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在过去的几十年里，可编程逻辑控制器（PLC）一直被广泛用于自动化领域，而在可预知的未来，PLC仍将长盛。面向离散控制而设计PLC的实际上已经成为工业领域一个具有伟大意义的统治性工具。

然而，随着工业用机器和工厂系统的复杂性的增加，PLC已经很难而且也不可能成为完成所有自动化任务。现在的自动化系统已经了PLC的功能范围，使得工业机器领域的工程师在自动化系统中集成多的I/O、处理和控制策略。

新的可编程自动化控制器（PAC）硬件系统就是这样一个非凡的PLC系统扩展方案，能够很容易整合到PLC系统中，给工业机器增加多的功能，并提高机器的效率。

1、需求：如何提高机器的效率

如何提高机器的效率？让我们来看看Integrated Industrial Systems （I2S）公司是如何做的。I2S在现有的PLC系统上实现大的改进。这是一个来自美国的私有原始设备制造商，数十年以来一直致力于制造的轧制设备和控制系统，用于全世界的铁和非铁金属行业。在这一领域的雄厚技术底蕴使之成为的。

I2S也曾经长期使用PLC来自动化和控制生产的轧制设备。近几年他们一直在试图新轧制设备控制系统，以提率和质量。为了提高炼钢设备的效率和质量，他们主要对其伽马测量系统进行了改进，以便能准确地控制金属厚度。

数年以来，伽马测量系统一直是I2S产品家族中的标志性产品，现在依然广受欢迎，但是系统的很多硬件和软件特征都已经过时了。为了新该系统并改进其机器，I2S公司需要一个具有的模拟输入分辨率的方案，以连接伽马测量传感器和信号处理，从而从传感器中模拟信号，实现高度的厚度测量，再由PLC使用在轧制机器的控制系统中。

2、伽马测量仪技术

伽马测量仪使用“镅”作为恒发射源，这一发射源位于“C”框架组装的较低部。结构的部是一个和前置放大器。当通过发射源和之间的间隔时，金属带会吸收一部分辐射，吸收量视其厚度和密度而定。剩下的一部分就由进行测量，并转化成带厚度测量。

实施改造步：现有设备试验

为了节省时间和费用，I2S先试着在已有的PLC系统中进行模拟测量和处理。但是，PLC的模拟I/O和信号处理无法达到所需的度。I2S公司要确保运行于PLC中的控制系统不会因为额外I/O和处理的增加而减少。

因此，他们需要这么一个系统，这个系统能够从伽马传感器中模拟信号并进行处理以计算的厚度测量值，并能将这个厚度测量插入到PLC控制系统中。但是，所用的PLC不适合处理和高速模拟I/O。

二步：如果现有设备无法奏效，就试试其它方法

在认识到PLC无法提供连接伽马测量传感器所需的I/O和处理后，I2S转向了PAC技术。它选择了国家仪器的CompactRIO PAC，以提供改进轧制机器质量所的附加功能。CompactRI/O是一个可重置嵌入式系统，既结合了传统PLC的优点和性，又能提供多I/O和处理。国家仪器的所有PAC都可以通过其LabVIEW图形编程工具来编程，因此可以很容易进行编程和配置。

三步：添加I/O

CompactRIO有一个嵌入式现场可编程门阵列（FPGA）芯片和实时处理器，可通过内置的LabVIEW功能块来编程。另外，它还拥有过30个模拟和数字I/O模块，具有内置信号调节（反锯齿、隔离、ADC、DAC等）、高速计时（模拟I/O速度达到800kHz ，数字I/O速度达到30 MHz）和高分辨率（24b ADC），可与任何工业传感器或者触发器连接。

图1 CompactRI/O架构

I2S使用CompactRIO模拟输入模块来连接伽马级厚度传感器，以提供测量所需的高速计时和分辨率。由于每个I/O模块都是直接和FPGA相连的，工程师们于是能使用LabVIEW FPGA来轻松自定义CompactRIO的模拟I/O速率。

