基于PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的后處理設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮 梅，鮑延年

（中國(guó)工程物理研究院 化工材料研究所，綿陽(yáng) 621900）

0 引言

后處理設(shè)備由我單位自行研制，其作用是通過(guò)逐層冷卻或熱芯棒加熱方式，達(dá)到提高產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量，加快后處理過(guò)程的目的。該設(shè)備是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)以PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)為核心，對(duì)設(shè)備機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、熱工等各部分進(jìn)行控制，共同完成后處理功能。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工藝描述及要求

設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括升降平臺(tái)、加熱水箱、拉桿、立柱、移動(dòng)架和位移傳感器。液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和熱芯棒運(yùn)動(dòng)，主要包括液壓泵、平臺(tái)油缸、熱芯棒油缸、液壓電磁閥和液壓比例閥。氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)保溫罩運(yùn)動(dòng)，主要包括空壓機(jī)、氣缸、氣路三聯(lián)件和氣動(dòng)閥。熱工系統(tǒng)對(duì)后處理水箱和保溫漏斗進(jìn)行加熱，主要包括蒸汽盤(pán)管、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥、溫度傳感器和液位傳感器。

控制系統(tǒng)對(duì)水箱溫度、入口蒸汽溫度、保溫罩溫度、熱芯棒溫度、水箱液位、平臺(tái)位置、液壓站入出口油壓、壓縮空氣壓力等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)時(shí)顯示。按程序自動(dòng)控制各調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，包括水箱進(jìn)汽電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液壓站比例閥等；各電磁閥的開(kāi)、閉，包括水箱進(jìn)汽閥、進(jìn)冷水閥、排水閥，以及液壓站、氣動(dòng)站各控制閥等；各泵的啟、停，包括冷水循環(huán)泵、液壓泵等。按設(shè)定溫度對(duì)水溫進(jìn)行自動(dòng)升溫、怛溫控制。按設(shè)定水位對(duì)水箱進(jìn)行自動(dòng)進(jìn)水、排水控制。按程序自動(dòng)控制平臺(tái)升降高度、停留時(shí)間；熱芯棒升降高度、停留時(shí)間。

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)以PLC及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)為核心。PLC完成各種邏輯控制功能。設(shè)備各部分的控制系統(tǒng)與主控PLC之間采用CC–LINK（Control &Communication –Link）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。PLC設(shè)主站和遠(yuǎn)程控制站，主站在控制大廳，遠(yuǎn)程控制站在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，主站和遠(yuǎn)程控制站之間由CCLINK進(jìn)行通訊。遠(yuǎn)程控制站包括后處理、液壓、氣動(dòng)和熱工站。主PLC完成邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算、報(bào)警處理、輸入?yún)?shù)收集及發(fā)出控制指令。遠(yuǎn)程PLC完成開(kāi)關(guān)量、模擬量輸入信號(hào)的采集，接受主PLC指令完成對(duì)各執(zhí)行元件的控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.3 硬件配置

設(shè)計(jì)中采用三菱公司的Q系列PLC，此類(lèi)型PLC比同類(lèi)型產(chǎn)品具有靈活的系統(tǒng)配置。Q系列PLC采用順控專(zhuān)用處理器、高速總線(xiàn)傳輸功能和事件中斷功能，可確保靈活的響應(yīng)系統(tǒng)所需的高性能和高速度。

CPU能力是PLC最重要的性能指標(biāo)，也是機(jī)型選擇時(shí)首要考慮的問(wèn)題。在本系統(tǒng)中，輸入點(diǎn)數(shù)包括溫度、壓力、流量、位移和液位及其需要聯(lián)鎖報(bào)警的輸入信號(hào)、閥位反饋信號(hào)、液壓泵等電機(jī)的運(yùn)行/操作信號(hào)和手/自動(dòng)切換的狀態(tài)信號(hào)等；輸出點(diǎn)數(shù)包括需控制的操縱變量，如電磁閥、泵和電機(jī)的啟動(dòng)/停止信號(hào)，顯示燈驅(qū)動(dòng)信號(hào)等?？刂葡到y(tǒng)的遠(yuǎn)程站和主站的控制點(diǎn)數(shù)規(guī)模為：共有115個(gè)I/O點(diǎn)， 15個(gè)A/D點(diǎn)。因此，系統(tǒng)選取用Q02-HCPU。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)系統(tǒng)輸入、輸出點(diǎn)數(shù)及通訊要求，其它模塊配置包括： 電源模塊Q61P-A2、內(nèi)存卡Q2MEM-2MBF、CC-LINK 通信模塊 QJ61BT11、以太網(wǎng)通信模塊QJ71E71-100、輸入模塊QX40-S1、輸出模塊QY10 、D/A轉(zhuǎn)換模塊Q64DAI、主基板Q312B、遠(yuǎn)程I/0模塊AJ65BTB2-32DR、遠(yuǎn)程I/0模塊AJ65BTB2-16D、遠(yuǎn)程AD模塊AJ65BT-64ADV、遠(yuǎn)程DA模塊AJ65BT-64DAI。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

