应用一体化PLC实现气体智能化供气

张俊玲

（宁夏宝塔能源化工有限公司，银川 751500）

智能化供气系统组态包括主界面、气体浓度、流量统计、报警信息和参数设置共5部分内容。气源通过调节阀和流量计供气给后端，后端的反馈依据是气体浓度值（由气体分析仪器测得）。一体化PLC控制器对整个供气工艺进行PID自动模式调节控制，而手动供气调节模式下，操作人员依据经验值可以快速地设定供气阀门的开度值，以实现快捷设置[1]。

1 主界面

图1 气体监控系统主界面图Fig.1 Main interface diagram of the gas monitoring system

主界面的组态界面上包括气罐、调节阀、流量计、PLC控制器、气体分析仪和后端回流炉。其中，调节阀的开度Valve_Manual_Output使用变量%R00027，流量计的瞬时流量N2_FLOW使用变量%R00011，气体分析仪浓度O2_PPM使用变量%R00001。触摸屏组态右上角包括设备运行状态显示System_Status（停止、手动运行、自动运行和待料运行）使用变量%R00021，显示日期RTC_DATE使用变量%SR047显示格式为yyyy-mm-dd，显示时间RTC_SEC使用变量%SR044显示格式为HH ：mm：ss，并且在组态上放置了Alarm Object控件用于显示实时的告警信息。为了方便用户的操作控制，主界面下端设置5个Switch按钮，主界面按钮GoToMain使用变量%T00001，气体浓度按钮GoToO2使用变量%T00002，流量统计按钮GoToFlow使用变量%T00005，报警信息按钮GoToAlarm使用变量%T00004，参数设置按钮GoToPara使用变量%T00003。主界面将气体流量计、阀门开度、气体浓度及设备运行状态信息实时呈现在界面上，操作者可以根据控制要求，针对性地调整设置参数和运行模式，以满足预期的气体供气控制要求[2]。

2 统计和告警

气体监控系统的一个重要参数就是供气后端的气体浓度参数，为了保证工艺的平稳运行需要对浓度ppm值进行实时曲线监控和记录；在保证气体浓度的前提下对用气量进行统计和记录[3]。

应用trend Object控件，触发ALW_ON使用%S007变量即一直有效。绘制O2_PPM_INT使用变量%R00009。曲线的X坐标为0 s～720 s，曲线的Y坐标为0 ppm～5000 ppm，由于供气装置需要进行调节控制，PV实际值O2_PPM使用%R00001变量，SV设定值Auto_SP使用%R00025变量[4]。而气体的瞬时流量N2_FLOW使用变量%R00011，单位为L/min，累积流量N2_Flow_ACC_LERAL使用变量%R00039，单位为m3，由于累积量的原因需要使～用64位的变量而不是32位，这样可以避免现存的大值累积量与小的瞬时流量累加时出现数据丢失。累计时间Timer1使用%R09000，时间的显示格式为HH:MM:SS，如果操作者需要对设备进行复位操作Clear使用%T00022变量，进行点击操作时%T00022触发累计流量%R00039（单位L）和%R00035（m3）清零[5]。

图2 气体浓度界面图Fig.2 Gas concentration interface

图3 流量统计浓度界面图Fig.3 Flow statistics concentration interface

在报警信息页添加Alarm Object控件用于显示实时的告警信息。在配置信息页Config中Alarm Configuration中针设置告警的信息数目和告警内容变量%R00800，在Alarm Point 告警信息配置中添加提示信息内容，包括：PID参数设置错误、气体浓度测量设备断线、气体流量计断线、气体浓度上限告警、气体浓度下限告警、瞬时流量上限告警和瞬时流量下限告警等。设备在运行的过程中会根据变量%R00800的数值，以枚举的方式显示对于的告警信息值，以达到给操作者一个正确的操作依据[6]。

