做和PLC人机界面及其在制氮设备中的应用

PLC、人机界面及其在制氮设备中的应用

随着我国自动化控制水平的不断提高，PLC(可编程序控制器)、文本显示器、触摸屏已广泛应用于各行各业，现将它们作一简单介绍，并阐述其在瑞气公司制氮设备中的应用。

一、可编程序控制器

在自动化控制领域，PLC（Programmable Logic Controller）是一种重要的控制设备。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。目前，世界上有200多厂家生产几百个品种PLC产品，例如：美国AB，德国siemens，日本三菱、Omron，施耐德，GE等，在PLC应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广。例如钢铁、机械、冶金、食品、饮料、包装、汽车、石化等行业。

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I根据我方需要选择负荷-变形、负荷-时间、负荷-位移、位移-时间、变形-时间的曲线及实验数据进行打印；/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

PLC系统的其它设备：

1、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯、按钮等，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

目前，国内PLC市场仍以国外产品为主，瑞气公司主要是采用德国Siemens S系列（S系列销售突破10万台，Profibus全球节点超过1000万），它在PLC市场领域中占有率相当高。

瑞气公司根据工艺的要求、系统控制功能特点、用户的需要及变压吸附和再生的技术要求，确定分子筛吸附、再生、均压等各阶段的时间，用梯形图或指令语句方式PLC控制程序，控制各阶段阀门的开关状态及有关相应的报警（如：纯度、碳位报警等）。如用户需要显示、修改参数（如纯度、压力、流量、温度、露点等）及提供预留给用户标准信号（如电流信号：mA）作DCS系统。如需要显示、修改参数要增加模拟量扩展模块与显示部分（文本显示器TD200或触摸屏显示）。

碳位报警系统：当设备在长期使用过程中，吸附塔内分子筛逐渐下沉，当下沉到一定程度，PLC控制系统会发出间断声光报警，即提示用户应尽快添加分子筛，但系统仍然可继续运行，报警同时存在；这时候如果用户继续使用设备，分子筛继续下沉到另一个程度，这时制氮机会自动卸压后停机，同时发会发出连续声光报◆ 实验结束待测品自动回常温避免结霜结露保护机制警，此时应立即添加分子筛，否则系统拒绝工作。

纯度报警系统：当产品气纯度达不到预先设定纯度值时（纯度设定值是通过二次仪表、TD200或触摸屏进行设定的），PLC控制系统会发出间断声光报警，并对不合格气体进行排空（有自动排空与手动排空，根据用户需求自选）。若不合格气体连续排空时间超过1小时（排空时间长短可通过TD200或触摸屏进行设置），则说明设备存在故障，不能制得合格气体。控制系统会自动卸压后停机，并发出间断声光报警。

由于压力、流量、温度及露点等（电流或电压信号）这些信号是模拟信号，因此必须通过EM231（模拟量输入模块）进行A/D转换，然后通过PLC编程在TD200或触摸屏上显示。根据这些数据再通过PLC编程进行与预置参数进行比较，超过或低于预置值将发出报警信号。报警信息详细内容可在TD200或触摸屏上查找。在纯化系统中通过PLC编程可以进行自动加氢控制与闭环控制；通过PLC编程对温度进行PID控制。PID控制精度高，波动小，响应快。PID调节中，用比例环节（P)来决定基本的调节响应力度，用微分环节（D)来加速对快速变动的响应，用积分环节（I)来消除残留误差。对PID进行整定时，总是先安装不水平由有两个地方可能会安装不水平调节比例环节，然后一般是调节积分环节，最后调节微分环节。

二、文本显示器

目前国内市场上使用的文本显示器有西门子、HITECH、eView、台达等品牌。其中西门子TD200文本显示器最为普遍，它是所有SIMATIC S系列操作员界面问题的最佳解决方法。

TD200连接很简单，只需用它提供的连接电缆接到CPU 22X系列PPI接口上即可。不需要单独的电源（如果TD200与S系列之间距离超过2.5m,需接额外电源）。背光LCD液晶显示（即使在逆光情况下也容易看清）。

TD200具有下列用途：

1、显示信息---显示最多80条信息，每条信息最多可包含4个变量。

2、在控制系统中起设定和修正参数的作用，例如：改变动作、报警等的设定值。

3、可以提供8个由用户自定义的功能键。

4、提供密码保护功能。

瑞气变压吸附制氮、制氧设备及氮气纯化设备中，一般均配有TD200文本显示器，它可以方便用户进行设备运行参数、状态查询，并能在授权的状况下对系统参数进行适当的修改，极大地满足了用户对产品操作使用简单有效的要求。

典型使用情况如下：

1、显示制氮设备换热器出口气体温度，超温时自动跳出文字报警信息。

2、氮气低压故障报警处理

当氮气压力低于设定值时，文本显示器有文字提示。一旦氮气压力满足条件，系统恢复正常，并对故障报警自动复位。

3、 超温故障报警处理

当系统由于硬件损坏而引起不正常的加温，如SSR（固态继电器），CPU继电器的接点、热电偶等器件的损坏而引起，这些故障须用户特别小心注意，发然后将RfA1涂层覆于其上现此故障应立即检查维修。故障有指示灯闪烁报警，并有文字提示。

4、显示设备运行的累计时间

三、触摸屏(人机界面Human Machine Interface)

在工业控制领域，随着生产方式和技术的进步，人机交流的工具已从机械的操作杆、按钮开关和指示灯等发展到了友好的触摸屏和信息面板等。由于人机界面（HMI）产品的应用越来越广，HMI产品和供应商也越来越多，从技术、产品到市场等各环节看，融操作监控、数据存取、参数修改功能于一体的HMI已逐渐成为一个相对独立的产业门类。目前，世界上触摸屏的品牌很多，例如：SIEMENS 、OMRON、施耐德、三菱、A&B、台湾EVIEW ，HITECH、日本HAKKO、富士等等，其中，PRO-FACE是世界上为数不多的HMI专业供应商。据有关报告显示，Pro-face在中国的HMI市场中表现出色，成为其中的领军品牌。

Pro-face是全球著名的日本Digital电子有限公司的主要成员之一，公司主要产品包括：可编程触摸屏（GP系列、ST）、平板式工业计算机（PL系列、PS系列）、图形逻辑控制器(LT系列、GLC系列)以及IT产品信息终端等各类人机界面。

日本Digital电子有限公司成立于1972年，是全球HMI行业领袖。20多年来以其精湛的技术，优良的品质和严格的管理享誉全球，Pro-face这一品牌已成为优质人机界面的代名词。Pro-face它以其出众的外观、紧密的结构设计、高效的运算能力、杰出的控制体系、卓越的品质和完善的服务，令众多高端机械设备生产厂商和各大型项目工程单位对Pro-face的产品爱不释手。尤其是他们的可编程触摸屏，可连接世界上200多个品牌PLC，为我们提供了更大的操作空间。

上图是瑞气制氮设备运用Pro-face的（GP37-W2型）触摸屏示意图。从这幅画面上我们可以了解到设备的工作状态（设备处于停止。。）、累计运行时间（245小时12分12秒）、工作流程及阀门的开、关状态，还可以通过上面按钮开停机、参数设置、查看系统故障信息等。例如还可以显示气体进出口压力、出口流量、纯度、温度、露点及其它们的记录曲线等。它也可以作为用户中控室的实时监控装备。