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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(tǒng)中的應(yīng)用并著重介紹該產(chǎn)品的PID閉環(huán)功能在恒溫控制上的實(shí)現(xiàn)和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能對EMERSON EV2000變頻器運(yùn)行控制的實(shí)現(xiàn)。該老化房控制系統(tǒng)是家電，電子，電腦行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)檢測的重要設(shè)備，也是產(chǎn)品生產(chǎn)合格檢查的重要環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)采用EMERSON EC20 PLC和多臺EV2000變頻器，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度和變頻器運(yùn)行的集中控制。
二、老化房控制系統(tǒng)工藝要求：
老化房結(jié)構(gòu)如圖所示：
具體要求如下：
1, 該系統(tǒng)所控制的老化房面積達(dá)16×30M，要求控制范圍在20-55℃，控制精度達(dá)±5℃，能夠在上位機(jī)對溫度設(shè)定/顯示/保存；（加濕控制采用單獨(dú)進(jìn)行和PLC無關(guān)）
2, 該系統(tǒng)有3個(gè)風(fēng)機(jī)，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)防塵過濾網(wǎng)；6個(gè)火災(zāi)報(bào)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(jī)和排風(fēng)電機(jī)，打開回風(fēng)閥和防火閥，啟動(dòng)回風(fēng)風(fēng)機(jī)，保持老化房內(nèi)回風(fēng)循環(huán)；
在高溫情況下，排風(fēng)閥和進(jìn)風(fēng)閥打開，啟動(dòng)排風(fēng)電機(jī)和進(jìn)風(fēng)電機(jī)，抽出部分空氣；
在火災(zāi)報(bào)警情況下，防火閥關(guān)閉，回風(fēng)禁止循環(huán)，全部從室內(nèi)抽出；同時(shí)排風(fēng)閥和進(jìn)風(fēng)閥打開，啟動(dòng)排風(fēng)電機(jī)和進(jìn)風(fēng)電機(jī)，抽出室內(nèi)空氣；
3，其他要求省略；
三、工作原理：
PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：
EC20PLC設(shè)備的I/0接線如圖：
工作原理：
根據(jù)老化房工藝要求組成如上圖控制系統(tǒng)：上位機(jī)采用臺灣研華IPC（工控計(jì)算機(jī)）；監(jiān)控畫面采用亞控公司的KINGVIEW軟件，該軟件操作簡單，元件形象豐富，性能穩(wěn)定；核心控制部分采用EMERSON EC20-2012BTA類型的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(shè)備連接方面，EC20 PLC充分體現(xiàn)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(shè)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(shè)置成MODBUS主站協(xié)議）。
IPC為整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)接口，IPC讀取PLC采集的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)如各風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，各測溫點(diǎn)溫度，報(bào)警狀況并顯示在監(jiān)控畫面上，IPC又把各種操作命令傳給PLC以控制系統(tǒng)的運(yùn)行，如溫度的設(shè)定，PID參數(shù)設(shè)定，各種閥門的開閉，變頻器的啟動(dòng)、停止等設(shè)定。并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工作運(yùn)行狀態(tài)、動(dòng)作過程及故障報(bào)警等，IPC還可以根據(jù)設(shè)定對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存打印。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，EC20 PLC為整個(gè)系統(tǒng)的核心，執(zhí)行各種系統(tǒng)操作及計(jì)算，EC20 PLC根據(jù)工藝要求和現(xiàn)場狀況進(jìn)行邏輯判斷，開閉各種閥門和啟停各風(fēng)機(jī)；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(guī)范，用于實(shí)現(xiàn)PLC與多臺變頻器的聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)MODBUS通訊協(xié)議，我們可以通過RS485網(wǎng)絡(luò)輕松實(shí)現(xiàn)對變頻器的運(yùn)行控制。由于RS485通訊鏈路傳輸距離遠(yuǎn)、配線簡單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此在設(shè)計(jì)中，我們省略了變頻器的外部起停控制線路，對變頻器的所有控制都通過RS485通訊鏈路來完成，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)高效的目的。
四、監(jiān)控畫面
整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控畫面主要分為主畫面，實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控，PID參數(shù)設(shè)定，三個(gè)部分（其他部分省略），具體如下：
