见图3—1所示。

    图3—1控制回路中，试验箱的温度由Pt100传感器通过EM231获得，Pt100采用三线制接法以保证测量精度。输出端Q0．0和Q0．1分别控制2台制冷机组；Q0．2控制试验箱室内风机；Q0．3和Q0．4分别控制2套电加热器；Q0．5控制试验箱室内照明。电加热器的加热控制由Q1．0通过SSR实现。输入端I0．0～I0．5用于输入控制系统的状态信号S1～S6，其含义如表3—1所示。

　　系统的温度控制算法由上位PC机实现，运算结果通过PPI电缆送给PLC，终由Q1．0控制SSR。PLC控制程序流程见图3—2所示。

4　试验箱的温度控制

　　对于温度试验箱控制系统，其被控对象为一阶惯性加纯滞后环节。为了实际调节方便，仍然采用常用的PID算法实现温度控制，但在整个控制过程中，对PID参数的整定进行了认真分析，并设计了一种PID参数生成器，使系统的温度控制效果得到很大改善。

　　温度试验箱在试验过程中的温度控制是按设定曲线进行的，如图4—1所示。该图是一个试验曲线实例，共包含4个控温段：上升段T1、恒温段T2、降温段T3和恒温段T4。显然，为使实际的控温曲线跟踪好设定曲线，且保证在T2和T4段系统无差，达到系统要求的控温精度，PID算法的参数整定十分关键。由于试验箱的温度对象参数既要随着试件的种类和多少改变，也要随着投入的加热器和制冷机组多少而改变，在整定PID参数时要根据不同情况加以调整。为此，设计了一个温度控制PID参数生成器，用来根据不同的控温段和试验情况来生成不同的PID参数。设第n个控温段的PID参数分别为Pn，In和Dn，则该控温段的控制参数由下列矩阵确定：

　　式（4—1）中，P0，I0和D0分别为系统的基本PID参数；Fn（P），Fn（I）和Fn（D）分别为第n个温控段与试验情况相关的P、I和D参数的系数函数。基于PID参数生成器的实现，通过上位PC机编程很容易实现，当然，一些相关参数还是要通过实际系统的调试获得。另外，实际应用中我们采用增量式PID算法，而输出采用位式输出，即在时间周期T内，按照PID输出的归一化结果（0～1）去控制SSR的导通时间，从而实现温度调节。试验箱温度控制系统的控制原理如图4—2所示，Ts为设定温度；Tf为实际温度。

5　PC机软件设计

　　用VB6进行上位PC机的软件设计，主要完成3个任务：①实现PC机与PLC的通信；②完成试验箱的温度控制；③实现曲线编辑与数据管理。

　　PC机与PLC的通信是利用PPI电缆通过PC机的COM口和PLC的自由端口实现的，通信波特率为9 600bps。试验箱的温度控制主要是实现PID参数生成器和PID控制算法。至于曲线编辑和数据管理也是程序设计中必不可少的内容，因为在试验过程中要经常更改温度的设定曲线，试验数据和图形也要通过数据库进行管理。此外，在界面设计上，结合动画图形技术，力求界面友好、操作方便。试验箱软件的具体功能如下：

    （1）任意设定控温曲线及相关控制参数；

　　（2）任意设定每个控温段投入的加热器及制冷机个数；

    （3）实时显示温度数据曲线，具有缩放功能；

    （4）试验过程中各种故障报警；

　　（5）试验数据库管理及报表打印。

6　结 论

　　该高低温试验箱微机控制系统运行可靠、操作方便、功能强大，投放市场后深受用户好评。与传统的仪表控制方式相比，控制系统具有界面友好、使用灵活方便、数据管理功能强等优点。尤其是上位PC机的强大图形显示效果更是仪表控制所无法比拟的。该试验箱的控制原理同样适合其它种类的环境试验设备，具有一定的推广价值。

1 前言
    罐区中原油储罐和输油管道所使用的各种控制阀门是石油储运过程中必不可少的现场仪表，其智能化程度的高低、所含信息的多少和对故障的诊断与容错能力直接影响到数据采集与监控系统的可靠性、稳定性和易用性。通常罐区中的控制阀数量众多且分散，普通的控制阀所含信息量少而布线繁多，这在一定程度上使罐区监控系统的设计复杂化。该系统采用英国Rotork公司的智能电动阀及其主站控制器，大大简化了监控系统的复杂设计，而且借助其丰富的诊断信息和对故障的容错能力，使系统的可靠性得以提高。
2 监控系统的硬件实现
2.1 Rotork智能阀控制设备
        Rotork智能阀控制设备是一个阀门数据采集、监视与控制系统，它由一台主站控制器和与它相连的现场电动阀组成。主站控制器通过一条两线电流环路可以控制挂于环路上的多达240个现场控制阀，该电流环路可长达20 km。
    现场电动阀的智能化程度较高，其内部含有丰富的数据和诊断信息。但主要的特点是多个智能阀仅通过两线互联成一个环路，终接入主站控制器的只有起始和末端两线，所有阀门信息通过两线通讯进入主站控制器。现场电动阀还具有线路故障屏蔽功能，当环路出现开路、短路或接地故障时，智能阀可以将故障端的线路屏蔽掉，使主站控制器仍能与线路上的所有智能阀通讯而不受影响，同时将故障信息发给主站控制器。其两线屏蔽原理如图2—1所示。