四步：添加处理

从伽马传感器获得模拟数据之后，CompactRIO使用内置的NI LabVIEW实时浮点功能块来在实时处理器中对数据进行处理，并将之转化成的厚度测量。

LabVIEW的实时功能块对数据进行确定的对数处理（如下面的等式1和等式2所示），以进行计算厚度测量值。由于LabVIEW Real-Time具有内置计算和分析功能，PAC能够很容易进行这一操作。

等式1：log I = （log I0）y/μ = （y/μ） log I0

等式2: y/μ = log I0/log I = log （I0-I）

CompactRIO系统在FPGA和实时处理器中进行所有的I/O和信号处理，并将高度厚度测量传输到相连的PLC上，又不会降低现有PLC控制系统的速率。借助于CompactRIO的性能，I2S的工程师可以为伽马级传感器添加这一自定义测量和分析功能，而不需要牺牲轧制机器的控制速度。

五步：整合PAC

每个轧制机器都带有三个形成网络的CompactRIO系统。这三个系统都是智能节点，能利用一个工业标准Modbus/TCP、TCP/IP或UDP协议进行通信。其中有两个系统与伽马级传感器连接，并进行模拟输入测量和处理，来计算厚度测量值。

图2 典型系统拓扑

三个CompactRIO系统则从另外两个系统中厚度值，并转换成模拟输出测量值，输入到正在控制轧制机器的PLC上。所有三个系统都通过以太网连接实现了互连，并使用一个UDP以太网信息协议来传输厚度测量值计算。将PAC连接到现有PLC架构上有三个基本方法：

1. 基本模拟和数字I/O。模拟/数字信号能够从PAC输出到PLC中。这是将PAC整合到PLC的一个基本的方法。I2S公司就是运用这种方法来将处理过的数据从CompactRIO PAC传输到运行轧制机器控制系统的PLC上的。

2. 工业网络。大多数PAC产品都支持工业协议，如DeviceNet、Profibus 、 CANopen以及基于以太网的协议如TCP/IP、UDP和Modbus TCP/IP。这使得工程师在连接PAC到PLC上时有很多网络选择。I2S公司运用的是以太网协议来在CompactRIO PAC之间传输数据，并将PAC和PLC连接到形成网络的HMI。

3. OPC Connectivity PAC还可以作为OPC客户端或者服务器，并通过OPC标签来收发网络数据到PLC或其它PAC上。OPC标准提供了一套标准的流程，让不同厂商的自动化系统之间可以很容易实现连接。

处理过的数据会以不到20毫秒的间隔在通过以太网互连的CompactRIO系统之间传输。CompactRIO测量值的获得、处理和传输速度都很快，因此，将厚度测量值键入到PLC控制系统的过程丝毫不会降低整个系统的速度。

I2S公司可以很容基于LAN的CompactRIO系统和10/100 Mbps以太网接口将系统连接到形成网络的Allen Bradley PLC，并利用一个标准的TCP/IP协议将之连接到人机接口（HMI）系统。轧制机器中的所有仪器都通过以太网实现了连接，因此不需要在一个电器噪音嘈杂的环境下长距离地传输模拟信号了。

3、总结

在未来的几年，PLC仍将继续用于自动化领域。但是随着机器的改进和自动化效率提高的需求，PLC不再是的。PAC技术给PLC提供了很好的，增加了传统PLC所不能提供的I/O和处理。将PAC连接到现有PLC架构中的方法有很多，所以工程师们将能够很容易地改进其基于PLC的自动化系统。

空气系统自动控制的必要性

应用在天纺控股有限公司棉纺一工厂的空压站，安装有4台70M3/min 4台，53M3/min 4台，48M3/min 2台，43M3/min 4台离心式空压机和1台42.5M3/min螺杆式空压机，配有相应处理量的冷冻式干燥器。空压机设备自身带有的CMC控制器，能够自动控制和保护主机的运转，自动提示工作信息，具有故障报警和保护停机功能，能自动根据用气量的大小加载或卸载，并配有LCD显示屏供现场观察各工艺参数和设备状态，具有RS422/485通讯接口，可以实现与现场控制室计算机监控系统的完整连接。