主畫面如上圖所示，主要完成對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控（如各種風(fēng)閥的開閉狀態(tài)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，報(bào)警狀態(tài)），數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（如系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間，啟停系統(tǒng)的次數(shù)），溫度設(shè)定/測量等功能。
實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控畫面如上所示，此畫面主要用于對溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并描繪出溫度曲線趨勢，以便判斷系統(tǒng)的溫度控制是否處于良好狀態(tài)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對溫度進(jìn)行保存/打印等操作。
PID參數(shù)設(shè)定畫面主要用于比例常數(shù)P，積分常數(shù)I，微分常數(shù)D的設(shè)定，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)溫度曲線狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)；同時(shí)顯示PID控制的輸出比例。
五、對溫度控制的實(shí)現(xiàn)
為便于對整個(gè)老化房內(nèi)溫度的控制，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(nèi)溫度區(qū)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(yùn)算，同時(shí)對加熱執(zhí)行元件（參考EC20 PLC的I/O接線圖，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(yùn)算，通過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(yùn)算，直接輸出Y0，Y1，Y2； |
|
3>ER≥1 |
啟動(dòng)PID運(yùn)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(yùn)算控制Y0輸出，關(guān)閉Y1，Y2輸出； |
|
-3>ER>-1 |
啟動(dòng)PID運(yùn)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(yùn)算，關(guān)閉Y0，Y1，Y2； |
通過此法處理可以把溫度控制精度保持在±0.3度以內(nèi),而且無論提升溫度還是下降溫度都很快速；同時(shí)把PID輸出轉(zhuǎn)化為PWM的占空比輸出，又大大節(jié)省了PLC的資源（充分利用Y0，Y1的高達(dá)100KHZ的脈沖輸出功能）。
EC20 PLC的編程軟件CONTROLSTAR的操作簡單方便，指令豐富，功能強(qiáng)大，是一個(gè)很優(yōu)秀的全中文編輯工具。
實(shí)現(xiàn)步驟具體如下：首先，在數(shù)據(jù)塊設(shè)定PID各參數(shù)，其中的重點(diǎn)是設(shè)置P，I，D三個(gè)參數(shù)和輸出量的上下限范圍，由于PID的輸出結(jié)果直接和PWM結(jié)合在一起，所以設(shè)置時(shí)要特別注意，在本例子中，按照PWM的周期為4秒（=4000MS）計(jì)算，把PID的輸出上下限分別設(shè)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(yùn)算周期短的時(shí)間數(shù)值無法執(zhí)行；
D7911 16#23 //動(dòng)作方向 > 逆動(dòng)作，設(shè)輸出限定
………………………………………………..//BIT0 0：正動(dòng)作 1：逆動(dòng)作；
………………………………………………..//BIT1 0：輸入變化量報(bào)警無效 1：輸入變化量報(bào)警有效；
………………………………………………..//BIT2 0：輸出變化量報(bào)警無效 1：輸出變化量報(bào)警有效；
………………………………………………..//BIT3-4 沒使用；
………………………………………………..//BIT5 0：輸出值上下限設(shè)定無效1：輸出值上下限設(shè)定有效
………………………………………………..//BIT6～BIT15 沒使用
D7912 70 //S3+2 輸入濾波常數(shù)(α)范圍0～99[﹪]，為0時(shí)沒有輸入濾波；
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(無積分)；
D7915 0 //S3+5 微分增益(KD)范圍0～100[﹪]，為0時(shí)無微分增益；
D7916 63 //S3+6 微分時(shí)間(TD)范圍0～32767(×10ms)，為0時(shí)無微分處理；
D7925 2000 //S3+15 輸入變化量(增側(cè))報(bào)警設(shè)定值0～32767(S3+1的BIT1=1時(shí))；
D7926 0 //S3+16 輸入變化量(減側(cè))報(bào)警設(shè)定值0～32767(S3+1的BIT1=1時(shí))；
D7927 4000 //S3+17 輸出變化量(增側(cè))報(bào)警設(shè)定值0～32767(S3+1的BIT2=1和BIT5=0時(shí))；輸出上限設(shè)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(cè))報(bào)警設(shè)定值0～32767(S3+1的BIT2=1和BIT5=0時(shí))；輸出下限設(shè)定值-32768～32767(S3+1的BIT2=0和BIT5=1時(shí))；
其次,在程序里調(diào)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單，故此處省略）。
六、 對變頻器的啟停控制
由于EMESON EC20 PLC和EV2000變頻器（非標(biāo)）都集成MODBUS協(xié)議，所以實(shí)現(xiàn)它們的通信相對比較簡單，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用RS485通信方式。
1. 各設(shè)備接口通信參數(shù)設(shè)置，對EC20 PLC設(shè)置如下：
