基于工業(yè)可編程控制器對(duì)液體自動(dòng)混合裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪志強(qiáng)，石建飛，張冬梅

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶 163319）

傳統(tǒng)的兩種液體混合裝置無(wú)論采用人工控制還是繼電器控制系統(tǒng)，都存在連接電器多、可靠性差、自動(dòng)化程度低等諸多問(wèn)題[1]。采用PLC 具有小型化、高速度、高性能等特點(diǎn)，可編程控制器指令豐富，可以接各種輸出、輸入擴(kuò)充設(shè)備，有豐富的特殊擴(kuò)展設(shè)備，其中的模擬輸入設(shè)備和通信設(shè)備是系統(tǒng)所必需的，能夠方便地聯(lián)網(wǎng)通信[2]?？删幊炭刂破饕后w自動(dòng)混合控制系統(tǒng)由傳感器送入設(shè)定的參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；啟動(dòng)后能自動(dòng)完成一個(gè)周期的工作，并循環(huán)。

1 控制要求及初始狀態(tài)

圖1 系統(tǒng)工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of system

圖1 是系統(tǒng)工作示意圖，圖中SL1（L）、SL2（I）、SL3（H）為三個(gè)液位傳感器，液體淹沒(méi)時(shí)接通。進(jìn)液閥Y1、Y2 分別控制液體A 和液體B 進(jìn)液，出液閥Y4控制混合液體C 出液。a、b、c 分別代表三個(gè)流量計(jì)，監(jiān)控兩條進(jìn)管道和一條出管道的流量。設(shè)計(jì)是對(duì)兩種液體混合攪拌控制，控制要求及初始狀態(tài)如下所示：

初始狀態(tài)：打開(kāi)混合液體C 電磁閥門(mén)Y4，延時(shí)10 s 后自動(dòng)關(guān)閉；

啟動(dòng)操作：按下啟動(dòng)按鈕SB1，液體裝置開(kāi)始按以下順序工作：

（1）進(jìn)液電磁閥Y1 打開(kāi)，液體A 流入罐內(nèi)，液位上升。

（2）當(dāng)?shù)竭_(dá)SL1 時(shí)，進(jìn)液閥Y1 關(guān)閉，A 液體停止流入，同時(shí)打開(kāi)進(jìn)液閥Y2，B 液體開(kāi)始流入容器。

（3）當(dāng)?shù)竭_(dá)SL2 時(shí)，進(jìn)液閥Y2 關(guān)閉，B 液體停止流入，同時(shí)攪拌電動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作。

（4）當(dāng)攪拌電機(jī)定時(shí)正向攪拌10 s 反向攪動(dòng)10 s 后制動(dòng)停止攪拌，同時(shí)Y4 打開(kāi)，開(kāi)始放液，液位開(kāi)始下降。

（5）當(dāng)液位下降到SL1（L）處時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)10 s后關(guān)閉放液電磁閥Y4，自動(dòng)開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。

停止操作：工作中，若按下停止按鈕SB2，延時(shí)3 s 設(shè)備停止工作。

報(bào)警：當(dāng)罐體內(nèi)的液體達(dá)到最高液位SL3 時(shí)，超過(guò)該液位，系統(tǒng)將報(bào)警，且停止工作，定時(shí)10 s。

2 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

圖2 控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of control system

控制系統(tǒng)框圖如圖2 所示，三個(gè)流量計(jì)采集管道內(nèi)的流量并將采集來(lái)的模擬量傳送給AD 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；三個(gè)液位傳感器根據(jù)測(cè)得水位情況輸出開(kāi)關(guān)量；PLC 對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行處理，控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，和攪拌機(jī)的動(dòng)作，同時(shí)所有數(shù)據(jù)都傳送給上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

3 液體自動(dòng)混合系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 器件選擇

液體自動(dòng)混合裝置器件選擇如表1 所示。

表1 液體自動(dòng)混合裝置器件選擇Table 1 Component selection on mixing device of automatic liquid

3.2 PLC I/O 點(diǎn)分配

根據(jù)液體混合控制系統(tǒng)要求，共有5 個(gè)數(shù)字量輸入和6 個(gè)數(shù)字量輸出，CPU 型號(hào)可以選擇S7-200PLC 的CPU224（本機(jī)上有14 個(gè)數(shù)字量輸入和10個(gè)數(shù)字量輸出）。由于系統(tǒng)需要顯示灌裝的灌數(shù)，產(chǎn)量上限為1 600，可以使用4 個(gè)帶譯碼電路的BCD數(shù)碼顯示管顯示灌裝產(chǎn)量，這樣就另外需要16 點(diǎn)數(shù)字量輸出。可以使用2 個(gè)數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊EM233（DC24V）或使用一個(gè)數(shù)字量輸入/輸出混合擴(kuò)展模塊EM233（DI16/DO16*DC24V）[6]。

