基于PLC的真空壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顏志成

（廣州市公用事業(yè)技師學(xué)院機(jī)電工程系，廣東廣州 510000）

0 前言

可編程序控制器（PLC）是現(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的三大支柱之一，基于PLC的真空壓力控制系統(tǒng)是現(xiàn)代真空壓力控制的主要方式，利用PLC、壓力傳感器、電氣控制設(shè)備及真空泵組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)傳感器返回?cái)?shù)據(jù)，PLC計(jì)算分析，根據(jù)系統(tǒng)要求控制真空泵運(yùn)行，使系統(tǒng)真空度保持恒定，控制效果好，自動(dòng)化程度高，維護(hù)方便，應(yīng)用廣泛。

1 真空壓力控制系統(tǒng)電氣控制要求

（1）380VAC-50Hz三相五線制，控制3臺(tái)真空泵，每臺(tái)泵電機(jī)功率5.5 kW；

（2）可通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/停/自動(dòng)控制切換；

（3）每臺(tái)真空泵的開(kāi)/停機(jī)均有狀態(tài)指示燈顯示；

（4）每臺(tái)真空泵有過(guò)載保護(hù)，當(dāng)發(fā)生故障后，蜂鳴器報(bào)警，排除故障并通過(guò)復(fù)位按鈕解除鎖定后，方可啟動(dòng)；

（5）控制箱面板上有電源指示、過(guò)載報(bào)警指示、真空度過(guò)低指示、電流和電壓顯示、蜂鳴器、復(fù)位按鈕、緊急電源開(kāi)關(guān)、觸摸屏。

（6）觸摸屏界面包括：系統(tǒng)真空度、各真空泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、真空度過(guò)低報(bào)警、真空度(SET1至SET7)設(shè)定、指示分別為：輔泵#1停機(jī)真空度：(for SET1)；輔泵#2停機(jī)真空度：(for SET2)；主泵停機(jī)真空度：(for SET3)；主泵重啟真空度：(for SET4)；輔泵#2重啟真空：(for SET5)；輔泵#1重啟真空：(for SET6)；系統(tǒng)真空度過(guò)低報(bào)警：(for SET7)；

（7）手動(dòng)操作時(shí)，3臺(tái)真空泵通過(guò)按鈕開(kāi)/停，不受壓力傳感器控制（SMC數(shù)顯壓力開(kāi)關(guān)，型號(hào)：ZSE30A-01-D-L）；

（8）自動(dòng)操作時(shí)，3臺(tái)真空泵分別根據(jù)壓力傳感器信號(hào)啟動(dòng)/停止，啟/停設(shè)定點(diǎn)分別獨(dú)立修改(可于觸摸屏設(shè)定)。

3臺(tái)真空泵分為主泵、輔泵1、輔泵2，每隔一定的時(shí)間(可于觸摸屏設(shè)定，主泵必須累計(jì)運(yùn)行達(dá)此時(shí)間才自動(dòng)切換)，3臺(tái)真空泵的運(yùn)行狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換依1→2→3→1執(zhí)行。如果運(yùn)行過(guò)程中，其中一臺(tái)真空泵發(fā)生過(guò)載故障，則自動(dòng)跳出該循環(huán)，形成新的雙泵循環(huán)。

當(dāng)系統(tǒng)最初開(kāi)始工作時(shí)，為了縮短系統(tǒng)抽取時(shí)間，并減少系統(tǒng)啟動(dòng)電流，3組真空泵將分別隔幾秒鐘連續(xù)順序啟動(dòng)。

當(dāng)系統(tǒng)真空度達(dá)到設(shè)定點(diǎn)SET1時(shí)，輔泵#1停止運(yùn)轉(zhuǎn)；

當(dāng)系統(tǒng)真空度達(dá)到設(shè)定點(diǎn)SET2時(shí)，輔泵#2停止運(yùn)轉(zhuǎn)；

當(dāng)系統(tǒng)真空度達(dá)到設(shè)定點(diǎn)SET3時(shí)，主泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)系統(tǒng)管路及罐體內(nèi)已儲(chǔ)備到系統(tǒng)最高負(fù)壓狀態(tài)；

當(dāng)系統(tǒng)真空度降至設(shè)定點(diǎn)SET4時(shí)，主泵開(kāi)始工作；

當(dāng)系統(tǒng)真空度降至設(shè)定點(diǎn)SET5時(shí)，輔泵#2開(kāi)始工作；

當(dāng)系統(tǒng)真空度降至設(shè)定點(diǎn)SET6時(shí)，輔泵#1開(kāi)始工作。

無(wú)論在自動(dòng)還是在手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)系統(tǒng)真空度降至設(shè)定點(diǎn)SET7時(shí)，真空過(guò)低燈亮，蜂鳴器報(bào)警(系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，真空度雖低于SET7，但因?yàn)椴⒎窍到y(tǒng)漏氣導(dǎo)致真空度過(guò)低，故不需報(bào)警)。真空度回升到SET7時(shí)，報(bào)警自動(dòng)解除。

啟動(dòng)時(shí)，真空度為0，啟動(dòng)順序?yàn)橹鞅?輔泵#1-輔泵#2，停機(jī)順序?yàn)椋狠o泵#2-輔泵#1-主泵，停機(jī)后真空度降低再啟動(dòng)順序?yàn)橹鞅?輔泵#1-輔泵#2；

