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S7-1200应用于吸附式干燥机控制

吸附式干燥机的主要用途是通过分子筛吸附剂去除压缩空气中的水蒸气。利用变压吸附,再生循环,使压缩空气交替流经AB两个充满吸附剂的干燥罐,即一个罐体在高分压(工作压力)状态下吸附水蒸汽时,另一个罐体在低分压(接近大气压)下解析,然后按设定的程序切换。
  
对于干燥机控制系统的选择,我采用了西门子公司新推出的一款PLC S7-1200,该PLC定位在原有的S7-200S7-300产品之间,可以实现简单而高精度的自动化任务。并且它集成了PROFINET接口,可以方便的接入公司现有的西门子工业以太网监控系统。同时选择了专门配合S7-1200使用的西门子HMI精简面板,用于实现对干燥机系统的可视化监控。

工艺流程
  
干燥机的工艺流程的工作步骤为:
1)工作:湿空气从下管系(黄色)经A1阀进入A干燥罐,自下向上流过吸附剂床,干燥后的空气从上管系(红色)排出。
2)再生:部分干燥空气(约10%)通过上管系再生气节流阀减压。减压后的干燥空气(称为再生气)经电加热器加热后自上向下对B干燥罐内的吸附剂解析再生,恢复吸附剂的干燥能力,再生气通过下管系B2阀和消音器排放到大气中。
3)冷却:再生结束后,电加热器停止工作,通过再生气对B罐进行自然冷却。
4)平衡:吸附剂冷却结束后,B2阀关闭,B干燥罐升压至在线工作压力,准备切换。
5)切换:下管系B1阀打开,A1阀关闭,A2阀打开,AB两个干燥罐体完成切换,B罐进入吸附,A罐卸压再生。
  
整个循环周期为4小时,每罐各运行2小时,一罐在吸附过程中,另一罐在再生状态,再生时间为1.5小时,再生温度控制在150,冷却时间为0.5小时。工作过程及工作时间由控制器自动控制完成。
A
B吸附塔3467止回阀5 消音器
8
节流阀  9 程序控制器 10 电加热器
3  S7-1200
特点
可升级及灵活的设计。
集成了PROFINET
集成有强大的计数、测量、闭环控制及运动控制功能。
直观高效的STEP 7 Basic工程系统可以同时组态控制器和屏。

硬件设计
  
按照控制工艺的要求,选择了CPU1214C作为控制器,该S7-1200 PLC集成了1424V数字量输入和1024V数字量输出。同时还选择了温度模块AI4×RTD,该模块能够采集4路温度信号。选择触摸屏KTP600PN作为可视化监控界面。
硬件选定后对各输入输出点进行配置,如表1所示。

软件设计
5.1
软件介绍
  
S7-1200系统的组态和编程采用STEP7 Basic软件,该软件具有以下7大亮点:
库的应用使重复使用项目单元变得非常容易。
在集成的工程框架(PLCHMI)中编辑器之间进行智能拖拽。
共同数据存储和统一符号(单一的入口点)。
任务入口视图为初学者和维修人员提供快速入门。
设备和网络可在一个编辑器中进行清晰的图形化配置。
所以的视图和编辑器具有清晰、直观的友好界面。
高性能程序编辑器创造高效率工程。

5.2软件组态
  
首先创建一个新项目,通过选择任务入口视图中的设备和网络选项添加PLC设备(CPU)和HMI设备,添加完成后,系统会自动把两种设备连接到一个网段上
然后点击图2PLC上的绿色方框进入硬件编辑界面,在CPU后面插入需要的RTD模块,并且在RTD模块通道属性选项中选择输入类型为三线制热敏电阻PT100
5.3
程序设计
  
组态完成后就可以进行程序设计了,按照系统工艺,可以把程序分为两个部分,第一部分是逻辑控制,主要完成干燥机的工作步骤。第二部分是温度控制,主要对系统再生时的温度进行PID控制。
  
首先在OB1内进行逻辑部分的程序设计,核心程序及说明如图4所示。
  
程序段8(图4)中M0.2AB罐工作标志位,当M0.21时表示在当前周期内为A罐工作、B罐再生,当M0.20时表示切换到B罐工作、A罐再生。当一个周期结束后会运行取反程序,使M0.201之间自动切换。DB4.DBW2为当前运行周期累计运行时间(分钟)。所以此段程序完成的任务为,当该周期切换为A罐运行时,且系统累计时间为0分钟时(即系统开始计时后),使Q0.2输出为1,也就是开A1阀。1分钟后使Q0.4输出为1,即开B2阀。这样工作和再生过程的阀动作就完成了。

   当系统运行2分钟后,Q0.5就输出为1 ,电加热接触器吸合。B罐开始再生进入加热,当累计运行达92分钟时,Q0.5输出为0 ,电加热接触器断开,进入自然冷却过程。
当冷却过程结束后程序段8M0.1变为0,使得A1B2阀关闭,系统压力自动平衡。
平衡阶段后,根据M0.2的变换自动切换AB工作。
  
以上为逻辑控制部分的主要程序,对于温度控制程序的设计,首先先建立中断组织块OB200,并且在其块属性中设置循环时间为100ms,也就是每隔100ms运行一次OB200中的程序,之后在OB200中调用PID扩展指令。
  
程序的功能是通过Q0.0PWM输出来控制电加热器的通断,使再生加热温度DB4.DBD8(IW98转换后得到)控制在150(给定值MD14)。
  
点击PID功能模块中的组态按钮,可对的基本参数进行组态,对于PID参数的设置可以手动给定,也可以通过自整定功能由系统设置参数。
  
进入调试面板进行参数的自整定。首先,在监控表中将当前的PID控制器模式(PID_Compact_DB.sRet.i_Mode)设为0Inactive,此参数需要在参数访问工艺对象数据块时才能找到,之后将设定值设为150,选择Startup tuning(启动整定)选项,单击Start tuning按钮,使能启动整定模式。启动后,系统将会满量程输出,通过计算延时时间与平衡时间的比值等数据来给出建议的PID参数。除了使用启动自整定模式,也可使用运行自整定,系统在进入此模式时会自动调整输出,使系统进入振荡,反馈值在多次穿越设定值后,系统会自动计算出PID值。

结束语
 
采用S7-1200系统控制的吸附式干燥机经实际运行后工作状态稳定。而且该系统维护简单、可扩展性强,值得推广。

 


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