淺析多種液體混合加熱過(guò)程的PLC控制

林楊

摘 要 在本次研究中我們針對(duì)液體混合加熱溫度進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)介紹，進(jìn)一步能夠提高液體混合加熱控制要求。同時(shí)我們利用三菱PLC作為控制核心，將其運(yùn)用到加熱溫度控制中，以達(dá)到良好的控制效果，并達(dá)到合格的溫度要求、實(shí)現(xiàn)較高的穩(wěn)定性運(yùn)行。

關(guān)鍵詞 混合液體;PLC ;溫度;控制

引言

隨著社會(huì)各個(gè)個(gè)業(yè)的發(fā)展，在化工、藥品、煉油等行業(yè)中混合液體成為重要的操作原料，在實(shí)際生產(chǎn)中起著十分重要的作用，通常在工廠生產(chǎn)中溫度是重要的參數(shù)，在各環(huán)節(jié)中需要嚴(yán)格控制溫度，為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題研究學(xué)者已經(jīng)開(kāi)發(fā)了數(shù)字控制電子軟件系統(tǒng)及PLC系統(tǒng)。

1PLC的混合液體溫度控制系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)

PLC的用途是使用了可編程序存儲(chǔ)器來(lái)方便執(zhí)行一些邏輯，順序，計(jì)時(shí)等一些其他功能，通過(guò)一些數(shù)字輸入的方式來(lái)控制工業(yè)中機(jī)器的工作，相對(duì)于工業(yè)中其他電子設(shè)備中，PLC它的好處是可靠性比較高，抗干擾能力比較強(qiáng)，而且編程也簡(jiǎn)單方便，也方便工作人員使用和控制，而且PLC不僅在工業(yè)上經(jīng)常使用，而且相對(duì)于其他系統(tǒng)而言，他在成品上也比較占有優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)用個(gè)人計(jì)算機(jī)中，也就是工控機(jī)，它的好處是可用性能好，軟件豐富多樣化，價(jià)格也比較低。而工控機(jī)它的好處是能夠適應(yīng)多種不同的環(huán)境，具有抗震動(dòng)能力抵抗高溫能力和防灰塵等一些好處。在過(guò)去的工業(yè)化中人們使用比較落后的系統(tǒng)一般都達(dá)不到滿意的結(jié)果[1]。

PLC它是一種屬于計(jì)算機(jī)技術(shù)中最為基礎(chǔ)的控制裝置，它屬于一種數(shù)字操作的電子系統(tǒng)，普遍廣泛用于工業(yè)中。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，PLC大多采用的是邏輯順序進(jìn)行保護(hù)，常用于一些系統(tǒng)中，是通過(guò)氣動(dòng)和電氣的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能，在當(dāng)今工業(yè)中，PLC也就取代了以往的繼電器電路，從而實(shí)現(xiàn)邏輯控制和順序控制，不僅能夠單獨(dú)作用于部分設(shè)備，同時(shí)還可以運(yùn)用于多機(jī)群控和流水線設(shè)備實(shí)現(xiàn)集中化控制。我們生活中最普遍應(yīng)用于印刷機(jī)和訂書(shū)機(jī)，磨床，包裝等，在工業(yè)化中PLC它應(yīng)用于鋼鐵，石油化工場(chǎng)，電力方面，交通工具和文化傳媒等一些行業(yè)中。

PLC具備計(jì)算機(jī)，通信，控制等多種功能，是一種自動(dòng)化的高級(jí)裝置，可靠性較強(qiáng)，而且占地面積較小，操作編程比較簡(jiǎn)便，在一些工業(yè)環(huán)境過(guò)程控制以及計(jì)算機(jī)操作過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，我們可以將其作為核心，利用PID地能夠?qū)崿F(xiàn)恒溫和加熱控制。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的有效控制，PID是一種常見(jiàn)的控制方法，具有較高的可靠性和簡(jiǎn)便算法，在模擬量控制器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了較廣的運(yùn)用。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中按照工藝流程來(lái)進(jìn)行軟硬件電路設(shè)計(jì)的。在具體涉及過(guò)程中需要遵循下列的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：滿足液體混合條件及生產(chǎn)條件，使液體混合達(dá)到相關(guān)技術(shù)參數(shù)，保證生產(chǎn)系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行要求，同時(shí)能夠做到降低成本的目的。在滿足實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，需要合理選用新技術(shù)產(chǎn)品以保證控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。利用PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液體混合過(guò)程中需要考慮：①閥門(mén)開(kāi)關(guān)的順序與時(shí)間間隔。②選擇攪拌時(shí)間。③加熱開(kāi)始到結(jié)束的溫度。④混合過(guò)程如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)。整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要從這四個(gè)方面進(jìn)行考慮。?

