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【摘 要】随着科学技术的不断发展，现代工业对电子计算机以及数控技术的应用越来越广泛，其中PLC由于可靠性高、操作简单、维护方便等优点被广泛应用在工业生产的各个领域。铭石公司高庄集气站的配风系统就是利用PLC通过对空气管路中的电动阀门及电动调节阀门进行调节，从而达到控制出站煤层气浓度，以达到下游用户需求的一个自动化控制系统。
【关键词】可编程逻辑控制器（PLC）；自动控制系统；PID调节
可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称（Programmable Logic Controller）， 简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，已被广泛应用于自动化工业及管理领域，并向高速度、大容量方向发展，向超大型、超小型两个方向发展，PLC正在大力开发智能模块，加强联网通信能力，增强外部故障的检测与处理能力，并加强了编程语言的多样化。可以想见，PLC在现代工业领域的应用前景将无可限量。
一、高庄站配风系统简介
高庄集气站是底浓度场站，出站煤层气浓度依据用户要求为40.8%。混前浓度一般从坪上煤业输送过来为52%左右，为此需要进行配风掺混后，才能输送出站。站内配风系统目前采用西门子PLC进行自动控制，PLC为S7-400H系统，系统中两个CPU同时工作，CPU没有切换时间。I/O为2002主动冗余，同时工作。
二、PLC在高庄集气站配风系统中的应用情况
S7-400H系统可以在线进行编程修改。与标准系统的在线修改一样，修改后的程序被下载到连接的CPU中，通过光纤同步模块将程序传输到另一个CPU中。可以通过MPI、PROFIBUS或Ethernet接口在线修改程序。CPU故障后，替换的备份CPU与主CPU同步连接自动建立，备份CPU发出Link-up请求，主站在禁止删除、拷贝和生成功能块后将所有的数据发给备份CPU。备份CPU执行自检测，然后向主站发出更新请求。主站在终止已组态连接的通讯和禁止低级别报警后，拷贝动态数据库给备份CPU。主站运行用户程序，在禁止所有报警和中断后向已Link-up的备份CPU发送上次更新后发生改变的动态数据。备份CPU接收主CPU的输入、输出、定时器、计数器和内存位信息，主CPU使能报警/中断和通讯，主、备CPU进入到冗余、同步操作过程。系统上位机软件为CITECT SCADA上位机软件。系统工艺流程图如下：
监控画面主要分六部分，即压缩机监控画面、输送监控画面、煤气柜监控画面。系统还提供报表查询功能。报表功能可以生成10个测点的24小时简报，给客户提供实时数据和历史数据进行深入分析。整个站控系统PLC只有一个控制回路：煤层气混合自动控制。通过PID调节进行。PID是英文单词比例（Proportion），积分（Integral），微分（Differential coefficient）的缩写。PID调节实际上是由比例、积分、微分三种调节方式组成，它们各自的作用如下： 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强 的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合。本系统PID操作面板最上面显示的是设备中文说明。面板上有“手动”、“自动”和“复位”按钮，当PID回路在自动状态时，手动按钮显示亮绿色，自动按钮显示暗褐色；当PID回路在手动状态，自动按钮显示亮黄色，手动按钮显示墨绿色。操作员可以通过点击“手动”和“自动”按钮来进行控制回路的手自动切换。偏差值在一定范围内并且没有自动禁止的条件下，操作员才可以对控制回路投自动；当偏差值超过给定范围或者自动禁止条件来时，回路会从自动状态切到手动状态。操作面板上还显示了PID控制回路的设定值（SP值）、实际输入值（PV值）、PID输出值（OUT）和执行机构的反馈值（FB）以及这些数值的对应的棒状图。数值显示的颜色和棒状图的颜色是一一对应的。比如PV值显示的数字颜色是绿色的，绿色的棒状图则对应的是PV值。在控制回路手动情况下，SP的值自动跟踪PV值，如右上图所示：SP值大小等于PV值。当控制回路在自动状态的时候，操作员可以通过SP数值显示条的左右按钮来加减修改SP的值的大小。在修改SP值的时候操作员需注意不要一下改变太多SP的值，否则由于设定值和实际值的偏差过大会引起PID回路切到手动状态，并且会造成一定的扰动，影响设备稳定操作和调节。PID控制回路在自动时，PID的输出值由PID调节自动输出，不能进行人为修改；PID控制回路在手动状态时，PID的输出值可以由操作员手动修改。操作人员可以通过点击OUT数值条左右两边的加减按钮来改变输出的大小，每点击一次加减按钮，输出值的大小加减1%；操作人员也可以通过键盘直接输入需要的PID输出值。 三、PLC在高庄集气站配风系统中应用的改进建议