1　引言

随着我国经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到建筑中，使得建筑的智能化已成为一种发展的必然趋势。众所周知，智能建筑主要由建筑设备自动化系统(BAS)、通信自动化系统(CAS)和办公自动化系统(OAS)三大系统组成。智能建筑也往往是从建筑设备自动化系统开始。本文主要阐述，智能建筑中的空调(冷冻站)系统的PLC控制设计。

2　系统及工艺简介

现介绍如下：通常大型建筑都有两套(或两套以上)空调系统，由三台冷却水泵、三台冷冻水泵、两台冷却塔风机、两台冷水机组等主要设备组成两套制冷系统，其中冷水机组是由设备生产厂成套供应的。它一般是根据空气调节原理及规律等由微处理器自动控制的。冷水机组由压缩机、冷凝器与蒸发器组成。压缩机把制冷剂压缩，压缩后的制冷机进入冷凝器，被冷却水冷却后，变成液体，析出的热量由冷却水带走，并在冷却塔里排入大气。液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器蒸发吸收热量，使冷冻水降温，然后冷冻水进入冷风机盘管吸收空气中的热量。

如此循环不已，把物里的热量带出，达到降低环境温度的目的。因此，空调冷冻站系统的工艺控制要求为：

(1)测量冷冻水供回水温度及流量，从而计算空调实际的冷负荷，根据实际的冷负荷来决定冷水机组的开启台数，达到节能状态。

(2)各设备的程序联动

启动：冷却塔风机冷却水泵冷冻水泵冷水机组。

停止：冷水机组冷冻水泵冷却水泵冷却塔风机。

当其中一台冷却水泵/冷冻水泵出现故障时，备用冷却水泵/冷冻水泵会自动投入工作。

(3)测量冷冻水系统供回水管的压差△P=P1－P2控制其旁通阀(TV)的开口度，使其维持压差。

3　PLC应用

空调冷冻站控制系统有3种控制方式：早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC以及PLC(可编程序控制器)控制系统。继电器控制系统由于故障率高，系统复杂，功耗高等明显的缺点已逐渐被人们所淘汰，直接数字式控制器DDC虽然在智能化方面有了很大的发展。但由于DDC其本身的抗干扰能力问题和分级分步式结构的局限性而限制了其应用范围。相反，PLC控制系统以其运行可*、使用与维护均很方便，抗干扰能力强，适合新型高速网络结构这些显著的优点使其逐步在智能建筑中得到广泛的应用。

3.1 　PLC的选型及设置

为了满足以上所介绍的空调工艺要求，整个控制系统需要可编程序控制器的输入、输出点分别是112点和32点，其中模拟量输入、输出为6点和4点。根据PLC的I/O原理使用原则，即留出一定的I/O点以做扩展时使用，以及系统设计中实际所需的I/O点数。

选用华光电子工业有限公司的SU－5/B型。
主　　机：SU－5/B
输入模块：U－25N、U－01AD
输出模块：U－05T、U－01DA

这种机型的I/O点数为256点，有RS－422通讯端口，其编程指令有143条，并配有相应的编程软件S－62P，不仅可以通过手持编程器对其编程。而且可以通过PC机对其进行编程输入。该软件还能在PLC运行时监控其运行状况。

3.2 　软件设计

1＃、2＃制冷系统的启动/停止是用于制冷系统的手动启动/停止控制。也可以通过温度设定，依据冷负荷的需要自动开启制冷系统。每台设备均设有自动、手动、备用三种运行状态，自动用于联锁集中控制；手动用于调试或检修；备用状态用于热备用。

三台水泵二工一备。其中备用泵循环轮换，提高设备的保养率。

各台设备按工艺要求顺序自动启动/停止时，采用每台设备启动后经15s左右延时，再启动下一台设备。一是考虑水泵稳定运行有个过程，二是避免数台电动机同时启动，冲击变压器，影响供电质量