2.2 控制方案

PLC與繼電器的控制系統(tǒng)都可以運(yùn)用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制中，是采用計(jì)算機(jī)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，相比于繼電器來(lái)說(shuō)，PIC的控制功能較強(qiáng)，而前者可靠性差，在一些控制功能線路中靈活性較差，功能比較單一。目前還沒(méi)有通用的電路設(shè)計(jì)方法，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)存在較大的困難度，因此之后所設(shè)計(jì)的電路圖比較難于理解。Plc有大量的軟件實(shí)現(xiàn)繼電器的設(shè)計(jì)。繼電器在線路安裝完畢時(shí)才能調(diào)試，plc開(kāi)關(guān)柜制作、現(xiàn)場(chǎng)施工與設(shè)計(jì)可以同時(shí)進(jìn)行，在修改時(shí)更加方便。單片機(jī)控制可以將存儲(chǔ)器、通信接口等融合在一個(gè)芯片，售價(jià)便宜功能強(qiáng)，響應(yīng)速度快。在工業(yè)控制中，需要采用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件硬件控制，同時(shí)作為軟件來(lái)說(shuō)還需要做好抗干擾的防護(hù)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行。計(jì)算機(jī)控制是一種工控機(jī)，是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，采用兼容性較強(qiáng)的硬件技術(shù)和總線結(jié)構(gòu)，這樣實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)一體化[2]。

在硬件的設(shè)計(jì)上，可編程控制系統(tǒng)具有多種應(yīng)用功能，比如數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)計(jì)算，PLD控制，邏輯控制等多種功能，在本次研究中，我們通過(guò)其邏輯控制功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用的是西門(mén)子自動(dòng)化工控產(chǎn)品中的小型PLC，該產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上比較簡(jiǎn)便，而且性價(jià)比高，能夠勝任一些復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)工作控制功能，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)處理中，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，PID運(yùn)算處理輸出，相對(duì)來(lái)說(shuō)能夠獲得穩(wěn)定的信號(hào)控制，是一種良好的現(xiàn)場(chǎng)控制器。這種產(chǎn)品有四個(gè)中斷處理功能，能夠滿足任意使用情況，這些系統(tǒng)中斷處理對(duì)于可編程控制器的外部I/O端機(jī)及分配時(shí)主要存在以下目的：首先通過(guò)外部的I/O端分配可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面性分析，在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)外部的I/O端分配進(jìn)行程序準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。其次，確?？刂葡到y(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性，操作總體來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)便，能夠考慮防止錯(cuò)誤操作的相應(yīng)解決措施，最后能夠滿足PLC技術(shù)指標(biāo)以及環(huán)境運(yùn)行要求。總而言之，對(duì)于可編程控制器來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行I/O端分配時(shí)是十分重要的，可以選擇S7-200系列PLC作為系統(tǒng)控制器，該控制器I/O端分配，具體情況如下表所示。

3系統(tǒng)簡(jiǎn)介及控制要求

混合液體是通過(guò)將部分液體注入攪拌以及加熱到一定程度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化混合的目的，其中液位傳感器L1、L2、L3，電磁閥Y1、Y2、Y3、Y4，在通電狀態(tài)下是處于打開(kāi)狀態(tài)的。①初始狀態(tài)。當(dāng)容器處于空閑狀態(tài)時(shí)關(guān)閉閥門(mén)關(guān)閉液位傳感器，同時(shí)還需要將攪拌器，加熱器進(jìn)行開(kāi)關(guān)關(guān)閉，在混合過(guò)程中啟動(dòng)過(guò)程時(shí)需要開(kāi)啟Y1，將液體注入容器中，當(dāng)高度達(dá)到L3時(shí)需要停止加入液體，開(kāi)啟Y2電磁閥，再注入另一種液體，當(dāng)液面達(dá)到L2時(shí)，停止加入開(kāi)啟Y3，當(dāng)液面達(dá)到L1時(shí)停止加入液體，依次進(jìn)行，開(kāi)啟攪拌器，完成十秒鐘攪拌工作之后，停止攪拌。之后需要開(kāi)啟加熱器完成液體加熱工作，當(dāng)溫度達(dá)到指定值時(shí)需要停止加熱，開(kāi)啟Y3電磁閥放出液體，當(dāng)液面降低到L3時(shí)需要停止幾秒鐘時(shí)間用于液體的防控，進(jìn)而完成下一周期的循環(huán)操作，按下停止按鈕之后，需要完成當(dāng)前所處的操作，運(yùn)行才能夠正式停止。②清罐控制的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)液體灌裝設(shè)備，需要考慮容器的清洗以及液體是否存在誤差。因此，這些設(shè)備需要設(shè)置相應(yīng)的控制按鈕開(kāi)關(guān)，在清罐之前需要將系統(tǒng)處于停止運(yùn)行狀態(tài)。按下按鈕之后，首先需要復(fù)位清零，再接電磁閥Y4，當(dāng)液面降低之后，延遲幾秒鐘時(shí)間完成清灌操作，并自動(dòng)關(guān)閉電磁閥，清灌完成之后需要按下開(kāi)關(guān)復(fù)位鍵，斷開(kāi)急?？刂崎_(kāi)關(guān)，重新啟動(dòng)按鈕即可完成[3]。

