2704控制器在工业控制中的应用

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【摘　要】　介绍了欧陆公司的2704控制器及其在含砷矿细菌氧化工艺控制中的应用。
关键词：2704控制器，PID控制，含砷矿，细菌氧化

1　引　言

　　英国欧陆公司（EUROTHERM）是世界上比较先进的控制器生产商和系统集成商。该公司的2704可编程控制器代表了当今世界工控技术的较高水平，该产品将计算机技术、工业控制技术、显示技术、通讯技术融为一体，是近几年来该公司在中国的主要推广产品之一。本文结合在冶金企业中的使用实践，介绍一下2704控制器在工业现场控制中的应用。

2　2704简介

　　2704控制器采用了工控业界较为流行的模块结构，易于维护；可以提供三路PID控制及若干路的程序控制、串级控制；可以为工业现场提供模拟输入输出、数字输入输出、继电器输出，功能比较强大。特别是，2704控制器的显示面板采用了120×160的电子发光屏，显示信息全面、清晰，具有良好的人机交互界面。
　　2704控制器主要应用于温度和工业过程的控制，可操作性较好，接好线路之后，只要选用相应的功能模块，在相应的菜单项中输入数据即可工作。同时，2704控制器附带有ITOOLS配置软件，通过计算机就可以进行参数的设置，把繁重琐碎的工业现场调试工作变得简便轻松。控制器还具有与外界进行通讯的能力，提供RS485 4线通讯接口或RS232接口，支持PROFIBUS协议和MODBUS协议，可以很方便地与其他控制器和计算机组成工业控制网络。

3　在生产中的应用

　　随着金矿资源的不断开采，比较容易回收的矿源越来越少，我们更多的是面对难以处理的、回收的含砷矿源。对于含砷矿的冶炼，目前工业应用中通行的方法有培烧法、加压氧化法和细菌氧化法。其中，培烧法金的回收率比较低，并且污染环境；加压氧化法成本较高，工艺操作复杂。相比之下，细菌氧化法是采用细菌氧化分解含砷矿物，使包裹金完全暴露，金的回收率较高，不污染环境，工艺成熟，是一种比较有前景的先进方法。
3．1　2704在温度PID控制方面的应用
　　某冶金企业采用了上述先进的生物氧化含砷矿技术，该技术的主体工艺是细菌对矿物进行氧化，该工艺过程在氧化槽内完成，其主要的控制对象是氧化矿浆的温度。氧化过程是放热反应，如果温度过高，热量积累过多，就会导致细菌死亡率过高，造成氧化率降低；而温度过低，则细菌活性下降，细菌的氧化率也会降低。氧化率的降低会使金的回收率降低，导致生产成本升高，不利于生产的正常进行。降温过程由通在氧化槽内的冷却盘管完成，反应中产生的热量由冷却盘管中流动的水带走，从而达到降温的目的。根据工艺的要求，如果要使氧化率保持在一个较高的水平，温度应保持在某一个恒定值，偏差在±0．3℃，显然，人工控制这一过程根本无法达到要求。若使用2704就可以很好地完成这一控制过程，达到控制目的。原理图如图1所示。
　　因为要保证送入控制器的温度信号的准确性和高精度，对温度检测的要求比较高，选用了罗斯蒙特公司的温度传感器和智能温度变送器。变送器到控制器采用4～20mA的电流环传送，执行器由气动控制碟阀和阀门定位器组成。



　　在该系统中，控制器算法采用PI控制，采用微分反而容易造成自激震荡。因为氧化槽体积较大（780m3），其温度变化是一个大的滞后过程，非常缓慢，因此积分时间应适当延长，实际的工业现场影响温度的因素很多，积分时间的选定采用现场凑试法，最后确定在300s。但应该注意的是，积分时间亦不可过长，如果积分时间设置太长，尽管输出调节信号的变化很平稳，但控制碟阀时较长时间地停滞于某一值上，容易造成阀门动作失灵。
　　在实际生产过程中，要经常根据实际的环境温度和控制效果来对控制参数作适当的修正，保证控制系统工作于最佳状态。
3．2　2704在比值控制方面的应用
　　比值控制是工业过程控制中常见的控制方式，应用很广泛，在本企业生产中同样使用了比值控制。
　　在氧化槽的氧化反应过程中，需要添加三种物料，这三种物料需要按照一定的比例进行添加，该过程由三台2704控制完成，原理如图2所示。




