【正文】 第一章 控制系統(tǒng)的工藝要求及其分析 3 圖 1 工藝流程圖 電磁閥耐久性試驗(yàn)控制系統(tǒng)的工藝分析 通過(guò)對(duì)工藝流程的分析研究來(lái)確 定 PLC 要完成的控制任務(wù)，從而設(shè)計(jì) PLC 程序和 MCGS 組態(tài)畫(huà)面。 電磁閥耐久性試驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主體思路 （ 1）下位機(jī)程序設(shè)計(jì)主體思路 下位機(jī) 程序設(shè)計(jì)可以采用順序設(shè)計(jì)法，從試驗(yàn)工藝出發(fā)，完成試驗(yàn)次數(shù)和檢測(cè)漏氣的過(guò)程。應(yīng)用 PID 控制算法控制水壓恒定。程序中還應(yīng)該包括報(bào)警程序，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第一章 控制系統(tǒng)的工藝要求及其分析 4 （ 2）上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)思路 上位機(jī)采用 MCGS 組態(tài)軟件，對(duì)主要工藝流程進(jìn)行組態(tài)。同時(shí)對(duì)應(yīng)下位機(jī)程序應(yīng)該包括以下幾個(gè)畫(huà)面：數(shù)據(jù)給定，警示信號(hào)，操作幫助，仿真實(shí)驗(yàn)等。 電磁閥耐久性試 驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 分部分析 根據(jù)系統(tǒng)的流程，可知整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)部分，即：準(zhǔn)備工作，測(cè)試次數(shù)，測(cè)試漏氣，結(jié)束報(bào)警四個(gè)部分。 （ 1） 準(zhǔn)備工作分析 因其要求供應(yīng)的水壓為一穩(wěn)定的數(shù)值，所以使用變頻器控制電機(jī)，同時(shí)在 上位機(jī)程序中使用 PID 算法控制 （見(jiàn)圖2），從而保證待測(cè)電磁閥的供水壓力是恒定的。供水閥門(mén)則選用一般的開(kāi)關(guān)電磁閥，使用開(kāi)關(guān)量對(duì)其控制。 圖 2 水壓恒定 PID調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 （ 2） 測(cè)試工作分析 待測(cè)閥 門(mén)需要一組一定數(shù)量的開(kāi)關(guān)信號(hào)，需要在下位機(jī)程序中采用循環(huán)程序，次給每個(gè)電磁閥以控制信號(hào)，同時(shí)設(shè)計(jì)累加器記錄測(cè)試 次數(shù)。 （ 3） 測(cè)試漏氣分 在程序中設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器，在開(kāi)始測(cè)試前設(shè)定好漏氣檢測(cè)的周期，利用計(jì)數(shù)器關(guān)閉測(cè)試耐久性程序，同時(shí)觸發(fā)漏氣檢測(cè)。如果漏氣則結(jié)束檢測(cè)，并報(bào)警。如果不漏氣則返回重新測(cè)試周期。 （ 4） 結(jié)束報(bào)警分析 當(dāng)所有的待測(cè)電磁閥都漏氣時(shí)，則關(guān)掉水泵電機(jī)，關(guān)閉所有的閥門(mén)，并報(bào)警提示測(cè)試完畢。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5 第二章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì) 聯(lián)接圖 硬件設(shè)計(jì)聯(lián)接 如圖 3. 圖中所示的為單一工件的圖示 ，實(shí)際硬件可以三個(gè)工件同時(shí)測(cè)試。氣壓外供 ，試驗(yàn)時(shí)把通氣管道和空氣壓縮機(jī) 連接起來(lái)，調(diào)好所需要的氣壓。 圖 3 硬件連接示意圖 其中漏氣檢測(cè)器為本次設(shè)計(jì)新增的硬件 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理如圖 4. 原理：當(dāng)測(cè)試漏氣時(shí)，回水 管內(nèi)全部充滿液體，待測(cè)電 磁閥為關(guān)閉狀態(tài)，所以回水 管內(nèi)的水在大氣壓下不會(huì)流 出，給電磁閥門(mén)加氣壓，如 果電磁閥不漏氣，激光燈的 圖 4 漏氣檢測(cè)器原理圖 光線會(huì)因水的折射射到標(biāo)號(hào) 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 6 為 1 的位置。當(dāng)電磁閥漏氣時(shí)，由于氣泡的比重小，氣泡會(huì)聚集在導(dǎo)氣管，從而激光器的光線會(huì)射在 2 的位置上，感光器檢測(cè)到光線，給出信號(hào)。