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)所需要的內(nèi)部繼電器，實(shí)際上相當(dāng)于中間狀態(tài)的繼電器，在程序中可以進(jìn)行多次使用。中間繼電器連接根據(jù)內(nèi)部控控制，邏輯計(jì)算能夠運(yùn)用計(jì)算中間結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)接通或者是斷開(kāi)，這種功能是編程中間狀態(tài)換擋，劃傷，操作者輔助上給出的特殊用途。在本次設(shè)計(jì)之中，一些內(nèi)部繼電器的功能如下：包括系統(tǒng)啟動(dòng)輔助繼電器，停止輔助繼電器，打開(kāi)電池閥，關(guān)閉電磁閥的繼電器，啟動(dòng)定時(shí)器的繼電器，系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行控制的繼電器等多種繼電器類(lèi)型。在本系統(tǒng)中，具體的設(shè)計(jì)流程如下：通過(guò)系統(tǒng)外部按鈕啟動(dòng)之后，將接通系統(tǒng)啟動(dòng)輔助繼電器，停止外部按鈕之后，接通系統(tǒng)停止輔助繼電器，啟動(dòng)繼電器接觸器。接通之后需要將停止輔助繼電器復(fù)位，而當(dāng)系統(tǒng)輔助繼電器接通后，需要將其處于運(yùn)行位。根據(jù)外部啟動(dòng)結(jié)果，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)之后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求需要對(duì)外部啟動(dòng)進(jìn)入這些Q0.1之后，將中間繼電器接通，并將其至位于Q0.2，并且對(duì)Q0.1進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)?shù)谌齻€(gè)限位開(kāi)關(guān)接受之后需要接通電磁閥將其這與Q0.3，并且復(fù)位Q0.2。當(dāng)?shù)谒膫€(gè)限位信號(hào)接收之后需要接通第四個(gè)相應(yīng)的電磁閥繼電器，將其進(jìn)行Q0.4復(fù)位。同時(shí)可以啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)Q0.0，并且延長(zhǎng)一分鐘，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間繼電器延長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到時(shí)時(shí)，繼電器的觸點(diǎn)將會(huì)處于復(fù)位狀態(tài)，將接通第四個(gè)電磁閥，將繼電器置于Q0.4，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)限位信號(hào)輸入之后啟動(dòng)定時(shí)器延長(zhǎng)20秒之后，處于復(fù)活狀態(tài)。

在上位機(jī)的設(shè)計(jì)中，組態(tài)王是一種便捷的上位機(jī)組態(tài)軟件，這種組態(tài)軟件的研發(fā)是根據(jù)計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化控制技術(shù)來(lái)研究的，在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)采集處理以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，警報(bào)等多種控制上有其優(yōu)勢(shì)，同時(shí)這種組態(tài)軟件能夠代表管理層對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行管理，能夠提高工作效率。

4PLC的PID控制實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際運(yùn)用中PID的使用最為廣泛和普遍，它經(jīng)常應(yīng)用調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，PID控制器的好處是可以利用它比例，積分和微分分別計(jì)算出一定的控制量并進(jìn)行控制。當(dāng)加熱到一定程度之后，需要將其放入恒溫器中完成恒溫操作，可以利用PID進(jìn)行控制，設(shè)定有效的增益值和積分時(shí)間等參數(shù)，當(dāng)在人工進(jìn)行操作的時(shí)候，就要根據(jù)反饋情況進(jìn)行多次的調(diào)整，增加其工作量，得到的效果不理想。利用自動(dòng)調(diào)節(jié)功能完成一些參數(shù)的自動(dòng)設(shè)定，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，獲得最佳的控制參數(shù)，在恒溫狀態(tài)下利用PID完成PLC的自動(dòng)調(diào)節(jié)，完成之后需要將溫度控制在合理的范圍內(nèi)[4]。

