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案例頻道一、概述
本文介紹了艾默生公司EC20 PLC在老化房控制系統中的應用并著(zhù)重介紹該產(chǎn)品的PID閉環(huán)功能在恒溫控制上的實(shí)現和強大的網(wǎng)絡(luò )通信功能對EMERSON EV2000變頻器運行控制的實(shí)現。該老化房控制系統是家電，電子，電腦行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)檢測的重要設備，也是產(chǎn)品生產(chǎn)合格檢查的重要環(huán)節。該系統采用EMERSON EC20 PLC和多臺EV2000變頻器，實(shí)現對室內溫度和變頻器運行的集中控制。
二、老化房控制系統工藝要求：
老化房結構如圖所示：
具體要求如下：
1, 該系統所控制的老化房面積達16×30M，要求控制范圍在20-55℃，控制精度達±5℃，能夠在上位機對溫度設定/顯示/保存；（加濕控制采用單獨進(jìn)行和PLC無(wú)關(guān)）
2, 該系統有3個(gè)風(fēng)機，用于進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)和排風(fēng)；有4個(gè)風(fēng)閘：新風(fēng)閘，回風(fēng)閘，排風(fēng)閘，防火閘；2個(gè)防塵過(guò)濾網(wǎng)；6個(gè)火災報警點(diǎn)；
在正常情況下（溫濕度），關(guān)閉進(jìn)風(fēng)閥和排風(fēng)閥，停止進(jìn)風(fēng)電機和排風(fēng)電機，打開(kāi)回風(fēng)閥和防火閥，啟動(dòng)回風(fēng)風(fēng)機，保持老化房?jì)然仫L(fēng)循環(huán)；
在高溫情況下，排風(fēng)閥和進(jìn)風(fēng)閥打開(kāi)，啟動(dòng)排風(fēng)電機和進(jìn)風(fēng)電機，抽出部分空氣；
在火災報警情況下，防火閥關(guān)閉，回風(fēng)禁止循環(huán)，全部從室內抽出；同時(shí)排風(fēng)閥和進(jìn)風(fēng)閥打開(kāi)，啟動(dòng)排風(fēng)電機和進(jìn)風(fēng)電機，抽出室內空氣；
3，其他要求省略；
三、工作原理：
PLC系統結構如下：
EC20PLC設備的I/0接線(xiàn)如圖：
工作原理：
根據老化房工藝要求組成如上圖控制系統：上位機采用臺灣研華IPC（工控計算機）；監控畫(huà)面采用亞控公司的KINGVIEW軟件，該軟件操作簡(jiǎn)單，元件形象豐富，性能穩定；核心控制部分采用EMERSON EC20-2012BTA類(lèi)型的PLC和4個(gè)溫度采集模塊（EC20-4TC，接受K型溫度信號）；傳動(dòng)采用EMERSON EV2000通用型變頻器。
在設備連接方面，EC20 PLC充分體現了自身的優(yōu)勢，由于EC20 PLC本身帶有2個(gè)串行通信口（1個(gè)RS232口，集成自由協(xié)議/編程協(xié)議/MODBUS從站協(xié)議，1個(gè)RS232/485口，集成自由協(xié)議/MODBUS主站/從站協(xié)議），EC20 PLC利用COM0口和IPC進(jìn)行通信（EC20 PLC做從站，設置成MODBUS從站協(xié)議），利用COM1和多臺變頻器組成網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行集中控制（EC20 PLC的COM1設置成MODBUS主站協(xié)議）。
IPC為整個(gè)系統的人機接口，IPC讀取PLC采集的系統運行狀態(tài)如各風(fēng)機的運轉狀態(tài)，各測溫點(diǎn)溫度，報警狀況并顯示在監控畫(huà)面上，IPC又把各種操作命令傳給PLC以控制系統的運行，如溫度的設定，PID參數設定，各種閥門(mén)的開(kāi)閉，變頻器的啟動(dòng)、停止等設定。并且可以實(shí)時(shí)監控整個(gè)系統的工作運行狀態(tài)、動(dòng)作過(guò)程及故障報警等，IPC還可以根據設定對采集的數據進(jìn)行保存打印。
在系統設計中，EC20 PLC為整個(gè)系統的核心，執行各種系統操作及計算，EC20 PLC根據工藝要求和現場(chǎng)狀況進(jìn)行邏輯判斷，開(kāi)閉各種閥門(mén)和啟停各風(fēng)機；同時(shí)利用自身的PID功能對溫度進(jìn)行控制，具體方法后面描述。
