介紹了調(diào)節(jié)閥及PLC的基本工作原理，通過對調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)進行分析，應用西門子S7-300PLC實現(xiàn)了對調(diào)節(jié)閥的自動控制。

1、引言

　　調(diào)節(jié)閥主要用于電站系統(tǒng)調(diào)節(jié)自動化過程控制領域中的介質(zhì)流量、壓力、溫度、液位等工藝參數(shù)，通過應用PLC來實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的自動控制，進而實現(xiàn)維護電站系統(tǒng) 的正常運行。

2、調(diào)節(jié)閥簡介

　　2.1、調(diào)節(jié)閥的概述及構成

　　調(diào)節(jié)閥又稱控制閥(ControlValve)，它是過程控制系統(tǒng)中用動力操作去改變流體流量的裝置。根據(jù)自動化系統(tǒng)中的控制信號，自動調(diào)節(jié)閥門的開度，從而實現(xiàn)介質(zhì)流量、壓力、溫度和液位的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機構和閥組成見圖1。執(zhí)行機構起推動 的作用，閥起調(diào)節(jié)流量的作用。

圖1 電動調(diào)節(jié)閥

　　2.2、調(diào)節(jié)閥的工作原理

　　根據(jù)流體力學可知，調(diào)節(jié)閥是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對不可壓縮流體，調(diào)節(jié)閥的流量

(1)

　　式中，Q-流量;Kv-流量系數(shù);△P-閥門前后壓差;V-閥門介質(zhì)比容;α-流量裕度系數(shù)。

　　此公式用于在節(jié)流部位的雷諾數(shù)Re>105，并且無閃蒸和閥門無過渡管接頭的情況，其中流量系數(shù)Kv值與閥門的流通能力和節(jié)流面積有關，不同的閥門對應不同的Kv值。調(diào)節(jié)器輸出信號控制閥門的開或關，可以改變閥門的Kv值，從而改變被調(diào)介質(zhì)的流量。

　　2.3、調(diào)節(jié)閥的流量特性

　　調(diào)節(jié)閥的流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與調(diào)節(jié)閥的相對開度之間的關系。

　　調(diào)節(jié)閥流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性是指在調(diào)節(jié)閥前后壓差固定不變情況下的流量特性有直線、等百分比、拋物線及快開4種特性。

　　在實際系統(tǒng)中，閥門兩側的壓力降并不是恒定的，使其發(fā)生變化的原因主要有兩個方面：①由于泵的特性，當系統(tǒng)流量減少時由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加;②當流量減少時，盤管上的阻力也減少，導致閥門壓力較大。因此調(diào)節(jié)閥前后的壓差通常是變化的，在這種情況下，調(diào)節(jié)閥相對流量與相對開度之間的關系，稱為工作流量特性。

3、基于PLC的調(diào)節(jié)閥控制

　　3.1、PLC的編程語言STEP7是S7-300PLC的編程軟件

　　梯形圖、語句表和功能圖是標準的STEP7軟件包配備的3種基本編程語言，這3種編程語言可以在STEP7中相互轉換。

　　3.2、模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

　　典型的PLC模擬量單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

　　在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量c(t)(例如壓力、溫度、流量、轉速等)是連續(xù)變化的模擬量，大多數(shù)執(zhí)行機構(例如晶閘管調(diào)速裝置、電動調(diào)節(jié)閥和變頻器等)要求PLC輸出模擬信號mv(t)，而PLC的CPU只能處理數(shù)字量。c(t)首先被測量元件(傳感器)和變送器轉換為標準的直流電流信號或直流電壓信號pv(t)，例如4～20mA，1～5V，PLC用A/D轉換器將它們轉換為數(shù)字量pv(t)。

　　模擬量與數(shù)字量之間的相互轉換和PID程序的執(zhí)行都是周期性的操作，其間隔時間稱為采樣周期Ts。各數(shù)字量括號中的n表示該變量是第n次采樣時的數(shù)字量。

