PROFIBUS—PA网络下气动薄膜调节阀的应用

安磊

摘 要：PROFIBUS-PA是工业总线中常见的通信方式，主要用于自动化系统中各现场设备之间的通信。文章以西门子S7-400 PLC、SAMSON气动薄膜调节阀、SAMSON 3730-4定位器为例，对PROFIBUS-PA网络下气动薄膜调节阀的应用做一探讨。

关键词：PROFIBUS-PA；气动薄膜调节阀；定位器；PID闭环控制

中图分类号：TQ056.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）05-0089-02

1 概 述

PROFIBUS-PA用于过程自动化现场传感器和执行器的数据传输，其特点是在现场使用过程中确保本质安全和通过电缆同时进行数据传输和供电。气动薄膜调节阀是根据定位器所提供的压缩空气工作气压来改变阀芯与阀座间的流通面积以调节介质流量。在PROFIBUS-PA环境下应用气动薄膜调节阀，实际上是利用定位器接收到的PROFIBUS-PA网络电流信号，来调节工作气压的大小以改变调节阀开度，确保介质流量符合要求。

2 技术要点

2.1 PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA用于PLC与过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输，其功能集成在起动执行器、测量变送器和调节阀定位器等现场设备中。PROFIBUS-PA采用符合IEC 1158-2标准的传输技术，即曼彻斯特码编码与总线供电传输技术，以确保本质安全，并通过总线直接给现场设备供电。采用曼彻斯特编码传输数据时，从0到1的上升沿发送二进制“0”，从1到0的下降沿发送二级制数“1”，传输速率为31.25 kbit/s。现场设备通过DP/PA耦合器或DP/PA链接器接入网络。

2.2 气动薄膜调节阀

气动薄膜调节阀由膜片、推杆、阀芯、阀座、弹簧等部件组成。其工作原理：

来自定位器的信号压力，即压缩空气工作气压，通入到薄膜气室时，在膜片上产生一个推力。

当推力大于弹簧的作用力时，膜片带动推杆向上移动，使阀芯和阀座之间的空隙增大，致使介质流量增大。

当信号压力减小至小于弹簧作用力时，膜片带动推杆向下移动，使阀芯和阀座之间的空隙减小，致使介质流量减小。

当信号压力与弹簧作用力相等时，阀芯与阀座间的流通面积不再变化，致使介质流量稳定。

由此可见，气动薄膜调节阀的开度由信号压力的大小决定，而信号压力大小由定位器进行调节。

2.3 SAMSON 3730-4定位器

3730-4型PROFIBUS-PA定位器使用符合IEC1158-2标准的技术进行通讯及供电。其工作原理为：

PROFIBUS-PA信号通过IEC1158-2输入模块进入定位器，经过微处理器和D/A转换器处理后，形成模拟量直流控制信号w，送至PD控制器（比例积分控制器）。阀位传感器根据调节阀阀芯实际位置，经过处理后形成阀位反馈信号x，送至PD控制器。PD控制器将x、w进行对比及运算，输出运算信号至电气转换器。在电气转换器的作用下，气源气压根据输出运算信号电流值的大小，被转换为相应大小的工作气压。

工作气压在气动放大器的作用下，将大流量同压力的压缩空气作用在控制阀上，此处压缩空气的压力即上节中所描述的信号压力。

3 实例分析及实施

3.1 实例分析

本文以卷烟制造企业中回潮机控制加水流量为实例，说明气动薄膜调节阀在PROFIBUS-PA网络环境下的应用。

回潮机是卷烟制造企业制丝生产线中的关键设备，其工艺任务是对烟叶或烟丝进行增温增湿处理，确保物料水分及温度符合工艺要求。回潮机对加水流量的控制方式为PID闭环，如图1所示。

如图所示，编号为1212的设备即为回潮机，编号为1209的设备为回潮机前对物料进行称重的电子皮带秤。结合案例及PID闭环控制系统中的参数，sp为设定加水量，即物料瞬时重量（1209电子皮带秤对物料进行称重获取）乘以加水系数，被控量c为实际加水量，电磁流量计测量实际加水量后可得出实际加水量信号pv。sp和pv进行比较得出误差ev并将其输入至PID控制器，控制器通过计算得出调节信号作用于控制加水流量的气动薄膜调节阀。

根据以上分析，得出该实例的PID控制方式，如图2所示。

3.2 案例实施

3.2.1 定位器参数设置

使用定位器控制面板上的旋钮设置参数：

①转动旋钮按键至参数3，将其参数值设置为ON，以允许修改定位器参数；

②转动旋钮按键至参数4，参照调节阀铭牌选择销钉位置；

③转动旋钮按键至参数5，参照调节阀铭牌输入额定行程/范围；

④转动旋钮按键至参数6，将其参数值设置为NOM，以进行精确初始化。

上述参数设置完成后，使用电笔按初始化键进行定位器的初始化操作。初始化结束后，转动旋钮按键至参数46，设置定位器在PA网络中的地址，本实例中定位器的地址为3，设置完成后长按旋钮按键进行确认。

3.2.2 PLC组态

安装与电磁流量计和3730-4定位器相关的GSD文件后，即可用STEP7软件进行组态。

①按照需求对S7-400 PLC进行组态；

②选择DP组件中的DP/PA Link，将其接入CPU模块中的DP网络，双击图标设置其地址为4；

③在右侧组件列表中选择相应的电磁流量计和定位器，将其接入PA网络，双击图标，分别设置电磁流量计的地址为10，3730-4定位器的地址为3，PLC组态示意图，如图3所示。

组态完成后，可在下方地址映射表中发现，电磁流量计相对于PLC的输入地址为PID1245，3730-4定位器相对于PLC的输出地址为PQD601。

3.2.3 PLC编程

该实例使用STL语言进行编程，调用FB41功能块，对应的背景数据块是DB17。

CALL "CONT_C" ， DB17

输入：

COM_RST ：= DB205.DBX 20.2

MAN_ON ：= DB205.DBX20.3 //是否手动操作

P_SEL：= M363.1 //决定是否开启比例调节。

I_SEL：= M363.2 //决定是否开启积分调节。

D_SEL：= M363.3 //决定是否开启微分调节。

CYCLE：=T#100MS //采样时间

SP_INT：=DB112.DBD0 //设定加水量

PV_IN ：=PID 1245 //实际加水量信号

MAN ：=DB112.DBD8

GAIN ：=DB112.DBD12 //增益

TI ：=DB112.DBD16 //积分相应时间

TD ：=DB112.DBD20 //微分时间输入

DEADB_W：=DB112.DBD36 //死区

LMN_HLM ：=DB112.DBD24 //PID控制器输出上限

LMN_LLM ：=DB112.DBD28 //PID控制器输出下限

输出：

LMN：=PQD601 //控制器输出值，该值作用于定位器以调节阀门开度。

4 结 语

由于工业自动化程度的不断提高，工业网络系统在自动化控制中逐步发挥着不可取代的作用，变频器、传感器、变送器等现场设备的应用应当与工业网络紧密结合，充分提升现场设备在工业网络环境下的可用性，以提升工业自动化控制水平。

参考文献：

[1] 尚群立，蒋鹏.智能电气阀门定位器的研究[J]仪器仪表学报，2007，（4）.

[2] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2011.