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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重介紹該產品的PID閉環功能在恒溫控制上的實現和強大的網絡通信功能對EMERSON EV2000變頻器運行控制的實現。該老化房控制系統是家電，電子，電腦行業產品生產檢測的重要設備，也是產品生產合格檢查的重要環節。該系統采用EMERSON EC20 PLC和多臺EV2000變頻器，實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行和PLC無關）
2, 該系統有3個風機，用于進風，回風和排風；有4個風閘：新風閘，回風閘，排風閘，防火閘；2個防塵過濾網；6個火災報警點；
在正常情況下（溫濕度），關閉進風閥和排風閥，停止進風電機和排風電機，打開回風閥和防火閥，啟動回風風機，保持老化房內回風循環；
在高溫情況下，排風閥和進風閥打開，啟動排風電機和進風電機，抽出部分空氣；
在火災報警情況下，防火閥關閉，回風禁止循環，全部從室內抽出；同時排風閥和進風閥打開，啟動排風電機和進風電機，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，性能穩定；核心控制部分采用EMERSON EC20-2012BTA類型的PLC和4個溫度采集模塊（EC20-4TC，接受K型溫度信號）；傳動采用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勢，由于EC20 PLC本身帶有2個串行通信口（1個RS232口，集成自由協議/編程協議/MODBUS從站協議，1個RS232/485口，集成自由協議/MODBUS主站/從站協議），EC20 PLC利用COM0口和IPC進行通信（EC20 PLC做從站，設置成MODBUS從站協議），利用COM1和多臺變頻器組成網絡進行集中控制（EC20 PLC的COM1設置成MODBUS主站協議）。
IPC為整個系統的人機接口，IPC讀取PLC采集的系統運行狀態如各風機的運轉狀態，各測溫點溫度，報警狀況并顯示在監控畫面上，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，各種閥門的開閉，變頻器的啟動、停止等設定。并且可以實時監控整個系統的工作運行狀態、動作過程及故障報警等，IPC還可以根據設定對采集的數據進行保存打印。
在系統設計中，EC20 PLC為整個系統的核心，執行各種系統操作及計算，EC20 PLC根據工藝要求和現場狀況進行邏輯判斷，開閉各種閥門和啟停各風機；同時利用自身的PID功能對溫度進行控制，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，用于實現PLC與多臺變頻器的聯網。根據MODBUS通訊協議，我們可以通過RS485網絡輕松實現對變頻器的運行控制。由于RS485通訊鏈路傳輸距離遠、配線簡單、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，達到了經濟高效的目的。
四、監控畫面
整個系統監控畫面主要分為主畫面，實時溫度監控，PID參數設定，三個部分（其他部分省略），具體如下：
主畫面如上圖所示，主要完成對系統狀態的監控（如各種風閥的開閉狀態，風機的運行狀態，報警狀態），數據統計（如系統運行的時間，啟停系統的次數），溫度設定/測量等功能。
實時溫度監控畫面如上所示，此畫面主要用于對溫度的實時監控，并描繪出溫度曲線趨勢，以便判斷系統的溫度控制是否處于良好狀態，同時可以實現對溫度進行保存/打印等操作。
PID參數設定畫面主要用于比例常數P，積分常數I，微分常數D的設定，同時根據實時溫度曲線狀況進行調節；同時顯示PID控制的輸出比例。
五、對溫度控制的實現
為便于對整個老化房內溫度的控制，同時充分利用EC20 PLC自身PID功能和PWM脈沖輸出（Y0，Y1）的優勢，室內溫度區域分為2個部分（上層和下層各8個測溫度點），對溫度取平均值作為溫度的測量值，并把此平均值送入PID功能塊進行運算，同時對加熱執行元件（參考EC20 PLC的I/O接線圖，固態繼電器SSR1，SSR2，SSR3所控制的發熱管的功率逐漸加大）也進行了分組處理：溫度偏差較小的情況下，進行PID運算，通過Y0輸出脈沖給SSR1，同時關閉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 |
關閉PID運算，直接輸出Y0，Y1，Y2； |
|
3>ER≥1 |
啟動PID運算控制Y0輸出，同時啟動Y1輸出；關閉Y2輸出； |
|
1>ER≥-1 |
啟動PID運算控制Y0輸出，關閉Y1，Y2輸出； |
|
-3>ER>-1 |
啟動PID運算控制Y0輸出，同時啟動Y1輸出；關閉Y2輸出； |
|
-3≥ER |
關閉PID運算，關閉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,而且無論提升溫度還是下降溫度都很快速；同時把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的操作簡單方便，指令豐富，功能強大，是一個很優秀的全中文編輯工具。
實現步驟具體如下：首先，在數據塊設定PID各參數，其中的重點是設置P，I，D三個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；另外按照逆動作（BIT0=1），輸出限定（BIT5=1）的要求對D7911各位進行賦值；