3 参数设置

图4 报警消息界面图Fig.4 Alarm message interface diagram

供气的系统的工作模式有手动和自动两种，在参数设置页通过Select控件设置，Auto_Manual使用的变量是%M00001，M变量与T变量不同的是PLC下电之后仍保持记忆状态，这样就避免供气系统重新上电时需要人工重新设置的问题。与曲线显示页一样，气体浓度SV设定值Auto_SP使用%R00025变量，如果用户使用自动模式，供气系统会依据PID自动调整阀门的设定值0～100%开度，而如果用户使用手动模式就需要根据当前的实时测量值依据经验手工调整阀门的0～100%开度值。上述参数都是常规参数值，为了保证设备的稳定运行需要操作者输入高级密码进入非常规的参数设置页，窗口放置Password Data控件，Password_Input使用变量%R00701，需要注意的是为了保证密码安全和易用性，输入密码长度设置为6位。

参数设置除了上述内容以外，还包括传感器参数设置、系统参数设置、PID参数设置、系统时间设置和IP地址设置[7]。

1）气体分析仪：浓度通道测量值%AI001，量程最小值O2_PPM_Min变量%R00003，量程最大值O2_PPM_Max变量%R00005，气体浓度的修正值O2_PPM_BIAS变量%R00007；流量通道测量值%AI002，量程最小值N2_FLOW_Min变量%R00013，量程最大值N2_FLOW_Max变量%R00015，流量修正值N2_Flow_BIAS变量%R00017。

2）系统时间设置：RTC_DATE使用的变量依旧是%SR047，RTC_SEC使用的变量依旧是%SR044，与主页不同的是设置界面具有编辑功能，主界面为只读状态。

3）IP地址设置：IP地址使用变量%R02001，操作者可以依次填写，子网掩码使用变量%R02003，网关地址Gateway使用变量%R02005。

4）PID参数：包括气体浓度ppm最小值、气体浓度ppm最大值、KP值、KI值、KD值、最小阀门开度值%、最大阀门开度值%、差值ppm、开度值%和报警差值ppm。

4 逻辑控制

一体化PLC控制需要进行梯形图编程以实现逻辑控制，其主控制功能包括如下部分[8]：

图5 参数设置界面图Fig.5 Parameter settings interface

1）AI：将气体浓度传感器和气体流量计的4mA～20mA模拟信号通过量程上下限值变送计算出瞬时值，再加上参数设置中的修正值得到瞬时值，以实现外围仪表的数据采集。

2）Screen：当前显示哪个界面，此时哪个界面对应按钮的Indicator颜色变成激活色，对用户输入的密码进行鉴权判断，如果一致才可以进行高级参数配置。针对气体浓度ppm进行区间划分（分为5段）；如果设备是运行状态且授权未到期，画面上的流量指示灯就以1s为周期交替闪烁。

3）Mode：供气系统多种工作模式下的切换和逻辑控制。

4）ACC：将气体流量计L/min切换单位至m3，并将流量计的瞬时流量不断进行累加操作，同时对一体化PLC控制器的运行时钟不断进行累加以保证授权功能的可靠实现。

5）Alarm：依据气体浓度范围、流量计瞬时流量范围以及逻辑要求，触发显示不同的告警信息内容，同时触发语音告警动作。

6）Trend：为满足不同的显示效果将曲线图进行1s刷新显示，X轴为720 s（2min），Y轴为气体浓度值现场的数据变化较大，为了更好地呈现出显示效果，将5段曲线控件进行叠加，根据当前数值范围选择显示的曲线控件，对测量值进行曲线显示，变量%R00009为浓度测量值。

7）Light：供气系统除了可以在一体化PLC上操作以外，也可以通过按钮和指示灯LED指示当前的运行状态，依据当前的运行状态进行逻辑判断并点亮。

5 结论

本文从组态主界面、统计告警、参数设置和逻辑控制几个方面介绍了智能供气系统基于一体化PLC实现供气的自动和手动调节控制。系统通过反馈的气体浓度值，对供气阀进行分段PID处理和曲线显示。经测试比较，基于一体化PLC所设计的智能化供气装置，可以快速地实现阀门调节和流量值统计，运行高效且稳定达到了预期的设计效果。