該系統(tǒng)所使用的輸入輸出設(shè)備的I/O 分配如表2 所示。

表2 輸入和輸出設(shè)備的I/O 分配表Table 2 Input and output devices of I/O allocation table

3.3 硬件電路圖

3.3.1 電機(jī)主電路圖

設(shè)計(jì)中的混合液體攪拌由電動(dòng)機(jī)M 啟動(dòng)。帶有短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等，短路保護(hù)由FU 熔斷器來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，過(guò)載保護(hù)由FR 熱繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)其保護(hù)功能。啟動(dòng)過(guò)程是QS 閉合，當(dāng)KM1 常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電機(jī)M 正向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)KM2 的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電機(jī)M反向轉(zhuǎn)動(dòng)。主電路中保護(hù)裝置選擇的是CJX1-9，220V 型 接 觸 器、DZ47-63 系 列 小 型 斷 路 器、JR16B-60/3D 型熱繼電器和型號(hào)為Y90S-6/0.75KW的電動(dòng)機(jī)。主電路如圖3 所示。

圖3 主電路Fig.3 The main circuit

3.3.2 PLC 的I/O 接線(xiàn)圖

圖4 PLC 的I/O 接線(xiàn)圖Fig.4 Wiring diagram of PLC I/O

3.3.3 AD 模塊接線(xiàn)圖

圖5 AD 模塊接線(xiàn)圖Fig.5 Diagram of AD module

AD 模塊EM231 主要用于擴(kuò)展S7200PLC 模擬量測(cè)量能力，本系統(tǒng)主要完成三個(gè)液位傳感器a、b、c模擬信號(hào)的采集，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)總線(xiàn)接口與PLC 相連。

4 液體自動(dòng)混合系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖6 程序流程圖Fig.6 Flow chart of program

5 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用了北京三維力控公司的ForceControl6.1 組態(tài)軟件，它是北京三維力控科技有限公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)集成人機(jī)界面（HIM）系統(tǒng)。與力控早期產(chǎn)品相比ForceControl6.1 產(chǎn)品在數(shù)據(jù)處理性能、答錯(cuò)能力、界面容器、報(bào)表等方面產(chǎn)生了巨大的飛躍。

圖7 組態(tài)圖Fig.7 Diagram of configuration

組態(tài)圖7 中有液體罐，電磁閥門(mén)，液位計(jì)、管道、攪拌器和報(bào)警指示燈，當(dāng)點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕則Y1 閥門(mén)打開(kāi)，注入A 液體，到達(dá)液位SL1 時(shí)，Y1 關(guān)閉，同時(shí)Y2打開(kāi)，注入B 液體。到達(dá)液位SL2 時(shí)Y2 關(guān)閉，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始攪拌，到一定時(shí)間后Y4 打開(kāi)，開(kāi)始排放液體。當(dāng)液位到達(dá)SL3 時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始報(bào)警，報(bào)警指示燈閃爍，10 s 后系統(tǒng)停止工作。

6 結(jié)論

利用西門(mén)子S7200 可編程控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)多種液體各種混合狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)在混合過(guò)程的精確控制要求，提高了液體混合比例的穩(wěn)定性、運(yùn)行穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高，并通過(guò)組態(tài)界面顯示液體水位混合狀態(tài)，當(dāng)液體水位超限時(shí)，完成報(bào)警顯示，適合工業(yè)生產(chǎn)的需求。

［1］鄒義龍，許杰，張東輝，等.基于S7-200PLC 的液體混合裝置控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及仿真［J］.河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，31（2）：107-109.

［2］康忠偉，石莉莉，孫艷波.抽水電機(jī)組節(jié)能控制裝置的研究與設(shè)計(jì)［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25（6）：74-78.

［3］趙景波.西門(mén)子S7-200PLC 實(shí)踐與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［4］李向東.電氣控制與PLC［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［5］唐介.電機(jī)與拖動(dòng)［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［6］阮友德.電氣控制與PLC 實(shí)訓(xùn)教材［M］.北京：人民郵電出版社，2006.