PLC、人機(jī)界面及其在制氮設(shè)備中的應(yīng)用

隨著我國(guó)自動(dòng)化控制水平的不斷提高，PLC(可編程序控制器)、文本顯示器、觸摸屏已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，現(xiàn)將它們作一簡(jiǎn)單介紹，并闡述其在瑞氣公司制氮設(shè)備中的應(yīng)用。

一、可編程序控制器

在自動(dòng)化控制領(lǐng)域，PLC（Programmable Logic Controller）是一種重要的控制設(shè)備。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。目前，世界上有200多廠家生產(chǎn)幾百個(gè)品種PLC產(chǎn)品，例如：美國(guó)AB，德國(guó)siemens，日本三菱、Omron，施耐德，GE等，在PLC應(yīng)用方面，我國(guó)是很活躍的，應(yīng)用的行業(yè)也很廣。例如鋼鐵、機(jī)械、冶金、食品、飲料、包裝、汽車、石化等行業(yè)。

從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。

CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。

CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。

PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備：

1、編程設(shè)備：編程器是PLC開(kāi)發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。

2、人機(jī)界面：最簡(jiǎn)單的人機(jī)界面是指示燈、按鈕等，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。

3、輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，如EPROM、EEPROM寫(xiě)入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機(jī)等。

目前，國(guó)內(nèi)PLC市場(chǎng)仍以國(guó)外產(chǎn)品為主，瑞氣公司主要是采用德國(guó)Siemens S7-200系列（S7-200系列銷售突破10萬(wàn)臺(tái)，Profibus全球節(jié)點(diǎn)超過(guò)1000萬(wàn)），它在PLC市場(chǎng)領(lǐng)域中占有率相當(dāng)高。

瑞氣公司根據(jù)工藝的要求、系統(tǒng)控制功能特點(diǎn)、用戶的需要及變壓吸附和再生的技術(shù)要求，確定分子篩吸附、再生、均壓等各階段的時(shí)間，用梯形圖或指令語(yǔ)句方式編輯PLC控制程序，控制各階段閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及有關(guān)相應(yīng)的報(bào)警（如：純度、碳位報(bào)警等）。如用戶需要在線顯示、修改參數(shù)（如純度、壓力、流量、溫度、露點(diǎn)等）及提供預(yù)留給用戶標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如電流信號(hào)：4-20mA）作DCS系統(tǒng)。如需要在線顯示、修改參數(shù)要增加模擬量擴(kuò)展模塊與顯示部分（文本顯示器TD200或觸摸屏顯示）。

碳位報(bào)警系統(tǒng)：當(dāng)設(shè)備在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，吸附塔內(nèi)分子篩逐漸下沉，當(dāng)下沉到一定程度，PLC控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出間斷聲光報(bào)警，即提示用戶應(yīng)盡快添加分子篩，但系統(tǒng)仍然可繼續(xù)運(yùn)行，報(bào)警同時(shí)存在；這時(shí)候如果用戶繼續(xù)使用設(shè)備，分子篩繼續(xù)下沉到另一個(gè)程度，這時(shí)制氮機(jī)會(huì)自動(dòng)卸壓后停機(jī)，同時(shí)發(fā)會(huì)發(fā)出連續(xù)聲光報(bào)警，此時(shí)應(yīng)立即添加分子篩，否則系統(tǒng)拒絕工作。

純度報(bào)警系統(tǒng)：當(dāng)產(chǎn)品氣純度達(dá)不到預(yù)先設(shè)定純度值時(shí)（純度設(shè)定值是通過(guò)二次儀表、TD200或觸摸屏進(jìn)行設(shè)定的），PLC控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出間斷聲光報(bào)警，并對(duì)不合格氣體進(jìn)行排空（有自動(dòng)排空與手動(dòng)排空，根據(jù)用戶需求自選）。若不合格氣體連續(xù)排空時(shí)間超過(guò)1小時(shí)（排空時(shí)間長(zhǎng)短可通過(guò)TD200或觸摸屏進(jìn)行設(shè)置），則說(shuō)明設(shè)備存在故障，不能制得合格氣體。控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)卸壓后停機(jī)，并發(fā)出間斷聲光報(bào)警。

由于壓力、流量、溫度及露點(diǎn)等（電流或電壓信號(hào)）這些信號(hào)是模擬信號(hào)，因此必須通過(guò)EM231（模擬量輸入模塊）進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)PLC編程在TD200或觸摸屏上顯示。根據(jù)這些數(shù)據(jù)再通過(guò)PLC編程進(jìn)行與預(yù)置參數(shù)進(jìn)行比較，超過(guò)或低于預(yù)置值將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。報(bào)警信息詳細(xì)內(nèi)容可在TD200或觸摸屏上查找。在純化系統(tǒng)中通過(guò)PLC編程可以進(jìn)行自動(dòng)加氫控制與閉環(huán)控制；通過(guò)PLC編程對(duì)溫度進(jìn)行PID控制。PID控制精度高，波動(dòng)小，響應(yīng)快。PID調(diào)節(jié)中，用比例環(huán)節(jié)（P)來(lái)決定基本的調(diào)節(jié)響應(yīng)力度，用微分環(huán)節(jié)（D)來(lái)加速對(duì)快速變動(dòng)的響應(yīng)，用積分環(huán)節(jié)（I)來(lái)消除殘留誤差。對(duì)PID進(jìn)行整定時(shí)，總是先調(diào)節(jié)比例環(huán)節(jié)，然后一般是調(diào)節(jié)積分環(huán)節(jié)，最后調(diào)節(jié)微分環(huán)節(jié)。