EV2000系列變頻器自帶RS485接口的通訊單元，符合RS485通訊規范，用于實(shí)現PLC與多臺變頻器的聯(lián)網(wǎng)。根據MODBUS通訊協(xié)議，我們可以通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò )輕松實(shí)現對變頻器的運行控制。由于RS485通訊鏈路傳輸距離遠、配線(xiàn)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強、可靠性高，因此在設計中，我們省略了變頻器的外部起?？刂凭€(xiàn)路，對變頻器的所有控制都通過(guò)RS485通訊鏈路來(lái)完成，達到了經(jīng)濟高效的目的。
四、監控畫(huà)面
整個(gè)系統監控畫(huà)面主要分為主畫(huà)面，實(shí)時(shí)溫度監控，PID參數設定，三個(gè)部分（其他部分省略），具體如下：
主畫(huà)面如上圖所示，主要完成對系統狀態(tài)的監控（如各種風(fēng)閥的開(kāi)閉狀態(tài)，風(fēng)機的運行狀態(tài)，報警狀態(tài)），數據統計（如系統運行的時(shí)間，啟停系統的次數），溫度設定/測量等功能。
實(shí)時(shí)溫度監控畫(huà)面如上所示，此畫(huà)面主要用于對溫度的實(shí)時(shí)監控，并描繪出溫度曲線(xiàn)趨勢，以便判斷系統的溫度控制是否處于良好狀態(tài)，同時(shí)可以實(shí)現對溫度進(jìn)行保存/打印等操作。
PID參數設定畫(huà)面主要用于比例常數P，積分常數I，微分常數D的設定，同時(shí)根據實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)狀況進(jìn)行調節；同時(shí)顯示PID控制的輸出比例。
五、對溫度控制的實(shí)現
為便于對整個(gè)老化房?jì)葴囟鹊目刂?，同時(shí)充分利用EC20 PLC自身PID功能和PWM脈沖輸出（Y0，Y1）的優(yōu)勢，室內溫度區域分為2個(gè)部分（上層和下層各8個(gè)測溫度點(diǎn)），對溫度取平均值作為溫度的測量值，并把此平均值送入PID功能塊進(jìn)行運算，同時(shí)對加熱執行元件（參考EC20 PLC的I/O接線(xiàn)圖，固態(tài)繼電器SSR1，SSR2，SSR3所控制的發(fā)熱管的功率逐漸加大）也進(jìn)行了分組處理：溫度偏差較小的情況下，進(jìn)行PID運算，通過(guò)Y0輸出脈沖給SSR1，同時(shí)關(guān)閉SSR2，SSR3（即Y1，Y2停止輸出）；如果溫度偏差較大，則Y1，Y2也參加輸出，具體處理思路如下：
|
偏差值（ER=SV-PV） |
處理辦法 |
|
ER≥3 |
關(guān)閉PID運算，直接輸出Y0，Y1，Y2； |
|
3>ER≥1 |
啟動(dòng)PID運算控制Y0輸出，同時(shí)啟動(dòng)Y1輸出；關(guān)閉Y2輸出； |
|
1>ER≥-1 |
啟動(dòng)PID運算控制Y0輸出，關(guān)閉Y1，Y2輸出； |
|
-3>ER>-1 |
啟動(dòng)PID運算控制Y0輸出，同時(shí)啟動(dòng)Y1輸出；關(guān)閉Y2輸出； |
|
-3≥ER |
關(guān)閉PID運算，關(guān)閉Y0，Y1，Y2； |
通過(guò)此法處理可以把溫度控制精度保持在±0.3度以?xún)?而且無(wú)論提升溫度還是下降溫度都很快速；同時(shí)把PID輸出轉化為PWM的占空比輸出，又大大節省了PLC的資源（充分利用Y0，Y1的高達100KHZ的脈沖輸出功能）。
EC20 PLC的編程軟件CONTROLSTAR的操作簡(jiǎn)單方便，指令豐富，功能強大，是一個(gè)很優(yōu)秀的全中文編輯工具。
實(shí)現步驟具體如下：首先，在數據塊設定PID各參數，其中的重點(diǎn)是設置P，I，D三個(gè)參數和輸出量的上下限范圍，由于PID的輸出結果直接和PWM結合在一起，所以設置時(shí)要特別注意，在本例子中，按照PWM的周期為4秒（=4000MS）計算，把PID的輸出上下限分別設定為4000和0；另外按照逆動(dòng)作（BIT0=1），輸出限定（BIT5=1）的要求對D7911各位進(jìn)行賦值；
D7910 500 //采樣時(shí)間S3 采樣時(shí)間(Ts)范圍為1～32767(ms)，比運算周期短的時(shí)間數值無(wú)法執行；
D7911 16#23 //動(dòng)作方向 > 逆動(dòng)作，設輸出限定
