PLC原理功能简介以及基于PLC的烟气监测系统设计

PLC原理功能简介以及基于 PLC 的 烟气监测系统设计

1 马瀚文 2 王子安 2 郝慧茹

1 华北理工大学电气工程学院； 2 华北理工大学人工智能学院

摘要：随着工业自动化进程的不断推进，自动化机器的使用领域及需求量也在不断增加。尤其是在大型生产线领域内，自动化机器在在涂胶、搬运、分拣以及焊接等危险场合取代工人操作，提高生产效率及其产品质量方面取得了至关重要的作用。本文以PLC控制系统为切入点，对PLC的发展历程、控制原理以及PLC控制系统在烟气监测中的应用做出简要分析。

关键词：PLC控制系统、发展历程、控制原理、应用

引言：目前PLC控制系统在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。治理大气污染，必须有可靠的监测仪器和系统来保证。烟气连续监测系统CEMS在国内越来越多的满足广大用户的需求。本文以烟气在线监测系统为例，简要分析PLC控制系统的应用原理。

关键词：PLC控制系统、烟气监测系统、应用原理浅析

1. PLC控制系统发展历程、控制原理简介

PLC控制系统，又叫可编程逻辑控制器。是专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置，是大多数工业控制的核心。

程式控制器在发表初期被称为Programmable Logic –Controller，简称为PLC，最先的目的是取代继电器，从而执行继电器逻辑及其他计时或计数等功能的顺序控制为主, 所以也称顺序控制器,其结构也像一部微电脑,所以也可称为微电脑可程式控制器(MCPC)。PLC控制系统是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的远程控制系统。PLC控制系统基本结构包括：中央处理单元、存储器、电源、程式输入装置、输入\输出回路。

PLC内部结构

PLC控制器是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC控制器只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC控制器的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC控制器的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令)，然后再返回起始步循环运算。PLC控制器每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC控制器，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位(也有32位的)为一个模拟量。大型PLC控制器使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。

PLC控制系统内部工作方式一般是采用循环扫描工作方式，在一些大、中型的PLC控制系统中增加了中断工作方式。PLC控制系统的工作过程主要可分为三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段，PLC控制系统工作过程除了包括上述三个主要阶段，还要完成内部处理、通信处理等工作。

2. PLC控制系统在烟气监测系统中的应用

AC500PLC的部分开关量通道可以通过软件设为输入或者输出。模拟量模块上每个通道都可以根据用户的需求接入电流、电压和热电阻信号。

系统概述：

烟气污染物排放总量数据监测系统，根据使用需要的不同，可以选用不同的参数，如：CO、NOX、颗粒物、温度、压力、流速、湿度等等。这些参数值由分析仪采集烟道中气体进行测量分析后传送到上位机，由上位机对其进行处理、运算、存储、输出等等。

烟气监测系统结构图

硬件设计：

CEMS测量烟道中的固体烟尘。一般采用直接抽取法采样，将湿烟气经过过氧化锆分析仪，测出湿氧含量，再把烟气经干燥器送入烟气分析仪。

软件设计：

CEMS一般由PLC控制系统、上位机程序、远程通讯三部分组成。

（1.）PLC控制系统：

由于CEMS中需要控制的是按一定时间序列开闭的管路，故PLC程序主要用于接收各种操作命令，控制各种阀、泵、指示灯的开闭及互锁，并定时或实施完成对采样通道的吹扫、测量仪器的标定等等。对采集到的各项模拟量进行数字滤波。

（2.）上位机程序

上位机主要用于显示各个分析设备的工作情况，汇总烟气的历史数据，进行打印归档、趋势显示以及报警信息处理。

上位机通过FameView组态软件与PLC通过MODBUS-RTU或MODBUS-TCPIP协议进行通讯。实时从仪器上采集数据，将采集到的数据分析处理后保存到数据库中，并实现数据和历史数据查看和曲线查询，对数据库中的数据进行查询、报表打印或导出到EXCEL表格中去。

实时数据监测：能实时的从与计算机连接的仪器上采集数据，并进行分析显示，可实时显示各种检测数据及系统运行时各部分的运行状态。系统主要完成以下功能：

系统设置：设置系统参数

用户管理：实现系统的权限管理

设备控制：能在计算机上对仪器进行控制，实现实时反吹和标定

数据处理：将采集到的数据分析处理后保存到数据库中

历史数据查询：可以按时间段来查询历史测量数据

（3.）远程通讯

远程通讯主要是上位机与环保中心站之间通过GPRS/CDMA/电话拨号、局域网进行数据通讯。CEMS中的上位机作为服务器，环保中心站作为客户机，采用C/S模式获取数据。具体来说就是环保中心站发送查询请求，CEMS上位机返回相应时间段内的烟气排放数据。

参考文献：[1]玉河.PLC控制系统在汽车空调生产中的应用[J].内燃机与配件,2021(08):205-206.

2. 王佰玲,刘红日,张耀方,吕思才,王子博,王启蒙.工业控制系统安全仿真关键技术研究述[J/OL].系统仿真学报:1-22[2021-04-27]