二、文本顯示器

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上使用的文本顯示器有西門(mén)子、HITECH、eView、臺(tái)達(dá)等品牌。其中西門(mén)子TD200文本顯示器最為普遍，它是所有SIMATIC S7-200系列操作員界面問(wèn)題的最佳解決方法。

TD200連接很簡(jiǎn)單，只需用它提供的連接電纜接到CPU 22X系列PPI接口上即可。不需要單獨(dú)的電源（如果TD200與S7-200系列之間距離超過(guò)2.5m,需接額外電源）。背光LCD液晶顯示（即使在逆光情況下也容易看清）。

TD200具有下列用途：

1、顯示信息---顯示最多80條信息，每條信息最多可包含4個(gè)變量。
2、在控制系統(tǒng)中起設(shè)定和修正參數(shù)的作用，例如：改變動(dòng)作、報(bào)警等的設(shè)定值。
3、可以提供8個(gè)由用戶自定義的功能鍵。
4、提供密碼保護(hù)功能。

瑞氣變壓吸附制氮、制氧設(shè)備及氮?dú)饧兓O(shè)備中，一般均配有TD200文本顯示器，它可以方便用戶進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)查詢，并能在授權(quán)的狀況下對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，極大地滿足了用戶對(duì)產(chǎn)品操作使用簡(jiǎn)單有效的要求。

典型使用情況如下：

1、顯示制氮設(shè)備換熱器出口氣體溫度，超溫時(shí)自動(dòng)跳出文字報(bào)警信息。

2、氮?dú)獾蛪汗收蠄?bào)警處理

當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫Φ陀谠O(shè)定值時(shí)，文本顯示器有文字提示。一旦氮?dú)鈮毫M足條件，系統(tǒng)恢復(fù)正常，并對(duì)故障報(bào)警自動(dòng)復(fù)位。

3、 超溫故障報(bào)警處理

當(dāng)系統(tǒng)由于硬件損壞而引起不正常的加溫，如SSR（固態(tài)繼電器），CPU繼電器的接點(diǎn)、熱電偶等器件的損壞而引起，這些故障須用戶特別小心注意，發(fā)現(xiàn)此故障應(yīng)立即檢查維修。故障有指示燈閃爍報(bào)警，并有文字提示。

4、顯示設(shè)備運(yùn)行的累計(jì)時(shí)間

三、觸摸屏(人機(jī)界面Human Machine Interface)

在工業(yè)控制領(lǐng)域，隨著生產(chǎn)方式和技術(shù)的進(jìn)步，人機(jī)交流的工具已從機(jī)械的操作桿、按鈕開(kāi)關(guān)和指示燈等發(fā)展到了友好的觸摸屏和信息面板等。由于人機(jī)界面（HMI）產(chǎn)品的應(yīng)用越來(lái)越廣，HMI產(chǎn)品和供應(yīng)商也越來(lái)越多，從技術(shù)、產(chǎn)品到市場(chǎng)等各環(huán)節(jié)看，融操作監(jiān)控、數(shù)據(jù)存取、參數(shù)修改功能于一體的HMI已逐漸成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)門(mén)類。目前，世界上觸摸屏的品牌很多，例如：SIEMENS 、OMRON、施耐德、三菱、A&B、***EVIEW ，HITECH、日本HAKKO、富士等等，其中，PRO-FACE是世界上為數(shù)不多的HMI專業(yè)供應(yīng)商。據(jù)有關(guān)報(bào)告顯示，Pro-face在中國(guó)的HMI市場(chǎng)中表現(xiàn)出色，成為其中的領(lǐng)軍品牌。

Pro-face是全球著名的日本Digital電子有限公司的主要成員之一，公司主要產(chǎn)品包括：可編程觸摸屏（GP系列、ST）、平板式工業(yè)計(jì)算機(jī)（PL系列、PS系列）、圖形邏輯控制器(LT系列、GLC系列)以及IT產(chǎn)品信息終端等各類人機(jī)界面。

日本Digital電子有限公司成立于1972年，是全球HMI行業(yè)領(lǐng)袖。20多年來(lái)以其精湛的技術(shù)，優(yōu)良的品質(zhì)和嚴(yán)格的管理享譽(yù)全球，Pro-face這一品牌已成為優(yōu)質(zhì)人機(jī)界面的代名詞。Pro-face它以其出眾的外觀、緊密的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效的運(yùn)算能力、杰出的控制體系、卓越的品質(zhì)和完善的服務(wù)，令眾多高端機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)廠商和各大型項(xiàng)目工程單位對(duì)Pro-face的產(chǎn)品愛(ài)不釋手。尤其是他們的可編程觸摸屏，可連接世界上200多個(gè)品牌PLC，為我們提供了更大的操作空間。

上圖是瑞氣制氮設(shè)備運(yùn)用Pro-face的（GP37-W2型）觸摸屏示意圖。從這幅畫(huà)面上我們可以了解到設(shè)備的工作狀態(tài)（設(shè)備處于停止。。）、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間（245小時(shí)12分12秒）、工作流程及閥門(mén)的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)，還可以通過(guò)上面按鈕開(kāi)停機(jī)、參數(shù)設(shè)置、查看系統(tǒng)故障信息等。例如還可以顯示氣體進(jìn)出口壓力、出口流量、純度、溫度、露點(diǎn)及其它們的記錄曲線等。它也可以作為用戶中控室的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝備。