    正常操作情况下，通讯电流信号沿环路的一条线从主站控制器的端口A流出，经该环路从端口B流回。此时，另一条线路是冗余的。当有一处线路发生故障时，该处故障线路被阀门屏蔽，故障线路两边的智能阀可通过各自的环路与主站控制器通讯；当有两处线路发生故障时，这两处故障之间的智能阀都被屏蔽，两处故障之外的智能阀依然可以通过两“臂状”环路与主站控制器通讯。
    主站控制器是由主CPU卡、环路通讯卡、电源、液晶显示器和16按钮键盘组成的盘装智能仪表。它内部有两个固定的数据库，一个是现场单元数据库，负责接收并记录从两线环路传来的智能阀的地址、转矩、开度等数据，根据从上位机传来的读写命令控制阀门的运动，该数据库从逻辑上划分为4个区，每个区记录60个阀门的数据；另一个数据库为主站控制器状态及自诊断数据库，负责记录通讯协议的有关状态并向智能阀发布命令。通过主站控制器的按键和液晶显示器，可以实现读取智能阀的开度、转矩、地址等数据，控制阀门的开闭，接收报警信号及与PLC通讯等功能。
        Pakscan IIE Master Station是Rotork主站控制器中的一种，它为双重热备结构，在主控制器出现故障时可以自动切换到热备控制器。图2—2为Pakscan IIE主站控制器与现场智能阀通过两线环路相连的情况。

        Pakscan IIE Master Sation有一个RS－485通讯口和一个RS－232通讯口，它们可通过Modbus协议与PLC通讯。其中RS－232通讯口可以不通过PLC直接连接打印机，打印报警信号。
2.2 监控系统结构
    图2—3所示为现场智能电动阀监控系统的结构框图。

    该系统的控制部分采用美国GE Fanuc公司的HBR双重热备型PLC系统，通过PLC控制140个智能阀(IQ actuator)的开停闭。上位监控站可监视各个智能阀的阀位回信状态、阀位值以及报警信号，并可执行开阀、停阀和关阀操作。
        Pakscan IIE主站控制器与PLC之间采用Modbus协议通讯，以port 1的RS－485接口连接。正常运行情况下，主PLC和主控制器工作，从PLC和热备控制器分别与主PLC和主控制器保持同步。智能阀将数据传送给主控制器，主PLC通过RS－485接口从主控制器中读取数据，并向其发布命令，主控制器再执行命令，驱动智能阀按命令运转。当主PLC或主控制器出现故障时，系统能分别自动切换到从PLC或热备控制器。
    由于系统中采用的是Modbus通讯协议，一台PLC可以连接多台Pakscan IIE主站控制器，因此，若现场智能阀较多，系统可以很方便地扩展而且连线简单。
3 软件设计
3.1 通讯程序设计
        PLC选用Modbus RTU主通讯模块(master)。Pakscan IIE主站控制器是一个远程终端单元，做为Modbus从设备(slave)。PLC的CPU通过Modbus RTU主通讯模块控制Pakscan IIE主站控制器的读写，被称为Modbus host。系统采用单Modbus host两线通讯方式，该方式多可以连接32个Pakscan IIE主站控制器。
    主通讯模块的程序设计有3部分内容：初始化通讯模块；读写Modbus/RTU数据；监测通讯状态。
    通讯模块的初始化工作主要是配置3个初始化控制块的参数：Slave控制块(SCB)，信息控制块(MCB)和通讯要求参数块(COM_REQ)。SCB是一个15个寄存器长的数据块，功能是定义与其通讯的Slave的型号、个数、状态等参数，每一个Slave需要定义一个SCB块。MCB是一个6个寄存器长的数据块，功能是定义Master要求每个Slave执行的命令信息，包括命令类型、RTU引用地址偏移、PLC引用地址偏移、主机号等参数，每一种命令需要定义一个MCB块。COM_REQ是一个17个寄存器长的数据块，功能是定义通讯方式、端口控制字及监测SCB和MCB的状态参数等，每一端口需要定义一个COM_REQ块。所有这些初始化参数在PLC上电或冷启动初始化的个扫描周期内加载到RTU主通讯模块，此后RTU主通讯模块负责与PakscanIIE主站控制器通讯，而PLC则与RTU主通讯模块交换数据。
    读写Modbus／RTU数据和监测通讯状态的编程相对简单，只要读写初始化时定义的相应的PLC参数地址即可。
3.2 监控软件设计
    上位监控站可以准确的监测和控制储运过程的所有信息和设备。通过编程、组态、连接，形象地反映实际工艺流程、显示动态数据，设置PID控制参数以及过程参数，并可以查看历史趋势、报警历史报表等。
        Rotork的现场电动阀配置在流程的输油管线上，通过按钮可以人工启动、停止和关闭任一个阀门，并显示任意时刻的阀门状态和阀位值。设计良好的人机界面使操作简便、直观。
4 结束语
        Rotork的智能阀控制设备与PLC的结合使得罐区储运监控系统布线简洁、控制方便，PLC的冗余以及Pakscan IIE主站控制器的双热备保证了系统的高可靠性，也提高了控制系统的自动化程度。该系统已投入工业现场使用，效果良好。