PLC、人機界面及其在制氮設備中的應用

隨著我國自動化控制水平的不斷提高，PLC(可編程序控制器)、文本顯示器、觸摸屏已廣泛應用于各行各業，現將它們作一簡單介紹，并闡述其在瑞氣公司制氮設備中的應用。

一、可編程序控制器

在自動化控制領域，PLC（Programmable Logic Controller）是一種重要的控制設備。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。目前，世界上有200多廠家生產幾百個品種PLC產品，例如：美國AB，德國siemens，日本三菱、Omron，施耐德，GE等，在PLC應用方面，我國是很活躍的，應用的行業也很廣。例如鋼鐵、機械、冶金、食品、飲料、包裝、汽車、石化等行業。

從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規則組合配置。

CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。

CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是PLC不可缺少的組成單元。CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度，IO數量及軟件容量等，因此限制著控制規模。

PLC系統的其它設備：

1、編程設備：編程器是PLC開發應用、監測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統作一些設定、監控PLC及PLC所控制的系統的工作狀況，但它不直接參與現場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。

2、人機界面：最簡單的人機界面是指示燈、按鈕等，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態軟件）充當人機界面非常普及。

3、輸入輸出設備：用于永久性地存儲用戶數據，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。

目前，國內PLC市場仍以國外產品為主，瑞氣公司主要是采用德國Siemens S7-200系列（S7-200系列銷售突破10萬臺，Profibus全球節點超過1000萬），它在PLC市場領域中占有率相當高。

瑞氣公司根據工藝的要求、系統控制功能特點、用戶的需要及變壓吸附和再生的技術要求，確定分子篩吸附、再生、均壓等各階段的時間，用梯形圖或指令語句方式編輯PLC控制程序，控制各階段閥門的開關狀態及有關相應的報警（如：純度、碳位報警等）。如用戶需要在線顯示、修改參數（如純度、壓力、流量、溫度、露點等）及提供預留給用戶標準信號（如電流信號：4-20mA）作DCS系統。如需要在線顯示、修改參數要增加模擬量擴展模塊與顯示部分（文本顯示器TD200或觸摸屏顯示）。

碳位報警系統：當設備在長期使用過程中，吸附塔內分子篩逐漸下沉，當下沉到一定程度，PLC控制系統會發出間斷聲光報警，即提示用戶應盡快添加分子篩，但系統仍然可繼續運行，報警同時存在；這時候如果用戶繼續使用設備，分子篩繼續下沉到另一個程度，這時制氮機會自動卸壓后停機，同時發會發出連續聲光報警，此時應立即添加分子篩，否則系統拒絕工作。

純度報警系統：當產品氣純度達不到預先設定純度值時（純度設定值是通過二次儀表、TD200或觸摸屏進行設定的），PLC控制系統會發出間斷聲光報警，并對不合格氣體進行排空（有自動排空與手動排空，根據用戶需求自選）。若不合格氣體連續排空時間超過1小時（排空時間長短可通過TD200或觸摸屏進行設置），則說明設備存在故障，不能制得合格氣體。控制系統會自動卸壓后停機，并發出間斷聲光報警。

由于壓力、流量、溫度及露點等（電流或電壓信號）這些信號是模擬信號，因此必須通過EM231（模擬量輸入模塊）進行A/D轉換，然后通過PLC編程在TD200或觸摸屏上顯示。根據這些數據再通過PLC編程進行與預置參數進行比較，超過或低于預置值將發出報警信號。報警信息詳細內容可在TD200或觸摸屏上查找。在純化系統中通過PLC編程可以進行自動加氫控制與閉環控制；通過PLC編程對溫度進行PID控制。PID控制精度高，波動小，響應快。PID調節中，用比例環節（P)來決定基本的調節響應力度，用微分環節（D)來加速對快速變動的響應，用積分環節（I)來消除殘留誤差。對PID進行整定時，總是先調節比例環節，然后一般是調節積分環節，最后調節微分環節。