5系統(tǒng)故障的概念及故障分析

在電子控制系統(tǒng)中，故障概率達(dá)到系統(tǒng)故障的5%，其中CPU故障約占30%，而輸出輸入功率故障占比70%。95%則發(fā)生在傳感器等控制執(zhí)行器上及連接控制執(zhí)行器件的電纜方面。PLC在一定的時(shí)間可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中對(duì)可能出現(xiàn)的故障、損耗要有一定的認(rèn)識(shí)，避免故障的再次發(fā)生，故障發(fā)生之時(shí)我們需要及時(shí)有效地判斷出故障并且及時(shí)進(jìn)行維修。系統(tǒng)故障是指在整個(gè)系統(tǒng)中所有相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)的故障總和。利用plc輸出指示燈判斷出第一層故障，是一個(gè)最為有效直觀的檢查手段。利用上位監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)判斷出第二層故障，通過(guò)梯形圖來(lái)進(jìn)行監(jiān)控，觸電顯示出現(xiàn)不同的顏色就代表著不同的狀態(tài)。通過(guò)故障分析第三層故障，內(nèi)部實(shí)際上是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，程序在發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候也就需要重新輸入備份程序，在不正常的時(shí)候，我們可以編一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)程序來(lái)單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)行，分路有故障的時(shí)候，則故障可能在編碼控制單元，我們就要仔細(xì)認(rèn)真的檢查電路元器件，在一定必要的時(shí)候可以進(jìn)行更換。PLC出現(xiàn)故障的時(shí)候，則要定位故障點(diǎn)，有效借助測(cè)試的工具、緊密的邏輯來(lái)推理分析并且排除故障[5]。

6PLC系統(tǒng)主要抗干擾措施

優(yōu)質(zhì)的電源，可以減少電網(wǎng)引入的干擾。我們需要采用抗干擾性能較好地電源來(lái)為系統(tǒng)進(jìn)行供電，PLC系統(tǒng)以及變送器的供電電源需要利用電氣連接儀表來(lái)進(jìn)行供電。然而目前存在抗干擾性能較差，電源耦合現(xiàn)象，差模干擾以及隔離變壓器的相關(guān)參數(shù)增加問(wèn)題，導(dǎo)致在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)各種問(wèn)題。因此可以采用現(xiàn)實(shí)不間斷電源完成抗干擾隔離性能較強(qiáng)的電源供電，減少動(dòng)力電纜之間的干擾，采用不同電纜進(jìn)行電源的傳送，按照傳輸信號(hào)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)分層，針對(duì)同一電纜不同導(dǎo)線進(jìn)行電源和信號(hào)傳送時(shí)，需要明令禁止，以減少動(dòng)力電纜和信號(hào)線之間的間距，避免出現(xiàn)彼此的干擾。從一定程度上來(lái)看我們是無(wú)法完全消除干擾的，因此，在PLC軟件系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)一步針對(duì)軟件抗干擾性能進(jìn)行分析研究，可以采用以下措施：比如在采樣時(shí)可以采用數(shù)字濾波和工頻振性的方法，消除周期性的干擾，對(duì)點(diǎn)電位進(jìn)行校準(zhǔn)，利用動(dòng)態(tài)零點(diǎn)，防止電位出現(xiàn)漂移?？梢栽O(shè)置軟件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)間接跳轉(zhuǎn)，以提升軟件系統(tǒng)的可靠性。在計(jì)算機(jī)接入信號(hào)線之前，需要與地線進(jìn)行并接以減少兩者的干擾。在信號(hào)兩端還需要增加濾波器，減少差模干擾問(wèn)題，進(jìn)一步完善接地系統(tǒng)，能夠有效提高安全運(yùn)行以及抗干擾能力，這也是PLC系統(tǒng)在抗干擾過(guò)程中需要高度重視的。

7結(jié)束語(yǔ)

在本次研究中，我們根據(jù)液體混合加熱溫度從而來(lái)控制系統(tǒng)，以此來(lái)達(dá)到精密度比較高和穩(wěn)定性好，使其得到更好的操作，并且更方便和快捷。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬宗毅，曾紹穩(wěn).基于PLC的液體混合加熱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息與電腦，2017，（12）：107-109.

[2] 王秀.基于PLC變頻控制的多液體混合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2018，（1）：140-140.

[3] 楊一曼.基于PLC的鋁液溫度模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，（1）：82-85，93.

[4] 闞杰，李峰，郝竹銀，等.基于PLC的液體混合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2016，（23）：155-155.

[5] 陳曉紅.基于PLC的集中熱水供應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2016，（9）：32-34.