摘 要：以西門子S7-200系列PLC控制器為核心，介紹了水下電弧控制系統的工作原理，給出了控制系統的整體方案設計，并給出了主要的程序控制流程。該系統已經成功應用于生產，并且取得滿意效果。
關鍵詞：S7-200; PLC; 水下電弧; 控制系統
1 引言
水下電弧有著廣泛的用途，其中應用之一是水下制取“電弧氣”。制造電弧氣的一個關鍵要素就是保持電弧電壓的穩定，使電弧能在水下穩定放電。大電流（1000 A，DC）、大功率（50 kW）水下電弧放電本身是一個復雜的過程，電弧長度短，具有非線性、變參數、不易穩定等特點。試驗表明采用PFC-PID串級控制策略的水下電弧控制系統的動態品質明顯優于采用傳統PID控制的系統，具有較強的魯棒性和抗干擾能力。
大多數PID控制都是基于單片機進行，但單片機控制的DDC系統軟硬件設計較為復雜，特別是涉及到邏輯控制方面更不是其長處，而PLC在這方面卻是公認的最佳選擇。隨著PLC功能的擴充，許多PLC控制器中都集成了PID控制功能，因此在邏輯控制與PID控制混合的應用場所中采用PLC控制是較為合理的。經過認真的市場調研和技術準備，筆者使用了目前比較先進的PLC技術開發控制系統，對現場各種生產過程信號進行采集.監測、計量。從實際應用的效果來看，該系統具有性價比高、可維護性強、性能穩定等優點。
2 系統的工作原理
在水下電弧控制系統中，電弧放電在反應器中完成，氣體由此產生。電極控制裝置連續地將碳棒電極送入反應器中并維持電極電弧的穩定，從而保持電弧電壓和電流的恒定，使得產氣成分穩定且產氣效率提高。水下電弧控制系統示意圖如圖所示。
1.控制器，2.伺服放大器，3.220 W交流伺服電動機，4.進退限位開關，5.碳棒檢測開關，6.前進限位開關，7.陰極碳棒，8.陽極碳棒，9.下棒控制電磁閥，10.反應堆，T.反應罐溫度，P.反應罐壓力，U.電弧電壓，I.電弧電流。
碳棒的進退是通過伺服電機經傳動作用來實現控制的?？刂破魍ㄟ^不斷檢測T、P、U、I值的大小及各開關量的狀態來控制電機的轉速，通過動絲桿傳動作用推動碳棒前進，當碳棒前進速度同碳棒燃燒速度一致時，可認為弧長基本不變，從而實現整個電弧的電壓電流恒定控制。
由于陰極碳棒相對陽極碳棒燃燒速度較慢，在工藝設計時，將陰極碳棒與推進導桿連為一體，由伺服電機控制該碳棒的進退，其換棒工序需人工手動完成;陽極碳棒則與推進導軒相分離，導桿只可往前推進碳棒，而不能控制其后退，通過位置檢測開關檢測碳棒是否推進到位，以決定是否進人自動換棒工序。在進行換棒時，電機控制陰極導桿快速后退，同時另一電機控制陽極碳棒自動跟進，以免斷弧。
3 S7-200系列PLC的特點
S7-200為西門子公司生產的SIMATIC系列小型PLC，無論是獨立運行，還是相連成網絡，皆能實現復雜控制功能，適用于各行各業、各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。此次選用的CPU226有如下特點：24輸入、16輸出共40個數字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O點或35路模擬量I/O點;13 KB程序和數據存儲空間;6個獨立的30 kHz高速計數器，2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出，具有比例、積分、微分（PID）控制器;2個RS485通信-編程口，具有PPI通信協議、MPI通信協議和自由方式通信能力;I/O端子排可很容易地整體拆卸。自由通信是S7-200系列PLC的一大特色。它使S7-200系列PLC可以與任何通信協議公開的設備、控制器進行通信，即可以由用戶自己定義通信協議（如ASCⅡ協議）。波特率最高為38.4 kbit/s（可調整）。因此可以通信的范圍大大增加，控制系統配置也更加靈活、方便。