………………………………………………..//BIT0 0：正動(dòng)作 1：逆動(dòng)作；
………………………………………………..//BIT1 0：輸入變化量報警無(wú)效 1：輸入變化量報警有效；
………………………………………………..//BIT2 0：輸出變化量報警無(wú)效 1：輸出變化量報警有效；
………………………………………………..//BIT3-4 沒(méi)使用；
………………………………………………..//BIT5 0：輸出值上下限設定無(wú)效1：輸出值上下限設定有效
………………………………………………..//BIT6～BIT15 沒(méi)使用
D7912 70 //S3+2 輸入濾波常數(α)范圍0～99[﹪]，為0時(shí)沒(méi)有輸入濾波；
D7913 100 //S3+3 比例增益(Kp)范圍1～32767[﹪]；
D7914 25 //S3+4 積分時(shí)間(TI)范圍0～32767(×100ms)，為0時(shí)作為∞處理(無(wú)積分)；
D7915 0 //S3+5 微分增益(KD)范圍0～100[﹪]，為0時(shí)無(wú)微分增益；
D7916 63 //S3+6 微分時(shí)間(TD)范圍0～32767(×10ms)，為0時(shí)無(wú)微分處理；
D7925 2000 //S3+15 輸入變化量(增側)報警設定值0～32767(S3+1的BIT1=1時(shí))；
D7926 0 //S3+16 輸入變化量(減側)報警設定值0～32767(S3+1的BIT1=1時(shí))；
D7927 4000 //S3+17 輸出變化量(增側)報警設定值0～32767(S3+1的BIT2=1和BIT5=0時(shí))；輸出上限設定值-32768～32767(S3+1的BIT2=0和BIT5=1時(shí))；
D7928 0 //S3+18 輸出變化量(減側)報警設定值0～32767(S3+1的BIT2=1和BIT5=0時(shí))；輸出下限設定值-32768～32767(S3+1的BIT2=0和BIT5=1時(shí))；
其次,在程序里調用PID指令和PWM指令用于控制Y0的輸出（對SV和PV的比較而進(jìn)行的邏輯控制輸出較簡(jiǎn)單，故此處省略）。
六、 對變頻器的啟?？刂?BR>
由于EMESON EC20 PLC和EV2000變頻器（非標）都集成MODBUS協(xié)議，所以實(shí)現它們的通信相對比較簡(jiǎn)單，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )采用RS485通信方式。
1. 各設備接口通信參數設置，對EC20 PLC設置如下：
2. EV2000的設置要點(diǎn)：1，各通信參數要和EC20 PLC一致；2，各變頻器的地址要有自己唯一的從機地址；3，注意變頻器的通信跳線(xiàn)開(kāi)關(guān)CN14撥在RS485方向 ；
3. EC20PLC和變頻器的連接如下：
4. EC20 PLC和變頻器之間采用MODBUS RTU方式通信，Modbus采用“Big Endian”編碼方式，先發(fā)送高位字節，然后是低位字節。RTU方式格式如下：
RTU方式：在RTU方式下，幀之間的空閑時(shí)間取功能碼設定和Modbus內部約定值中的較大值。Modbus內部約定的最小幀間空閑如下：幀頭和幀尾通過(guò)總線(xiàn)空閑時(shí)間不小于3.5個(gè)字節時(shí)間來(lái)界定幀。數據校驗采用CRC-16，整個(gè)信息參與校驗，校驗和的高低字節需要交換后發(fā)送。具體的CRC校驗請參考協(xié)議后面的示例。值得注意的是，幀間保持至少3.5個(gè)字符的總線(xiàn)空閑即可，幀之間的總線(xiàn)空閑不需要累加起始和結束空閑。
Modbus最主要的功能是讀寫(xiě)參數，不同的功能碼決定不同的操作請求。變頻器Modbus協(xié)議支持以下功能碼操作：
|
功能碼 |
功能碼意義 |
|
0x03 |
讀取變頻器功能碼參數和運行狀態(tài)參數 |
|
0x06 |
改寫(xiě)單個(gè)變頻器功能碼或者控制參數，掉電之后不保存 |
|
0x08 |
線(xiàn)路診斷 |
|
0x10 |
改寫(xiě)多個(gè)變頻器功能碼或者控制參數，掉電之后不保存 |
|
0x41 |
改寫(xiě)單個(gè)變頻器功能碼或者控制參數，掉電之后保存 |
|
0x42 |
功能碼管理 |
Modbus協(xié)議不同的功能碼有不同數據的格式和意義，簡(jiǎn)要介紹如下：