应用背景
在冶金，化工，电力，制药等许多大型工程中，空压站建设是一项重要的辅助工程。空压站的主设备为空气压缩机，空气干燥器，配套过滤器，储气罐，连接管道和阀门等组成一供气系统。大型空压站通常拥有多套设备，以保证不同负荷的需求。确保合格的供气品质，满足稳定的气源压力，供气的自动调节等是空压站自动化的基本任务。随着自动化水平的不断提高，建设无人值守空压站的要求已是一个发展趋势。
本案例应用于上海宝钢集团上钢一厂连铸连轧项目的大型空压站。该站有6台每分钟供气200立方的螺杆式空压机，6台200立方处理量的冷冻式干燥器，另有两台80立方处理量的吸附式干燥器，采用母管制连接方式生产压缩空气。用户要求：
1） 每台设备应有自动控制和联锁保护装置，并配有触摸屏供现场观察各工艺参数和设备状态，可手动/自动切换操作及紧急停机；
2） 现场控制室应有计算机操作站，通过建立设备网络，监控整个生产过程；
3） 空压房的操作站应与厂区控制联网，由控制的控制器实时远程监控，实现空压站无人值守。

2．系统构成
2.1．控制网络结构的确立
由于控制选用AB公司的PLC构筑自控系统，并采用DH+网络实施远程联网。为保持一致性，空压站自控设备选用AB公司的小型PLC ——SLC-500系列可编程控制器，其带有DH+网络接口，支持DH+和DH-485网络协议。原设计为单一DH+网络结构，后仔细分析了生产实际情况和各设备的特点，以及可能存在的问题，综合各方面因素后确立了分级控制网络的实施方案，如图1所示。其基本理由是：
1） 技术性考虑，单一结构网络在节点数量较大时性不够理想。因为各设备控制器均挂在同一网络上，任何一台出现通信故障都可能影响整个网络，严重时会引起网络瘫痪，无法实现远程监控。虽然本案例的设备总数并不算很多，但考虑到对无人值守的高标准要求，将设备网分为上层DH+和下层DH-485两级网络，以达到分散危险，提高网络有效性和性的目的。
2） 经济性考虑，满足基本要求的前提下，采用的微型PLC替代。干燥器设备的生产工艺相对较简单，控制点数不到10点，模拟量信号输入点数也不多，动态响应的时间常数相对较大，微型PLC——Micrologix 1200可以满足要求。其成本可降低一半，每套约节省2万元，总计可达15万。
分级网络的特点：
a) 远程控制网——DH+网络（增强型数据高速公路）连接控制控制器与空压站主控制器0#SLC，传输空压站系统的重要信息参数及各设备运行状态，并实现控制的远程控制操作。
b) 上层设备网——DH+网络，连接现场主控制器0#SLC，1#-6#空压机子站SLC，以及作为通信控制器的7#SLC。0#SLC除负责与远程控制网连接外，还承担所有子站的信息集成和控制信号的传递。
c) 下层设备网——采用DH-485网络，7#SLC通信控制器作为上下网的联接器集成各干燥器控制子站1#-8#M1200的数据信息，并传递远程控制信号。M1200和触摸屏均通过通信模块NET-AIC挂接到DH-485网上。
DH+网络为AB公司推出的工业局域网之一，它是早为可编程序控制器提供远程编程支持的控制网络。它可以在可编程序控制器（PLC-5、PLC-3、SLC 5/04）、操作员界面系统、个人计算机、主计算机、数字控制设备、可编程的具有RS-232-C/RS-422接口的设备之间提供点对点通信。一个DH+网络多可以连接99个DH+链路，每个DH+链路多可以连接64个节点（智能化设备）。它采用双绞线或屏蔽同轴电缆连接，每个链路的传输速率为57.6K Bps，115.2KBps和230.4KBps三种可选，传输距离可达10,000英尺（3048米）。DH+网络支持从远程链路进行组态、编程以及故障查询等。
DH-485是一种对信息传送有时间苛刻要求的、高速确定性的工业局域网络，主要用于车间级各种设备之间的数据传递；具有多主功能，在令牌传送协议下工作，网络的大长度为1219m。DH-485能够连接多达32个节点的设备，包括SLC 500和Micrologix 1200可编程控制器、操作员终端和个人计算机等。其大传输速率可达19.2KBps。