　　圖中的sp(n)是給定值，pv(n)為A/D轉換后的反饋量，誤差ev(n)=sp(n)-pv(n)。

　　D/A轉換器將PID控制器輸出的數(shù)字量mv(n)轉換為模擬量(直流電壓或直流電流)mv(t)，再去控制執(zhí)行機構。

　　3.3、控制系統(tǒng)設計思想

　　首先對調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)進行分析，電容式壓力傳感器實時傳輸壓力信號送入PLC，PLC先經(jīng)過硬件組態(tài)再進行編程，將程序載入PLC，程序的執(zhí)行將傳感器傳來的信號轉換成為對調(diào)節(jié)閥閥位開度的控制指令，最終實現(xiàn)對管道內(nèi)部壓力的控制。

　　如圖3所示，系統(tǒng)規(guī)定壓力設定值為8kPa，在實際工廠的環(huán)境中，管道內(nèi)部壓力允許在一定范圍內(nèi)變化，所以以設定值為中心加入一個范圍，令閾值為1kPa，確定管道正常的壓力范圍，即7~9kPa。當測量元件測出管道壓力大于9kPa時，信號經(jīng)PLC后輸出一個使調(diào)節(jié)閥電動執(zhí)行機構閥門開度減小的指令;反之，當測出壓力小于7kPa時，PLC輸出一個使調(diào)節(jié)閥電動執(zhí)行機構開度開大的指令;而管道壓力處于7~9kPa時，調(diào)節(jié)閥電動機構處于靜止狀態(tài)。

圖3 調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)原理

　　3.4、PLC控制系統(tǒng)的一般步驟

　　可編程控制器應用系統(tǒng)設計與調(diào)試的主要步驟如下：深入了解和分析被控對象的工藝條件和控制要求;確定I/O設備;選擇合適的PLC類型;分配I/O點;設計應用系統(tǒng)梯形圖程序;將程序輸入PLC;進行軟件測試;應用系統(tǒng)整體調(diào)試。

　　3.5、PLC的硬件組態(tài)

　　硬件組態(tài)，就是使用STEP7對SIMATIC工作站進行硬件配置和參數(shù)分配。所配置的數(shù)據(jù)以后可以通過“下載”傳送到PLC。硬件組態(tài)的條件是必須創(chuàng)建一個帶有SIMATIC工作站的項目。

　　3.6、連接電路

　　連接外接電路時，兩個繼電器分別與調(diào)節(jié)閥點動執(zhí)行機構的接點“開閥”“、關閥”相連接，為使實現(xiàn)互鎖功能，需要將兩個繼電器互連：如圖4電路圖，兩個繼電器中的觸點13 均與另一個繼電器的觸點9相連，再經(jīng)過觸點1接出。

圖4 中間繼電器線路圖

　　互鎖功能的實現(xiàn)：

　　(1)當繼電器1接通時，繼電器1的觸點14、13與繼電器2的觸點9、1形成回路，此時繼電器1正常工作，觸點9、1斷開，繼電器2的觸點13、14所在回路無法接通，導致繼電器2無法接通。

　　(2)同理，當繼電器2接通時，此時繼電器1無法接通。

　　在設置了軟、硬件互鎖之后，“開閥”與“關閥”不會同時出現(xiàn)，有效的為電動執(zhí)行機構提供了安全保護。

　　3.7、系統(tǒng)調(diào)試

　　在完成程序編程和連接外部電路之后，需要對系統(tǒng)進行調(diào)試，在SIMATICManage界面中，將BLOCKS中所有的塊及Systemdata點擊下載將其一起下載到PLC中，然后接通電路，調(diào)節(jié)電阻箱模擬傳感器向PLC輸入信號，通過變量監(jiān)視窗口可以觀察到，在壓力的各個范圍內(nèi)相應的開閥、關閥和點動指令的執(zhí)行。調(diào)試完畢后，經(jīng)檢驗程序邏輯正確，運行正常，實現(xiàn)了對調(diào)節(jié)閥的自動控制，達到了預期的目的。

4、結語

　　基于PLC的調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)設計，通過對調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)進行分析，依據(jù)與S7-300PLC相連的壓力傳感器傳回的參數(shù)信號，采集控制系統(tǒng)中所需要的數(shù)據(jù)量，通過PLC的編程實現(xiàn)對系統(tǒng)中壓力實時的監(jiān)控，并調(diào)節(jié)參數(shù)的波動范圍在允許的范圍之內(nèi)，維護電廠的正常運行。