2. EV2000的設(shè)置要點(diǎn)：1，各通信參數(shù)要和EC20 PLC一致；2，各變頻器的地址要有自己唯一的從機(jī)地址；3，注意變頻器的通信跳線開關(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(jié)，然后是低位字節(jié)。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(shè)定和Modbus內(nèi)部約定值中的較大值。Modbus內(nèi)部約定的最小幀間空閑如下：幀頭和幀尾通過總線空閑時(shí)間不小于3.5個(gè)字節(jié)時(shí)間來界定幀。數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用CRC-16，整個(gè)信息參與校驗(yàn)，校驗(yàn)和的高低字節(jié)需要交換后發(fā)送。具體的CRC校驗(yàn)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)字符的總線空閑即可，幀之間的總線空閑不需要累加起始和結(jié)束空閑。
Modbus最主要的功能是讀寫參數(shù)，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(shù)和運(yùn)行狀態(tài)參數(shù) |
|
0x06 |
改寫單個(gè)變頻器功能碼或者控制參數(shù)，掉電之后不保存 |
|
0x08 |
線路診斷 |
|
0x10 |
改寫多個(gè)變頻器功能碼或者控制參數(shù)，掉電之后不保存 |
|
0x41 |
改寫單個(gè)變頻器功能碼或者控制參數(shù)，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(shù)據(jù)的格式和意義，簡要介紹如下：
改寫多個(gè)變頻器功能碼和狀態(tài)參數(shù)的格式協(xié)議：請求格式如下：
|
應(yīng)用層協(xié)議
數(shù)據(jù)單元 |
數(shù)據(jù)長度
（字節(jié)數(shù)） |
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(shù)目 |
2 |
0x0001~0x0004 |
|
寄存器內(nèi)容字節(jié)數(shù) |
1 |
2*操作寄存器數(shù)目 |
|
寄存器內(nèi)容 |
2*操作寄存器數(shù)目 |
|
應(yīng)答格式如下：
|
應(yīng)用層協(xié)議
數(shù)據(jù)單元 |
數(shù)據(jù)長度（字節(jié)數(shù)） |
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(shù)目 |
2 |
0x0001~0x0004 |
讀取變頻器參數(shù)的協(xié)議格式：請求格式如下：
|
應(yīng)用層協(xié)議
數(shù)據(jù)單元 |
數(shù)據(jù)長度
（字節(jié)數(shù)） |
取值或范圍 |
|
功能碼 |
1 |
0x03 |
|
起始寄存器地址 |
2 |
0x0000~0xFFFF |
|
寄存器數(shù)目 |
2 |
0x0001~0x0004 |
應(yīng)答格式如下：
|
應(yīng)用層協(xié)議
數(shù)據(jù)單元 |
數(shù)據(jù)長度
（字節(jié)數(shù)） |
取值或范圍 |
|
功能碼 |
1 |
0x03 |
|
讀取字節(jié)數(shù) |
1 |
2*寄存器數(shù)目 |
|
讀取內(nèi)容 |
2*寄存器數(shù)目 |
|
變頻器的功能碼參數(shù)、控制參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)都映射為Modbus的讀寫寄存器。功能碼參數(shù)的讀寫特性和范圍遵循變頻器用戶手冊的說明。變頻器功能碼的組號映射為寄存器地址的高字節(jié)，組內(nèi)索引映射為寄存器地址的低字節(jié)。變頻器的控制參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)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(jié)的對應(yīng)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(shù)組：0x32；變頻器狀態(tài)參數(shù)組：0x33。
例如變頻器功能碼參數(shù)F3.02的寄存器地址為0x302，變頻器功能碼參數(shù)FF.01的寄存器地址為0xF01。
5、具體程序編寫：啟動(dòng)5#變頻器正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為50.00HZ（內(nèi)部表示為5000）的命令如下：
|
|
地址 |
功能碼 |
寄存器地址 |
寄存器數(shù)目 |
寄存器內(nèi)容字節(jié)數(shù) |
寄存器內(nèi)容 |
校驗(yàn)和 |
|
請求 |
0x05 |
0x10 |
0x3200 |
0x0002 |
0x04 |
0x01C7,0x1388 |
0x16A9 |
|
響應(yīng) |
0x05 |
0x10 |
0x3200 |
0x0002 |
無 |
無 |
0x4EF4 |
程序清單：
讀取5#變頻器的運(yùn)行頻率，變頻器應(yīng)答運(yùn)行頻率為50.00HZ：
|
|
地址 |
功能碼 |
寄存器地址 |
寄存器數(shù)目或者讀取字節(jié)數(shù) |
寄存器內(nèi)容 |
校驗(yàn)和 |
|
請求 |
0x05 |
0x03 |
0x3301 |
0x0001 |
無 |
0xDB0A |
|
響應(yīng) |
0x05 |
0x03 |
無 |
0x02 |
0x1388 |
0x44D2 |
程序清單：
5#變頻器以最快速度停車：
|
|
地址 |
功能碼 |
寄存器地址 |
寄存器內(nèi)容 |
校驗(yàn)和 |
|
請求 |
0x05 |
0x06 |
0x3200 |
0x00C3 |
0xC6A7 |
|
響應(yīng) |
0x05 |
0x06 |
0x3200 |
0x00C3 |
0xC6A7 |
七、 小結(jié)
該系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)的核心設(shè)備后，系統(tǒng)不僅達(dá)到良好的控制效果和很好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)比較容易維護(hù)，受到用戶的好評。
參考文獻(xiàn)：無
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(tǒng)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