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(wěn)定，使電弧能在水下穩(wěn)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(wěn)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(tǒng)的動態(tài)品質明顯優(yōu)于采用傳統(tǒng)PID控制的系統(tǒng)，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(tǒng)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(fā)控制系統(tǒng)，對現場各種生產過程信號進行采集.監(jiān)測、計量。從實際應用的效果來看，該系統(tǒng)具有性價比高、可維護性強、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)的工作原理
    在水下電弧控制系統(tǒng)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(xù)地將碳棒電極送入反應器中并維持電極電弧的穩(wěn)定，從而保持電弧電壓和電流的恒定，使得產氣成分穩(wěn)定且產氣效率提高。水下電弧控制系統(tǒng)示意圖如圖l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。控制器通過不斷檢測T、P、U、I值的大小及各開關量的狀態(tài)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(yè)、各種場合中的檢測、監(jiān)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(xié)議、MPI通信協(xié)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(xié)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(xié)議(如ASCⅡ協(xié)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(tǒng)配置也更加靈活、方便。

4 控制系統(tǒng)方案設計
    如圖2所示，本控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)(如液位開關、接近開關、光電開關等)；DO口用于高速脈沖的發(fā)送、變頻器的開?？刂啤⒏麟姍C的開?？刂啤㈦姶砰y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(jié)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(huán)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(tǒng)升級可將現場得到的各種數據通過Modem發(fā)送到Internet。

5 系統(tǒng)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(fā)送周期的大小，從而達到控制伺服電機速度的目的。本系統(tǒng)中控制程序主要完成以下幾個任務：
    1)系統(tǒng)參數的初始化；
    2)各種檢測開關的讀??；
    3)電壓、電流、工作壓力、溫度等的讀??；
    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(tǒng)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(jiān)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(tài)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(tài)自動調節(jié)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)實際運行的效果來看，該系統(tǒng)性價比高、可維護性強、性能穩(wěn)定。