　　物料1的流量值送入控制器1，经过比例变换后，输出值分为两路，一路送入控制器2，另一路送入控制器3，控制器2接收送来的物料2的流量值，根据设定的比例，与控制器1送入的值相比较，通过PID算法输出一个信号来控制物料2的阀门，实现比值控制，可以达到很高的精度。物料3的控制与上述方法相同。该控制过程连续运行。
　　在实际使用中，执行机构一般采用调节阀，如果采用开关阀，就需要修改控制器的有关配置。
3．3　2704控制网络的组建
　　目前，工业控制已经从单机控制走向了集中控制、集散控制，随着网络时代和信息社会步伐的加快，信息集中管理的需要也对工业控制器的连网提出了新的要求，工业控制的网络化成为了未来发展的一个必然趋势。
　　在整个生产工艺过程中，共计使用了17台2704控制器，同时采用了欧陆公司的2500输入模块40块，监控值有近百个。因此，选用了一台计算机作为上位机，以实现对监控值的采集、显示、存储、打印等功能，组成一个分散控制、集中管理的分布式网络控制系统，这样，一旦某台仪表出现故障，也不会影响整个系统的正常运行，又可以对整个生产过程进行集中的管理，满足了现场和工艺对控制的高要求。系统框图如图3所示。




　　监控软件采用VB6．0编写，VB6．0具有良好的图形用户接口，编程周期短，调试、维护方便，已经成为Windows统开发的主要语言，是编写工控软件的首选。在实际应用中，充分利用了VB功能强大、方便灵活的特点，主要完成了以下功能：
　　（1）数据定时打印功能。无须人工干预，定时自动形成报表，打印输出。
　　（2）参数报警功能。一旦发现工艺数据偏离要求，即进行音响、图像报警。
　　（3）实时曲线显示功能。可以观察控制器的工作情况。
　　（4）历史查询功能。以曲线的形式显示指定时间段的数值变化情况。
（5）采用直观、形象的方式显示现场数据。
　　另外，计算机接入局域网或INTERNET后，可以远程登录到上位机，实现现场工艺的远程监控，但这样容易导致数据的传输时延过大，丧失监控系统的实时特性。
　　2704控制器与上位计算机的网络数据交换基于MODBUS协议传输，为保证工业现场的远距离无干扰传输，采用了四线制RS－485方式传送，由RS232／485转换器转换后接入计算机的COM1口，控制软件通过接口以寄存器寻址的形式可以访问控制器的所有变量、常量，采用这种方法，软件可以获取所需要的数据。上位机担任主控机，负责询问数据的发出和应答数据的接收，通讯的波特率为19200bit／s，无奇偶校验，8位数据位，1位停止位。在MODBUS协议中，数据以消息帧的形式传递，格式如下：



其中：开始位／结束位——时间延迟；
　　 地址位——1字节，控制器的地址。指示要对哪一台控制器进行操作；
　 　功能位——1字节，要进行何种操作。如进行读取数据的操作；
数据位——N字节，要传递的数据；
　 　CRC校验位——2字节，对地址位、功能位、数据位进行CRC校验的结果。
　 　在VB中，此功能由MSComm控件来完成，对控制器的访问采用轮询法进行。
　　工业控制中数据传送的实时性是一个很重要的问题，直接关系着控制系统工作的有效性，它要保证在很小的时延下对数据进行处理、显示，这也是业界中的一个难点。本系统采用效率较高的循环结构来完成上位机与控制器的通讯工作，使数据的时延保证在几百毫秒之内，使上位机界面中数据的显示与现场的保持完全一致，满足了工业控制的需要。
　　利用2704控制器，配以相应的软件，可以方便地组建无人化工厂，大大降低生产成本。同时，整套系统可维护性较好，维修成本较低。
3．4　2704控制器应注意的问题2704控制器使用时应注意：
　　（1）通风条件。2704在工作时发热量较大，如果控制柜的通风不良，很容易造成控制器损坏。
　　（2）2704控制器是高精度的控制器，现场使用的传感器应有较高的精度，才可发挥控制器的作用。
　　（3）2704的外壳采用塑料制作，抗干扰性不强，但只要将控制柜良好接地，就可以保证其正常工作。
　　（4）接入的信号线应使用屏蔽线，并且要使屏蔽层多点可靠接地。

4　结束语

　　以上方案都已在生产实践中得到了应用，效果良好，极大地提高了生产的效率，创造了较好的效益。2704控制器以其稳定、可靠的性能得到了良好的评价。

参考文献
1　李罡编著．VB5．0中文版编程实例详解．北京电子工业出版社，1998