PLC程序采用三菱公司的GX Dexeloper 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。從功能上分為初始化程序、主程序、復(fù)位程序等。初始化程序完成系統(tǒng)的初始化設(shè)定，包括寄存器、計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器、水溫初始值、設(shè)備狀態(tài)的設(shè)定等。主程序完成所有的邏輯控制、模擬量調(diào)節(jié)、工藝參數(shù)檢測(cè)、報(bào)警等，包括所有泵的啟停、閥的開(kāi)啟關(guān)閉、聯(lián)鎖控制、工件運(yùn)動(dòng)、熱芯棒運(yùn)動(dòng)、水箱溫度控制等。復(fù)位程序?qū)ο嚓P(guān)寄存器、計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器等進(jìn)行復(fù)位。

觸摸屏的畫(huà)面程序采用三菱公司的GT Designer軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。從功能上分為開(kāi)機(jī)畫(huà)面、流程畫(huà)面、參數(shù)設(shè)置畫(huà)面和報(bào)警畫(huà)面。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，本文僅對(duì)液壓比例控制、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

2.1 液壓比例控制

2.1.1 比例控制技術(shù)簡(jiǎn)介

比例控制系統(tǒng)是使用比例控制元件的液壓系統(tǒng)。比例控制是實(shí)現(xiàn)元件或系統(tǒng)的被控制量（輸出）與控制量（輸入或指令）之間線(xiàn)性關(guān)系的技術(shù)手段，依靠這一手段要保證輸出量的大小按確定的比例隨著輸入量的變化而變化。比例控制元件采用的驅(qū)動(dòng)裝置為比例電磁鐵，驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵的控制裝置稱(chēng)為比例放大器。比例放大器是比例閥的控制和驅(qū)動(dòng)裝置，能夠根據(jù)比例閥的控制需要對(duì)控制電信號(hào)進(jìn)行處理、運(yùn)算和功率放大。

后處理設(shè)備中平臺(tái)的升降采用了比例控制技術(shù)，由伺服比例閥、比例放大器實(shí)現(xiàn)。通過(guò)電信號(hào)大小控制比例閥的換向及開(kāi)度，從而控制平臺(tái)的升降換向及速度控制。

2.1.2 硬件原理及選型

伺服比例閥選用了美國(guó)VIKERS品牌，型號(hào)為KSDG4V-3-96L-M-U1-H7-11，放置在液壓站；放大器型號(hào)為EEA-PAM-553-A-32，放置在控制柜中。伺服比例閥原理框圖如圖2所示。圖中，伺服比例閥放大器由24V直流電源供電。由使能信號(hào)決定放大器的工作狀態(tài)，該信號(hào)由PLC的DO模塊提供。由(-10～+10)V直流信號(hào)作為比例閥的開(kāi)度控制信號(hào)，該信號(hào)由PLC的DA模塊提供。根據(jù)相應(yīng)開(kāi)度要求，放大器輸出(1.7～3.2)A 直流信號(hào)驅(qū)動(dòng)至比例閥線(xiàn)圈，達(dá)到油口切換及不同開(kāi)度的目的，從而達(dá)到控制平臺(tái)升降方向及不同速度的要求。

2.1.3 軟件設(shè)計(jì)

平臺(tái)在上升啟動(dòng)、下降啟動(dòng)、上升停止、下降停止時(shí)，為實(shí)現(xiàn)緩沖以防止速度突變而產(chǎn)生的平臺(tái)抖動(dòng)、晃動(dòng)，在程序中編制了斜坡子程序。程序中使用了PLC的特殊功能，即脈沖輸出功能。每次脈沖上升沿輸出時(shí)，程序從上一次保持的信號(hào)值開(kāi)始，增加到本次信號(hào)值，再保持此值，等待下一次脈沖。此過(guò)程一直持續(xù)到該速度下對(duì)應(yīng)的信號(hào)值。在調(diào)試過(guò)程中，經(jīng)多次空載、載負(fù)載試驗(yàn)，確定各參數(shù)值為：脈沖輸出的頻度為125ms /次，每次變化100個(gè)字，在1s內(nèi)完成，速度字為800字。

由于比例閥的閥芯從保護(hù)位動(dòng)作至使能位有一定的時(shí)間（ms級(jí)），動(dòng)作變化會(huì)導(dǎo)致比例閥的流量特性不好，從而造成平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的沖擊、振動(dòng)。為補(bǔ)償比例閥的流量特性，在程序進(jìn)行了延時(shí)處理。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，確定延時(shí)時(shí)間為100ms。