D7910 500 //采樣時間S3 采樣時間(Ts)范圍為1～32767(ms)，比運算周期短的時間數值無法執行；
D7911 16#23 //動作方向 > 逆動作，設輸出限定
………………………………………………..//BIT0 0：正動作 1：逆動作；
………………………………………………..//BIT1 0：輸入變化量報警無效 1：輸入變化量報警有效；
………………………………………………..//BIT2 0：輸出變化量報警無效 1：輸出變化量報警有效；
………………………………………………..//BIT3-4 沒使用；
………………………………………………..//BIT5 0：輸出值上下限設定無效1：輸出值上下限設定有效
………………………………………………..//BIT6～BIT15 沒使用
D7912 70 //S3+2 輸入濾波常數(α)范圍0～99[﹪]，為0時沒有輸入濾波；
D7913 100 //S3+3 比例增益(Kp)范圍1～32767[﹪]；
D7914 25 //S3+4 積分時間(TI)范圍0～32767(×100ms)，為0時作為∞處理(無積分)；
D7915 0 //S3+5 微分增益(KD)范圍0～100[﹪]，為0時無微分增益；
D7916 63 //S3+6 微分時間(TD)范圍0～32767(×10ms)，為0時無微分處理；
D7925 2000 //S3+15 輸入變化量(增側)報警設定值0～32767(S3+1的BIT1=1時)；
D7926 0 //S3+16 輸入變化量(減側)報警設定值0～32767(S3+1的BIT1=1時)；
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)；輸出上限設定值-32768～32767(S3+1的BIT2=0和BIT5=1時)；
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)；輸出下限設定值-32768～32767(S3+1的BIT2=0和BIT5=1時)；
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）都集成MODBUS協議，所以實現它們的通信相對比較簡單，整個網絡采用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：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開關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：幀頭和幀尾通過總線空閑時間不小于3.5個字節時間來界定幀。數據校驗采用CRC-16，整個信息參與校驗，校驗和的高低字節需要交換后發送。具體的CRC校驗請參考協議后面的示例。值得注意的是，幀間保持至少3.5個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束空閑。
Modbus最主要的功能是讀寫參數，不同的功能碼決定不同的操作請求。變頻器Modbus協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參數 |
|
0x06 |
改寫單個變頻器功能碼或者控制參數，掉電之后不保存 |
|
0x08 |
線路診斷 |
|
0x10 |
改寫多個變頻器功能碼或者控制參數，掉電之后不保存 |
|
0x41 |
改寫單個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協議不同的功能碼有不同數據的格式和意義，簡要介紹如下：
改寫多個變頻器功能碼和狀態參數的格式協議：請求格式如下：
|
應用層協議
數據單元 |
數據長度
（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：
|
應用層協議
數據單元 |
數據長度（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議格式：請求格式如下：
|
應用層協議
數據單元 |
數據長度
（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：
|
應用層協議
數據單元 |
數據長度
（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、控制參數和狀態參數都映射為Modbus的讀寫寄存器。功能碼參數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，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：啟動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 |
無 |
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 |
0xDB0A |
|
響應 |
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，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濟效益，同時比較容易維護，受到用戶的好評。
參考文獻：無
①艾默生公司EV3000系列通用變頻器 艾默生網絡能源有限公司
③EC20系統手冊 艾默生網絡能源有限公司
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號