二、文本顯示器

目前國內市場上使用的文本顯示器有西門子、HITECH、eView、臺達等品牌。其中西門子TD200文本顯示器最為普遍，它是所有SIMATIC S7-200系列操作員界面問題的最佳解決方法。

TD200連接很簡單，只需用它提供的連接電纜接到CPU 22X系列PPI接口上即可。不需要單獨的電源（如果TD200與S7-200系列之間距離超過2.5m,需接額外電源）。背光LCD液晶顯示（即使在逆光情況下也容易看清）。

TD200具有下列用途：

1、顯示信息---顯示最多80條信息，每條信息最多可包含4個變量。
2、在控制系統中起設定和修正參數的作用，例如：改變動作、報警等的設定值。
3、可以提供8個由用戶自定義的功能鍵。
4、提供密碼保護功能。

瑞氣變壓吸附制氮、制氧設備及氮氣純化設備中，一般均配有TD200文本顯示器，它可以方便用戶進行設備運行參數、狀態查詢，并能在授權的狀況下對系統參數進行適當的修改，極大地滿足了用戶對產品操作使用簡單有效的要求。

典型使用情況如下：

1、顯示制氮設備換熱器出口氣體溫度，超溫時自動跳出文字報警信息。

2、氮氣低壓故障報警處理

當氮氣壓力低于設定值時，文本顯示器有文字提示。一旦氮氣壓力滿足條件，系統恢復正常，并對故障報警自動復位。

3、 超溫故障報警處理

當系統由于硬件損壞而引起不正常的加溫，如SSR（固態繼電器），CPU繼電器的接點、熱電偶等器件的損壞而引起，這些故障須用戶特別小心注意，發現此故障應立即檢查維修。故障有指示燈閃爍報警，并有文字提示。

4、顯示設備運行的累計時間

三、觸摸屏(人機界面Human Machine Interface)

在工業控制領域，隨著生產方式和技術的進步，人機交流的工具已從機械的操作桿、按鈕開關和指示燈等發展到了友好的觸摸屏和信息面板等。由于人機界面（HMI）產品的應用越來越廣，HMI產品和供應商也越來越多，從技術、產品到市場等各環節看，融操作監控、數據存取、參數修改功能于一體的HMI已逐漸成為一個相對獨立的產業門類。目前，世界上觸摸屏的品牌很多，例如：SIEMENS 、OMRON、施耐德、三菱、A&B、***EVIEW ，HITECH、日本HAKKO、富士等等，其中，PRO-FACE是世界上為數不多的HMI專業供應商。據有關報告顯示，Pro-face在中國的HMI市場中表現出色，成為其中的領軍品牌。

Pro-face是全球著名的日本Digital電子有限公司的主要成員之一，公司主要產品包括：可編程觸摸屏（GP系列、ST）、平板式工業計算機（PL系列、PS系列）、圖形邏輯控制器(LT系列、GLC系列)以及IT產品信息終端等各類人機界面。

日本Digital電子有限公司成立于1972年，是全球HMI行業領袖。20多年來以其精湛的技術，優良的品質和嚴格的管理享譽全球，Pro-face這一品牌已成為優質人機界面的代名詞。Pro-face它以其出眾的外觀、緊密的結構設計、高效的運算能力、杰出的控制體系、卓越的品質和完善的服務，令眾多高端機械設備生產廠商和各大型項目工程單位對Pro-face的產品愛不釋手。尤其是他們的可編程觸摸屏，可連接世界上200多個品牌PLC，為我們提供了更大的操作空間。

上圖是瑞氣制氮設備運用Pro-face的（GP37-W2型）觸摸屏示意圖。從這幅畫面上我們可以了解到設備的工作狀態（設備處于停止。。）、累計運行時間（245小時12分12秒）、工作流程及閥門的開、關狀態，還可以通過上面按鈕開停機、參數設置、查看系統故障信息等。例如還可以顯示氣體進出口壓力、出口流量、純度、溫度、露點及其它們的記錄曲線等。它也可以作為用戶中控室的實時監控裝備。