改寫(xiě)多個(gè)變頻器功能碼和狀態(tài)參數的格式協(xié)議：請求格式如下：
|
應用層協(xié)議
數據單元 |
數據長(cháng)度
（字節數） |
取值或范圍 |
|
功能碼 |
1 |
0x10 |
|
起始寄存器地址 |
2 |
0x0000~0xFFFF |
|
操作寄存器數目 |
2 |
0x0001~0x0004 |
|
寄存器內容字節數 |
1 |
2*操作寄存器數目 |
|
寄存器內容 |
2*操作寄存器數目 |
|
應答格式如下：
|
應用層協(xié)議
數據單元 |
數據長(cháng)度（字節數） |
取值或范圍 |
|
功能碼 |
1 |
0x10 |
|
起始寄存器地址 |
2 |
0x0000~0xFFFF |
|
操作寄存器數目 |
2 |
0x0001~0x0004 |
讀取變頻器參數的協(xié)議格式：請求格式如下：
|
應用層協(xié)議
數據單元 |
數據長(cháng)度
（字節數） |
取值或范圍 |
|
功能碼 |
1 |
0x03 |
|
起始寄存器地址 |
2 |
0x0000~0xFFFF |
|
寄存器數目 |
2 |
0x0001~0x0004 |
應答格式如下：
|
應用層協(xié)議
數據單元 |
數據長(cháng)度
（字節數） |
取值或范圍 |
|
功能碼 |
1 |
0x03 |
|
讀取字節數 |
1 |
2*寄存器數目 |
|
讀取內容 |
2*寄存器數目 |
|
變頻器的功能碼參數、控制參數和狀態(tài)參數都映射為Modbus的讀寫(xiě)寄存器。功能碼參數的讀寫(xiě)特性和范圍遵循變頻器用戶(hù)手冊的說(shuō)明。變頻器功能碼的組號映射為寄存器地址的高字節，組內索引映射為寄存器地址的低字節。變頻器的控制參數和狀態(tài)參數均虛擬為變頻器功能碼組。功能碼組號與其映射的寄存器地址高字節的對應關(guān)系如下：
F0組：0x00；F1組：0x01；F2組：0x02；F3組：0x03；F4組：0x04；F5組：0x05；F6組：0x06；F7組：0x07；F8組：0x08；F9組：0x09；FA組：0x0A；Fb組：0x0B；FC組：0x0C；Fd組：0x0D；FE組：0x0E；FF組：0x0F；FH組：0x10；FL組：0x11；Fn組：0x12；FP組：0x13；FU組：0x14；變頻器控制參數組：0x32；變頻器狀態(tài)參數組：0x33。
例如變頻器功能碼參數F3.02的寄存器地址為0x302，變頻器功能碼參數FF.01的寄存器地址為0xF01。
5、具體程序編寫(xiě)：?jiǎn)?dòng)5#變頻器正轉，轉速設定為50.00HZ（內部表示為5000）的命令如下：
|
|
地址 |
功能碼 |
寄存器地址 |
寄存器數目 |
寄存器內容字節數 |
寄存器內容 |
校驗和 |
|
請求 |
0x05 |
0x10 |
0x3200 |
0x0002 |
0x04 |
0x01C7,0x1388 |
0x16A9 |
|
響應 |
0x05 |
0x10 |
0x3200 |
0x0002 |
無(wú) |
無(wú) |
0x4EF4 |
程序清單：
讀取5#變頻器的運行頻率，變頻器應答運行頻率為50.00HZ：
|
|
地址 |
功能碼 |
寄存器地址 |
寄存器數目或者讀取字節數 |
寄存器內容 |
校驗和 |
|
請求 |
0x05 |
0x03 |
0x3301 |
0x0001 |
無(wú) |
0xDB0A |
|
響應 |
0x05 |
0x03 |
無(wú) |
0x02 |
0x1388 |
0x44D2 |
程序清單：
5#變頻器以最快速度停車(chē)：
|
|
地址 |
功能碼 |
寄存器地址 |
寄存器內容 |
校驗和 |
|
請求 |
0x05 |
0x06 |
0x3200 |
0x00C3 |
0xC6A7 |
|
響應 |
0x05 |
0x06 |
0x3200 |
0x00C3 |
0xC6A7 |
七、 小結
該系統以前是采用IPC+控制I/O卡的方式進(jìn)行控制的，但是存在系統穩定性能差，控制效果不理想，故障率高的缺點(diǎn)，自從改用EMERSON 的PLC作為系統的核心設備后，系統不僅達到良好的控制效果和很好的經(jīng)濟效益，同時(shí)比較容易維護，受到用戶(hù)的好評。
參考文獻：無(wú)
①艾默生公司EV3000系列通用變頻器 艾默生網(wǎng)絡(luò )能源有限公司
③EC20系統手冊 艾默生網(wǎng)絡(luò )能源有限公司
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號