（9）控制箱交流接觸器和按鈕，開(kāi)關(guān)指示燈等電氣組件采用進(jìn)口品牌。PLC及觸摸屏選用“日本三菱”，真空開(kāi)關(guān)等其他組件選用SMC，日本富士和歐姆龍等其他品牌產(chǎn)品。

2 真空壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

真空壓力控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、壓力傳感器、電氣控制設(shè)備及真空泵等組成。

（1）硬件選型

根據(jù)系統(tǒng)要求和經(jīng)濟(jì)性原則，PLC選用三菱FX1N-24MR，該P(yáng)LC為繼電器輸入輸出型，輸入端口X為14個(gè)，輸出端口Y為10個(gè)，能滿(mǎn)足控制系統(tǒng)輸入輸出端口的需求；觸摸屏選用三菱GT1050，屏幕為4.7寸，屏幕為QVGA320*240，單色，DC24V供電；壓力傳感器選用SMC的ZSE30A（真空壓）數(shù)字式壓力開(kāi)關(guān)，為負(fù)壓；壓力傳感器和PLC連接則通過(guò)FX1N-2AD-BD模擬量輸入模塊連接，F(xiàn)X1N-2AD-BD是嵌入PLC安裝，不需要占用PLC的安裝空間；電氣控制設(shè)備則根據(jù)5.5KW的真空泵選擇相應(yīng)的熱繼電器、交流接觸器、空氣開(kāi)關(guān)、電流表和電壓表等等[1]。

（2）電路原理圖設(shè)計(jì)

主電路圖、控制線路圖、PLCI/O接線圖和控制箱硬件設(shè)計(jì)外觀圖分別如圖1、2、3、4所示。

圖1 主電路

2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

本系統(tǒng)雖然I/O點(diǎn)數(shù)不多，但是控制方式較為復(fù)雜，編程量較大，因此在軟件編程設(shè)計(jì)過(guò)程中采用線性化編程和步進(jìn)順序控制編程相互結(jié)合的方式編寫(xiě)。編程不涉及手動(dòng)控制模式，只針對(duì)自動(dòng)模式控制，從圖5可以看出，該程序?yàn)椴⑿薪Y(jié)構(gòu)，分成三部分，第一部分為PLC通過(guò)數(shù)據(jù)處理采集來(lái)自壓力傳感器的真空度模擬量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理分析過(guò)程如圖6所示，壓力傳感器可以設(shè)置為電壓輸出模式（1～5 V）或者電流輸出模式（4～20 mA）[2]。

圖2 控制線路

圖3 PLCI/O接線圖

圖4 控制箱硬件設(shè)計(jì)外觀圖

根據(jù)FX1N-2AD-BD技術(shù)文檔[3]，如圖7所示。

設(shè)置為電壓輸入模式，壓力傳感器把0～101 kPa的真空度數(shù)值轉(zhuǎn)化為電壓值模擬量（1～5 V）輸出，該電壓值通過(guò)FX1N-2AD-BD模擬量輸入模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后為數(shù)字量輸出至PLC數(shù)據(jù)寄存器D50，程序中每隔30 ms采集一次數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)平均值處理后放入PLC數(shù)據(jù)寄存器D52，通過(guò)壓力傳感器的電壓輸出曲線和FX1N-2AD-BD的電壓輸入曲線，經(jīng)過(guò)程序進(jìn)行模擬量數(shù)據(jù)處理后，把范圍在0～101 kPa的真空度數(shù)值存放于PLC數(shù)據(jù)寄存器D0，以便于觸摸屏顯示系統(tǒng)真空度。第二部分和第三部分分別為系統(tǒng)主泵和輔泵的自動(dòng)切換以及相應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)程序，采用常用的線性編程結(jié)合步進(jìn)順控控制方法編程，步進(jìn)順序控制編程使程序可讀性好，有利用對(duì)常用功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，可以分別測(cè)試各個(gè)程序塊，便于測(cè)試和修改。

圖5 程序流程圖

圖6 壓力傳感器輸出曲線圖

2.3 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸屏界面采用GT Works3軟件設(shè)計(jì)，分為4個(gè)界面，如圖8所示。

圖7 FX1N-2AD-BD模數(shù)轉(zhuǎn)換處理

圖8 觸摸屏設(shè)計(jì)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

真空壓力控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)可行性分析，硬件選型，電路原理圖設(shè)計(jì)、軟件編程，觸摸屏編程后進(jìn)行為期一周的試運(yùn)行，并通過(guò)驗(yàn)收，運(yùn)行一切正常。本系統(tǒng)采用PLC、壓力傳感器、電氣控制設(shè)備及真空泵組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高，在保證可靠性前提下，充分發(fā)揮了PLC的自動(dòng)控制作用，消除了缸體內(nèi)真空度波動(dòng)，保證了真空度穩(wěn)定，效果明顯，并延長(zhǎng)了電氣控制設(shè)備及真空泵的使用壽命，另外，它還可方便地與各種通用組態(tài)軟件連接，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)控和實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，該系統(tǒng)投入運(yùn)行后一直十分穩(wěn)定，故障率低，而且操作容易，效果顯著。

［1］鐘肇新，范建東，馮太合.可編程序控制器原理及應(yīng)用［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2008.

［2］ZSE30A2色顯示式高精度數(shù)字式壓力開(kāi)關(guān)用戶(hù)指南.日本SMC公司.

［3］三菱FX1N-2AD-BD模擬輸出擴(kuò)展板用戶(hù)指南［Z］.三菱公司.