目前站内的配风系统运行还算比较稳定，设备运行情况良好。但是由于设备的老化程度比较高，特备是电动控制阀门受环境温度影响比较大，冬季时执行机构的动作受到气温影响较大，从而对自动控制系统产生一定的影响。为此执行机构的更新维护对自动控制系统的稳定运行会起到相当大的作用。同时，此控制系统的上位机软件为西亚特公司的SCADA软件，但是此软件的资料相对比较稀少，用户交流比较困难，如果采用西门子的上位机软件WINCC，将会对后期维护人员带来更多便利，可以有更多的交流平台，从而对日常生产中的故障排除带来很大的便利。
四、 PLC在高庄集气站其他系统中的改造前景
随着铭石公司生产规模的不断扩大，设备的不断更新换代，PLC将会在公司内部的日常生产中有更进一步的应用和发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从配套性上看，PLC会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。高庄集气站内部的自动化程度还不是很高，很多工艺流程可以通过改造实现自动化的控制。比如目前的压缩机循环水系统的控制，进出站阀门的开启和关闭控制，气柜进出气阀门的自动控制等，都可以通过PLC控制来实现。自动化程度的提高一定程度上减轻了人工劳力的损耗，更重要的是可以通过自动化控制很好地实现对生产工艺的控制，达到更加安全生产的目的，为此通过我们的努力，希望可以在不远的将来实现场站内生产的高度自动化控制。同时我也将继续努力学习新的自动化控制技术，为公司未来的发展出一份力。
参考文献：
[1] 陈新华主编 电工技术与可编程控制器实践 北京；机械工业出版社，2002
[2] 许世徐 可编程控制器原理应用网络 中国科技大学出版社
[3] 王成福主编 可编程控制器原理及应用 北京；机械工业出版社，2006.7
作者简介：
刘舫（1973.9--）、男、山西沁水人、大学本科学历、山西省晋煤集团铭石煤层气利用股份有限公司燃气输配分公司高庄集气站机电工程师，主要研究方向：机电技术与应用。
【关键词】可编程逻辑控制器（PLC）；自动控制系统；PID调节
可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称（Programmable Logic Controller）， 简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，已被广泛应用于自动化工业及管理领域，并向高速度、大容量方向发展，向超大型、超小型两个方向发展，PLC正在大力开发智能模块，加强联网通信能力，增强外部故障的检测与处理能力，并加强了编程语言的多样化。可以想见，PLC在现代工业领域的应用前景将无可限量。
一、高庄站配风系统简介
高庄集气站是底浓度场站，出站煤层气浓度依据用户要求为40.8%。混前浓度一般从坪上煤业输送过来为52%左右，为此需要进行配风掺混后，才能输送出站。站内配风系统目前采用西门子PLC进行自动控制，PLC为S7-400H系统，系统中两个CPU同时工作，CPU没有切换时间。I/O为2002主动冗余，同时工作。
二、PLC在高庄集气站配风系统中的应用情况
S7-400H系统可以在线进行编程修改。与标准系统的在线修改一样，修改后的程序被下载到连接的CPU中，通过光纤同步模块将程序传输到另一个CPU中。可以通过MPI、PROFIBUS或Ethernet接口在线修改程序。CPU故障后，替换的备份CPU与主CPU同步连接自动建立，备份CPU发出Link-up请求，主站在禁止删除、拷贝和生成功能块后将所有的数据发给备份CPU。备份CPU执行自检测，然后向主站发出更新请求。主站在终止已组态连接的通讯和禁止低级别报警后，拷贝动态数据库给备份CPU。主站运行用户程序，在禁止所有报警和中断后向已Link-up的备份CPU发送上次更新后发生改变的动态数据。备份CPU接收主CPU的输入、输出、定时器、计数器和内存位信息，主CPU使能报警/中断和通讯，主、备CPU进入到冗余、同步操作过程。系统上位机软件为CITECT SCADA上位机软件。系统工艺流程图如下：