測(cè)試完畢氣體 由導(dǎo)氣管導(dǎo)出。 PLC、變頻器、其他硬件的選型 （ 1） PLC 選型 由 工藝流程 可以看出， 電磁閥耐久性試驗(yàn)系統(tǒng) 共有 6 個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入接口， 16 個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出接口， 1 個(gè)模擬量輸入接口， 1 個(gè)模擬量輸出接口。 由此可知選用 CPU226就能滿足開(kāi)關(guān)量的需要，但是 CPU226 沒(méi)有模擬量輸入輸出接口，因此需要再 擴(kuò)展 一個(gè)模擬量輸入模塊和 一個(gè) 模擬量輸出模塊。 根據(jù) CPU226 的參數(shù)要求可知，這樣選型是符合設(shè)計(jì)要求的。 PLC 模塊選擇及其主要參數(shù)如表 1。 表 1 PLC模塊選型及其主要參數(shù) 型號(hào) 本機(jī)數(shù)字 I 本機(jī)數(shù)字 O 本機(jī)模擬 I 本機(jī)模擬 O 擴(kuò)展模塊數(shù)量 CPU226 CN 24 16 0 0 7 EM231 CN 0 0 4 0 0 EM232 CN 0 0 0 2 0 總計(jì) 24 16 4 2 7 （ 2） 變頻器選型 本設(shè)計(jì)還用到了變頻器以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)的變頻控制，從而使供給待測(cè)電磁閥的水壓恒定，本設(shè)計(jì)選用 MICROMASTER 420 通用型變頻器， MICROMASTER420 是用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的變頻器系列。此系列有多種型號(hào)，從單相電源電壓，額定功率 120W 到三相電源電壓，額定功率 11KW 可供用戶 選用。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT）作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開(kāi)關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了良好的保護(hù)。本設(shè)計(jì)選用此系列中的三相、交流 200240V、177。 10%（帶A 級(jí)過(guò)濾器）型號(hào)為 6SE6420 2AC230CA0。具體見(jiàn)表 2. 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7 表 2 變頻器型號(hào)及其參數(shù) 型號(hào) 電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率 輸出功率 最大輸出電流 輸入電流 6SE6420 2AC230CA0 （ 3） 其他應(yīng)用的硬件選擇 包括壓力傳感器，固態(tài)繼電器，電動(dòng)機(jī)，水泵，管道，電磁控制閥等。詳見(jiàn)表 3。壓力傳感器用于把物理量 水壓轉(zhuǎn)換成 PLC 能接受的電信號(hào)，從而 PLC 能實(shí)時(shí)的讀到水壓信號(hào)。 固態(tài)繼電器因其沒(méi)有機(jī)械動(dòng)作，從而壽命較長(zhǎng)，并且是低噪音。 表 3 其他硬件選型 編號(hào) 硬件名稱 型號(hào) 備注 1 電動(dòng)機(jī) Y110L2 采用三相鼠籠型電機(jī)，可以用變頻器控制。 2 水泵 KQW(P)3 采用臥式管道增壓泵。 3 壓力傳感器 PT500501/502/503 用于水壓的測(cè)量變送，輸出電流信號(hào) 42mA。 4 不銹鋼管件 r20mm 所有管件均為不銹鋼材質(zhì)，以保證設(shè)備壽命。 5 控制電磁閥 PU22008A 分為控氣電磁閥和控水電磁閥。 6 固態(tài)繼電器 JGX348 接受 PLC信號(hào)，控制電機(jī)等設(shè)備。 I/O 分配表 根據(jù)控制工藝流程及其分析得出的控制系統(tǒng) I/O 分配表如表 4。表一包括助記符，接口地址，變量名。助記符為編寫(xiě) PLC 梯形圖時(shí)用到的助記符。接口地址為 PLC 內(nèi)部的寄存器地址。 