在比例閥的調(diào)試過(guò)程中，進(jìn)行了零位調(diào)整。用調(diào)零電位器進(jìn)行零位調(diào)整的方法是在放大器使能、輸入信號(hào)為0V且電磁閥2得電時(shí)，調(diào)整放大器上的調(diào)零電位器，使平臺(tái)有上升運(yùn)動(dòng)，然后反向旋轉(zhuǎn)電位器，直到平臺(tái)剛好停止為止。在調(diào)整過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)調(diào)零電位器的調(diào)節(jié)范圍較小，達(dá)不到滿(mǎn)意的調(diào)整效果。因此采用了軟件調(diào)整的方法。在放大器使能、輸入信號(hào)為0V且電磁閥2得電時(shí)，此時(shí)平臺(tái)已有明顯的下降運(yùn)動(dòng)，在PLC程序中調(diào)整比例閥的給定信號(hào)，使平臺(tái)剛好停止下降為止。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，該零位值為322字（0.805V）。

以平臺(tái)上升為例，程序流程框圖如圖3所示。圖中，平臺(tái)油缸上升指令，首先給比例閥放大器使能信號(hào)，經(jīng)延時(shí)處理后，然后啟動(dòng)上升斜坡，同時(shí)上升電磁閥得電。油壓上升至額定值（5MPa）后，線(xiàn)性給出上升信號(hào)，使油缸上升。平臺(tái)油缸停止指令：首先啟動(dòng)下降斜坡下降電壓逐漸降為0，同時(shí)上升電磁閥失電，系統(tǒng)油壓為0Mpa，油缸停止運(yùn)動(dòng)。然后延時(shí)處理，斷開(kāi)使能信號(hào)，油缸鎖定。

實(shí)際效果表明，平臺(tái)無(wú)論在上升啟動(dòng)，還是在下降啟動(dòng)、上升停止、下降停止時(shí)及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，均平穩(wěn)、平滑，無(wú)抖動(dòng)、晃動(dòng)、沖擊、振動(dòng)。

2.2 CC-LINK現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信

2.2.1 通信鏈接

圖3 平臺(tái)上升程序框圖

主控PLC與遠(yuǎn)程控制PLC之間采用 CC–LINK（Control & Communication –Link）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行通信，物理介質(zhì)為雙絞線(xiàn)。主站在控制大廳，遠(yuǎn)程控制站在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)。CCLINK通訊鏈接圖如圖4所示。

在CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的應(yīng)用過(guò)程中，首先要進(jìn)行控制系統(tǒng)的通信初始化。Q系列PLC運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)方法實(shí)現(xiàn)通信初始化，即在GPPW軟件的網(wǎng)絡(luò)配置菜單中，設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和自動(dòng)刷新參數(shù)，遠(yuǎn)程I/O信號(hào)就可自動(dòng)刷新到CPU內(nèi)存，遠(yuǎn)程自動(dòng)設(shè)置CC-Link遠(yuǎn)程元件的初始參數(shù)。

圖4 CC-LINK通訊鏈接圖

2.2.2 通信參數(shù)設(shè)置

在系統(tǒng)通電前檢查各模塊的安裝情況、檢查輸入電壓、檢查CPU的各開(kāi)關(guān)狀態(tài)；設(shè)置各模塊的撥碼開(kāi)關(guān)，包括站號(hào)及傳送速度的設(shè)置。在硬件連接和各種設(shè)置無(wú)誤之后，就可用GPPW軟件進(jìn)行通信初始化參數(shù)的設(shè)置，包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和自動(dòng)刷新參數(shù)。在下拉菜單中的“網(wǎng)絡(luò)參數(shù)”注冊(cè)表格中正確創(chuàng)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和自動(dòng)刷新參數(shù)，然后把這些參數(shù)下載到PLC CPU。PLC系統(tǒng)通電或PLC CPU復(fù)位時(shí)，PLC CPU中的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)傳送到主站，CC-Link系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)并完成數(shù)據(jù)刷

新。由GPPW設(shè)置的CC-LINK網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如圖5所示。自動(dòng)刷新參數(shù)如圖6所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

控制系統(tǒng)采用了PLC、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、液壓比例控制等技術(shù)，對(duì)設(shè)備機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、熱工等各部分進(jìn)行控制，共同完成后處理功能。實(shí)際運(yùn)行表明，控制系統(tǒng)具有功能完善、性能可靠、操作方便、易于網(wǎng)絡(luò)化管理及設(shè)備擴(kuò)充等特點(diǎn)，具有一定的先進(jìn)性和推廣性。

圖5 CC-LINK網(wǎng)絡(luò)參數(shù)圖

圖6 自動(dòng)刷新參數(shù)圖

[1] 陳啟軍, 等.CC-LINK控制與通信總線(xiàn)原理及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社.2007.

[2] 陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京: 清華大學(xué)出版社.2006.

[3] 章宏甲, 等.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2000.