监控画面主要分六部分，即压缩机监控画面、输送监控画面、煤气柜监控画面。系统还提供报表查询功能。报表功能可以生成10个测点的24小时简报，给客户提供实时数据和历史数据进行深入分析。整个站控系统PLC只有一个控制回路：煤层气混合自动控制。通过PID调节进行。PID是英文单词比例（Proportion），积分（Integral），微分（Differential coefficient）的缩写。PID调节实际上是由比例、积分、微分三种调节方式组成，它们各自的作用如下： 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强 的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合。本系统PID操作面板最上面显示的是设备中文说明。面板上有“手动”、“自动”和“复位”按钮，当PID回路在自动状态时，手动按钮显示亮绿色，自动按钮显示暗褐色；当PID回路在手动状态，自动按钮显示亮黄色，手动按钮显示墨绿色。操作员可以通过点击“手动”和“自动”按钮来进行控制回路的手自动切换。偏差值在一定范围内并且没有自动禁止的条件下，操作员才可以对控制回路投自动；当偏差值超过给定范围或者自动禁止条件来时，回路会从自动状态切到手动状态。操作面板上还显示了PID控制回路的设定值（SP值）、实际输入值（PV值）、PID输出值（OUT）和执行机构的反馈值（FB）以及这些数值的对应的棒状图。数值显示的颜色和棒状图的颜色是一一对应的。比如PV值显示的数字颜色是绿色的，绿色的棒状图则对应的是PV值。在控制回路手动情况下，SP的值自动跟踪PV值，如右上图所示：SP值大小等于PV值。当控制回路在自动状态的时候，操作员可以通过SP数值显示条的左右按钮来加减修改SP的值的大小。在修改SP值的时候操作员需注意不要一下改变太多SP的值，否则由于设定值和实际值的偏差过大会引起PID回路切到手动状态，并且会造成一定的扰动，影响设备稳定操作和调节。PID控制回路在自动时，PID的输出值由PID调节自动输出，不能进行人为修改；PID控制回路在手动状态时，PID的输出值可以由操作员手动修改。操作人员可以通过点击OUT数值条左右两边的加减按钮来改变输出的大小，每点击一次加减按钮，输出值的大小加减1%；操作人员也可以通过键盘直接输入需要的PID输出值。 三、PLC在高庄集气站配风系统中应用的改进建议
目前站内的配风系统运行还算比较稳定，设备运行情况良好。但是由于设备的老化程度比较高，特备是电动控制阀门受环境温度影响比较大，冬季时执行机构的动作受到气温影响较大，从而对自动控制系统产生一定的影响。为此执行机构的更新维护对自动控制系统的稳定运行会起到相当大的作用。同时，此控制系统的上位机软件为西亚特公司的SCADA软件，但是此软件的资料相对比较稀少，用户交流比较困难，如果采用西门子的上位机软件WINCC，将会对后期维护人员带来更多便利，可以有更多的交流平台，从而对日常生产中的故障排除带来很大的便利。
四、 PLC在高庄集气站其他系统中的改造前景
随着铭石公司生产规模的不断扩大，设备的不断更新换代，PLC将会在公司内部的日常生产中有更进一步的应用和发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从配套性上看，PLC会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。高庄集气站内部的自动化程度还不是很高，很多工艺流程可以通过改造实现自动化的控制。比如目前的压缩机循环水系统的控制，进出站阀门的开启和关闭控制，气柜进出气阀门的自动控制等，都可以通过PLC控制来实现。自动化程度的提高一定程度上减轻了人工劳力的损耗，更重要的是可以通过自动化控制很好地实现对生产工艺的控制，达到更加安全生产的目的，为此通过我们的努力，希望可以在不远的将来实现场站内生产的高度自动化控制。同时我也将继续努力学习新的自动化控制技术，为公司未来的发展出一份力。
参考文献：
[1] 陈新华主编 电工技术与可编程控制器实践 北京；机械工业出版社，2002
[2] 许世徐 可编程控制器原理应用网络 中国科技大学出版社
[3] 王成福主编 可编程控制器原理及应用 北京；机械工业出版社，2006.7
作者简介：
刘舫（1973.9--）、男、山西沁水人、大学本科学历、山西省晋煤集团铭石煤层气利用股份有限公司燃气输配分公司高庄集气站机电工程师，主要研究方向：机电技术与应用。