表 4 I/O分配表 助記符 接口地址 變量名 助記符 接口地址 變量名 1 limite 水位限制信號(hào) 13 A_ctrl A組控制信號(hào) 2 A_sign A組光敏信號(hào) 14 B_ctrl B組控制信號(hào) 3 B_sign B組光敏信號(hào) 15 C_ctrl C組控制信號(hào) 4 C_sign C組光敏信號(hào) 16 all_ari 氣源閥門(mén) 5 run 測(cè)試開(kāi)始按鈕 17 FV_work 水泵變頻工作 6 stop 停止 /復(fù)位按鈕 18 A_ari A組通氣閥門(mén) 7 50Hz_work 水泵工頻工作 19 B_ari B組通氣閥門(mén) 8 A_water A組通水閥門(mén) 20 C_ari C組通氣閥門(mén) 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 8 9 B_water B組通水閥門(mén) 21 A_warn A組警示信號(hào) 10 C_water C組通水閥門(mén) 22 B_warn B組警示信號(hào) 11 light 光源信號(hào) 23 C_warn C組警示信號(hào) 12 PI0 AIW0 水壓輸入信號(hào) 24 PO0 AQW0 水壓控制信號(hào) 硬件接線圖 應(yīng)用 CAD 軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬件接線圖的設(shè)計(jì)，分為主接線圖及控制電路接線圖，PLC 接口電路。 主接線圖及其控制接線圖 實(shí)現(xiàn)對(duì)供水水泵電動(dòng)機(jī)的控制，分為電機(jī)的工頻運(yùn)行控制和變頻控制，接線圖如圖 5 所示。 其中 FU1 和 FU2 分別為熔斷器，起到過(guò)流保護(hù)的作用。 FR1 為熱繼電器，起到保護(hù)電機(jī)的作用， KM20， KM19 分別為電機(jī)工頻控制，電機(jī)變頻控制接觸器。AQW0 為控制變頻信號(hào)。 圖 5 主接線圖及其控制電路圖 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 PLC 接口接線圖 包括 PLC 接口繼電器的連接，和繼電器的分配如圖 6。 其中 KM1 與 KM9， KM2與 KM10， KM3 與 KM11,KM4 與 KM12，形成互鎖以保護(hù)電機(jī)。 圖 6 PLC接口電路圖 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 控制系統(tǒng)下位機(jī)程序設(shè)計(jì) 10 第三章 控制系統(tǒng)下位機(jī)程序設(shè)計(jì) 電磁閥耐久試驗(yàn)系統(tǒng)的工藝流程順序性強(qiáng)，故采用 PLC 梯形圖的順序設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)程序，共分為 兩 步：（ 1）順序功能 圖的設(shè)計(jì)；（ 2）梯形圖的編寫(xiě)。 順序功能圖 所謂順序控制，就是按照生產(chǎn) 工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間順序，在生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)的有序的進(jìn)行操作。使用順序控制設(shè)計(jì)法時(shí)首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝過(guò)程，畫(huà)出順序功能圖，然后根據(jù)順序功能圖設(shè)計(jì)出梯形圖。本系統(tǒng)的順序功能圖如圖 7。 順序功能圖說(shuō)明： （ 1） 檢測(cè)次數(shù)環(huán)節(jié) 開(kāi)始測(cè)試程序先是程序的初始化，包括從上位機(jī)得到相應(yīng)參數(shù)。當(dāng) 變?yōu)榛顒?dòng)步時(shí)，電動(dòng)機(jī)接受變頻 器 控制，頻率的信號(hào)由 PID 算法計(jì)算得出。當(dāng) 變?yōu)榛顒?dòng)步時(shí)，氣壓電磁閥關(guān)閉，水壓電磁閥打開(kāi)。 到 為電磁閥 A 開(kāi)始接受測(cè)試步，當(dāng) 為 1 時(shí)， A 組電磁閥的測(cè)試被屏蔽 ，說(shuō)明 A 電磁閥已經(jīng)測(cè)試完 。同理 至 為 B 組測(cè)試步， 至 為 C 組測(cè)試步。 （ 2） 判斷 檢測(cè)次數(shù) 環(huán)節(jié) 為判斷激活 C0 或 C1 的程序，當(dāng) C0 被激活時(shí)，計(jì)算主測(cè)次數(shù)。當(dāng) C1 被激活時(shí)，計(jì)算輔測(cè)次數(shù)。 為測(cè)試次數(shù)達(dá)到設(shè)定次數(shù)激活的步，然后進(jìn)行檢測(cè)漏氣環(huán)節(jié)。當(dāng) 被激活時(shí)，進(jìn)行下一步測(cè)試。 （ 3） 檢測(cè)漏氣環(huán)節(jié) 檢測(cè)漏氣環(huán)節(jié)為三個(gè)待測(cè)電磁閥并行檢測(cè)漏氣的環(huán)節(jié)。 , 分別為激活每個(gè)電磁閥測(cè)試的活動(dòng)步。當(dāng)條件 為真時(shí)，測(cè)試漏氣 ，否則不檢測(cè)漏氣。當(dāng)三個(gè)工件都測(cè)試完畢后，退出測(cè)試，進(jìn)行下一步。 （ 4）判斷返回 通過(guò)判斷 的狀態(tài)來(lái)決定停止測(cè)試，還是繼續(xù)測(cè)試。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文