4 控制系統方案設計
如圖2所示，本控制系統的現場控制部分選用了S7-200 Micro PLC CPU226 DC/DC/DC型和SIMATIC TP 270型觸摸式面板作為基層控制部分。PLC與觸摸屏間的通訊通過RS-485串行總線完成。PLC控制器本機系統通過其擴展模塊主要完成5方面功能：DI（開關量輸入）、DO（開關量輸出）、AI（模擬量輸入）、AO（模擬量輸出）、通訊。其中DI口用于檢測開關狀態（如液位開關、接近開關、光電開關等）;DO口用于高速脈沖的發送、變頻器的開?？刂?、各電機的開停控制、電磁閥的控制等。AI用于模擬量的采樣，現場模擬量主要包括反映罐溫度、壓力、電弧的電壓電流等，從現場傳送到AI模塊的信號為4 mA～20 mA電流信號。AO則根據現場采集到的信號調節模擬量輸出大小來控制變頻器頻率的高低，進而通過變頻器來實現對循環泵和氣體壓縮泵的速度控制。伺服電機的控制則通過告訴脈沖輸出控制來完成。在控制柜內部預留出用于其它功能模塊的擴展空間，如額外的壓力檢測、氣體濃度檢測，還有Medem上網模塊，以后系統升級可將現場得到的各種數據通過Modem發送到Internet。
5 系統軟件設計
5.1 PLC程序設計說明
CPU226是西門子S7-200系列中的高檔PLC，本機自帶24個數字輸入口、16個數字輸出口及兩個RS-422/485串行通訊口，最多可擴展7個應用模塊。這里通過擴展EM231模擬輸入模塊來采集電壓信號，輸入模擬信號可選擇O V～10 V、±5 V、0 mA～20 mA等多種信號輸入方式。最終PLC根據輸入電壓信號的大小控制脈沖發送周期的大小，從而達到控制伺服電機速度的目的。本系統中控制程序主要完成以下幾個任務：
1）系統參數的初始化;
2）各種檢測開關的讀取;
3）電壓、電流、工作壓力、溫度等的讀取;
4）電機、變頻器、電磁閥等的控制。
為了完成上述各種功能，程序分為七大模塊，分別為：
1）初始化程序：完成系統各種參數的初始化，如在控制面板上對參數作了修改，則下次運行時會自動用新參數完成初始化;
2）模擬量的讀?。洪_機工作便開始完成電壓、電流、工作壓力、溫度等的監測與讀取，實時傳遞數據到面板顯示;
3）主控程序：完成各子程序使能模塊的調用及切換，各種限制及保護功能等;
4）手動控制程序：實現各種控制狀態的手動操作;
5）自動控制程序：完成自動換棒、自動補水、自動引弧、各種電機等的控制;
6）控制算法程序：完成對產氣壓力和工作電弧的恒定控制;
7）PWM/PTO脈沖控制：根據檢測到的電弧電壓及碳棒狀態自動調節脈沖頻率或脈沖個數、兩個脈沖口的配合與切換、PWM/PTO工作方式的配合與切換等。
5.2 程序控制流程
整個程序的控制難點在于對電弧的控制，因此，本文僅給出電弧控制的流程，如圖3所示。電弧控制難的主要原因在于電弧燃燒時其間距較小，容易受到外界干擾，引起控制器的震蕩。在換棒過程中，最容易出現斷弧現象，針對電弧燃燒時陰極和陽極燃燒速度不同設計了以下控制程序（陽極燃燒速度遠遠大于陰極）。
在換棒時，右電機（控制陽極碳棒）控制滾軸絲桿全速后退，左電機（控制陰極碳棒）則進入PID調節程序自動跟進，當檢測到碳棒到位，右電機先控制滾軸絲桿快速前進以彌補虛位，然后將PID控制切換到右電機上，左電機緩慢后退。
6 結束語
基于PLC的水下電弧控制系統軟硬件設計較為簡單，但邏輯控制功能強大，由于許多PLC控制器中都擴充了PID控制功能，因此在邏輯控制與PID控制混合的應用場合采用PLC控制是較為合理的。從系統實際運行的效果來看，該系統性價比高、可維護性強、性能穩定。