基于PLC的调节阀控制器研究

    调节阀主要用于电站系统调节自动化过程控制领域中的介质流量、压力、温度、液位等工艺参数，通过应用PLC来实现调节阀的自动控制，进而实现维护电站系统的正常运行。

    2 调节阀简介

    2.1 调节阀的概述及构成

    调节阀又称控制阀（ControlValve），它是过程控制系统中用动力操作去改变流体流量的装置。根据自动化系统中的控制信号，自动调节阀门的开度，从而实现介质流量、压力、温度和液位的调节。

    调节阀由执行机构和阀组成见图1。执行机构起推动的作用，阀起调节流量的作用。

图1 电动调节阀

    2.2 调节阀的工作原理

    根据流体力学可知，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。对不可压缩流体，调节阀的流量

        （1）    

    式中，Q-流量；Kv-流量系数；△P-阀门前后压差；V-阀门介质比容；α-流量裕度系数。

    此公式用于在节流部位的雷诺数Re＞10⁵，并且无闪蒸和阀门无过渡管接头的情况，其中流量系数Kv值与阀门的流通能力和节流面积有关，不同的阀门对应不同的Kv值。调节器输出信号控制阀门的开或关，可以改变阀门的Kv值，从而改变被调介质的流量。

    2.3 调节阀的流量特性

    调节阀的流量特性是指被调介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系。

    调节阀流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性是指在调节阀前后压差固定不变情况下的流量特性有直线、等百分比、抛物线及快开4种特性。

    在实际系统中，阀门两侧的压力降并不是恒定的，使其发生变化的原因主要有两个方面：①由于泵的特性，当系统流量减少时由泵产生的系统压力增加；②当流量减少时，盘管上的阻力也减少，导致阀门压力较大。因此调节阀前后的压差通常是变化的，在这种情况下，调节阀相对流量与相对开度之间的关系，称为工作流量特性。

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    3 基于PLC的调节阀控制

    3.1 PLC的编程语言STEP7是S7-300PLC的编程软件

    梯形图、语句表和功能图是标准的STEP7软件包配备的3种基本编程语言，这3种编程语言可以在STEP7中相互转换。

    3.2 模拟量闭环控制系统的组成

    典型的PLC模拟量单闭环控制系统原理如图2所示。

图2 PLC模拟量闭环控制系统原理

    在模拟量闭环控制系统中，被控量c（t）（例如压力、温度、流量、转速等）是连续变化的模拟量，大多数执行机构（例如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟信号mv（t），而PLC的CPU只能处理数字量。c（t）首先被测量元件（传感器）和变送器转换为标准的直流电流信号或直流电压信号pv（t），例如4～20mA，1～5V，PLC用A/D转换器将它们转换为数字量pv（t）。

    模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性的操作，其间隔时间称为采样周期Ts。各数字量括号中的n表示该变量是第n次采样时的数字量。

    图中的sp（n）是给定值，pv（n）为A/D转换后的反馈量，误差ev（n）=sp（n）-pv（n）。

    D/A转换器将PID控制器输出的数字量mv（n）转换为模拟量（直流电压或直流电流）mv（t），再去控制执行机构。

    3.3 控制系统设计思想

    首先对调节阀控制系统进行分析，电容式压力传感器实时传输压力信号送入PLC，PLC先经过硬件组态再进行编程，将程序载入PLC，程序的执行将传感器传来的信号转换成为对调节阀阀位开度的控制指令，最终实现对管道内部压力的控制。

    如图3所示，系统规定压力设定值为8kPa，在实际工厂的环境中，管道内部压力允许在一定范围内变化，所以以设定值为中心加入一个范围，令阈值为1kPa，确定管道正常的压力范围，即7~9kPa。当测量元件测出管道压力大于9kPa时，信号经PLC后输出一个使调节阀电动执行机构阀门开度减小的指令；反之，当测出压力小于7kPa时，PLC输出一个使调节阀电动执行机构开度开大的指令；而管道压力处于7~9kPa时，调节阀电动机构处于静止状态。

图3 调节阀控制系统原理

    3.4 PLC控制系统的一般步骤

    可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤如下：深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求；确定I/O设备；选择合适的PLC类型；分配I/O点；设计应用系统梯形图程序；将程序输入PLC；进行软件测试；应用系统整体调试。

    3.5 PLC的硬件组态

    硬件组态，就是使用STEP7对SIMATIC工作站进行硬件配置和参数分配。所配置的数据以后可以通过“下载”传送到PLC。硬件组态的条件是必须创建一个带有SIMATIC工作站的项目。

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    3.6 连接电路

    连接外接电路时，两个继电器分别与调节阀点动执行机构的接点“开阀”“、关阀”相连接，为使实现互锁功能，需要将两个继电器互连：如图4电路图，两个继电器中的触点13均与另一个继电器的触点9相连，再经过触点1接出。

图4 中间继电器线路图

    互锁功能的实现：

    （1）当继电器1接通时，继电器1的触点14、13与继电器2的触点9、1形成回路，此时继电器1正常工作，触点9、1断开，继电器2的触点13、14所在回路无法接通，导致继电器2无法接通。

    （2）同理，当继电器2接通时，此时继电器1无法接通。

    在设置了软、硬件互锁之后，“开阀”与“关阀”不会同时出现，有效的为电动执行机构提供了安全保护。

    3.7 系统调试

    在完成程序编程和连接外部电路之后，需要对系统进行调试，在SIMATICManage界面中，将BLOCKS中所有的块及Systemdata点击下载将其一起下载到PLC中，然后接通电路，调节电阻箱模拟传感器向PLC输入信号，通过变量监视窗口可以观察到，在压力的各个范围内相应的开阀、关阀和点动指令的执行。调试完毕后，经检验程序逻辑正确，运行正常，实现了对调节阀的自动控制，达到了预期的目的。

    4 结语

    基于PLC的调节阀控制系统设计，通过对调节阀控制系统进行分析，依据与S7-300PLC相连的压力传感器传回的参数信号，采集控制系统中所需要的数据量，通过PLC的编程实现对系统中压力实时的监控，并调节参数的波动范围在允许的范围之内，维护电厂的正常运行。