图1 分级控制网络示意图

2.2 硬件配置
现场控制室——操作站计算机PC，主控制器0#SLC（SLC-504）带有标准RS-232C /DH+ /8针圆形接口，共3个网络接口。配置模拟量输入/输出模块，开关量输入/输出模块，共计128点，所有开关量输出均采用继电器隔离。0#SLC控制各设备子站以外的系统测点和阀门。
空压机子站——1#-6#SLC可编程控制器（SLC-504），分别配有包括模拟量输入在内的64点I/O模块；通过DH+接口连接到上层设备网。
干燥器子站——1#-8#M1200微型可编程控制器（Micrologix 1200 自带24点I/O），配接12点模拟量输入I/O模块，通过NET-AIC通信模块接入DH-485下层设备网。PV-500彩色触摸屏也由通信模块的9针插头连接到DH-485网。
2.3．软件组成和工作程序
网络连接软件RSLinx 它在车间级设备与各种应用软件之间提供通讯功能，它可组态网络的通讯协议（即选择PLC控制网络的协议，如DH-485协议，DH+协议），传输波特率，驱动程序等，完成网络的初始化和令牌管理。
编程软件RSLogix 500 可使用户在DH-485网或DH+网上对控制器（SLC 500、Micrologix 1200）进行编程，网络上的任一个工业终端可以用来对网络上的所有控制器编程。用户既可以将程序下载到有关设备中，又可以从设备上载已有的程序，调试程序，的运行。
工作站组态软件RSView 32 设在现场控制室的操作站用来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，
各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息，设备控制，故障报警，联锁保护，以及数据处理和通信传输。
通信传输工作程序如图2所示。在本案例中，从控制控制器经现场控制室操作站到7#SLC通信控制器，均采用自上而下的方式读/写目标控制器的数据区数据，由数据传送指令完成数据通信，实现信息集成和远程控制。

图2 通信传输工作流程示意图

3．难点问题和解决方法
整个控制系统随同设备于2003年7月初步完成安装调试工作，进入试生产。2004年2月正式投产，满负荷运行，情况良好，达到设计的预期目标。期间出现过的主要问题为：
1）通信故障引起远程监控失效两次（上层设备网）。分析可能的原因，通信电缆使用了带屏蔽的普通信号电缆而非控制设备规范要求的双绞线屏蔽电缆，易受现场干扰；软件方面对通信异常未设置必要的处理程序。
解决方法——将原来115.2KBps通信传输速率降低到57.6KBps ，以提高的性；软件方面做了相应的改动，此后未再出现过类似通信故障。
2）通信传输延时，实时控制滞后（下层设备网）。经分析获悉，DH-485令牌总线网络结构的工作模式使得7#SLC通信控制器需要多个循环才能对下层网各设备控制器扫描一遍，加之网络传输速率相对较低，在传输数据量较大时，出现控制延时达7-8秒。
解决方法——由于系统结构已定，硬件无法改变，所以在软件方面加以进。速率提高到上限19.2KBps；再软件程序，采用控制操作指令的策略，控制滞后的操作可得到改善。

4．小结
·控制系统网络化可有效实现空压站远程监控，无人值守。本案例的成功实施是一个很好的示例。
·分级控制网络的实施，分散了故障危险，可提高网络运行的有效性和性。
·综合分析生产实际情况，以及评价控制设备的各项性能指标，有助于制订经济性的控制方案，从而降低投资成本，提高经济效益。
改进方向：
1）引入故障检测和故障诊断的处理程序，系统的智能化程度可得到提高，有利于进一步改善自控系统的有效性和性。
2）优化调度策略，软件联锁保护等自动控制功能模式的应用，有望将自动化水平提升到高层次，并由此获得大的效益。