可編程序控制人機(jī)界面實(shí)訓(xùn)考核裝置

摘 要：本裝置由模擬冷凍冷藏庫(kù)（控制終端）和電氣控制系統(tǒng)兩大部分組成。冷凍冷藏庫(kù)選用一機(jī)兩庫(kù)，通過(guò)程序設(shè)置，可以實(shí)行雙庫(kù)運(yùn)行和a單庫(kù)運(yùn)行，可以提供五種模式選擇，即一冷藏一冷凍、兩冷藏、兩冷凍、一冷藏、一冷凍。相對(duì)于傳統(tǒng)的控制方式，本系統(tǒng)具備更好的靈活性和更加強(qiáng)大的控制功能，具有直觀、可操作性強(qiáng)、操作方便、故障維修易、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：可編程序控制 人機(jī)界面 變頻 實(shí)訓(xùn)考核裝置

1996年，國(guó)家頒布《職業(yè)教育法》，對(duì)高職院校的發(fā)展進(jìn)行了規(guī)范，要求高職院校大量培養(yǎng)應(yīng)用型、技能型人才，培養(yǎng)基層實(shí)用型人才，配合國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變，其中，自動(dòng)化控制技術(shù)的推廣是加速我國(guó)制造業(yè)升級(jí)的重要手段。然而，在教學(xué)中，實(shí)訓(xùn)設(shè)備很難滿足綜合項(xiàng)目的學(xué)習(xí)需要，例如能同時(shí)滿足下列要求的設(shè)備市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有：可編程序控制器的程序設(shè)計(jì)，可編程序控制器特殊功能模塊的使用，壓力傳感器、溫度傳感器的工作原理及運(yùn)用，變頻器的接線及調(diào)速控制，觸摸屏畫面的創(chuàng)建，PLC、變頻器、觸摸屏三者間的通信，計(jì)算機(jī)與PLC之間的通信及小型冷庫(kù)的制冷原理和控制系統(tǒng)。為此，筆者設(shè)計(jì)了一套以冷庫(kù)作為電氣控制終端的實(shí)訓(xùn)考核裝置。

一、可編程序控制人機(jī)界面實(shí)訓(xùn)考核裝置項(xiàng)目可行性研究

可編程序控制人機(jī)界面實(shí)訓(xùn)考核裝置是根據(jù)國(guó)家提出的“四新技術(shù)”要求來(lái)研發(fā)制作的，適合大專、高職高專、技工院校的制冷專業(yè)和電氣自動(dòng)化專業(yè)用于PLC、變頻器、觸摸屏的實(shí)訓(xùn)教學(xué)。針對(duì)本裝置的功用，主要對(duì)兩方面進(jìn)行了調(diào)研：一是PLC、觸摸屏、變頻器三者采用MODBUS-RTU協(xié)議進(jìn)行通信的冷凍冷藏教學(xué)裝置，市場(chǎng)上有沒(méi)有？二是小型冷庫(kù)采用二庫(kù)多模式運(yùn)行，市場(chǎng)上有沒(méi)有類似的產(chǎn)品？經(jīng)過(guò)多方查證，確認(rèn)本實(shí)訓(xùn)裝置在市場(chǎng)上尚未出現(xiàn)，設(shè)備具備原創(chuàng)性。對(duì)于市場(chǎng)上為什么沒(méi)有此類產(chǎn)品，經(jīng)分析主要有以下幾個(gè)原因。一是由于PLC、觸摸屏、變頻器價(jià)格比較貴，如果選用將會(huì)推高冷庫(kù)的生產(chǎn)成本；二是如果采用傳統(tǒng)的控制方法很難實(shí)現(xiàn)二庫(kù)多模式運(yùn)行。然而，隨著科技的不斷進(jìn)步，PLC、觸摸屏、變頻器已經(jīng)開始國(guó)產(chǎn)化，價(jià)格也將變得便宜，且將來(lái)必會(huì)更加低廉，而其智能化水平要比普通單片機(jī)更具優(yōu)勢(shì)，這就為設(shè)計(jì)小型冷庫(kù)提供了廣闊的發(fā)展空間。因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，滿足不同冷凍冷藏對(duì)象的需求，符合社會(huì)實(shí)際需要，又可以作為實(shí)訓(xùn)裝置推廣PLC、觸摸屏、變頻器的運(yùn)用技術(shù)，是一種有廣闊前景的新設(shè)備。

二、可編程序控制人機(jī)界面實(shí)訓(xùn)考核裝置項(xiàng)目的設(shè)計(jì)構(gòu)思

設(shè)計(jì)本裝置主要考慮兩個(gè)方面的用途，一是用來(lái)滿足實(shí)訓(xùn)教學(xué)需要，系統(tǒng)要運(yùn)用HMI、PLC、MD及多個(gè)功能模塊，使模擬冷凍冷藏庫(kù)在教學(xué)中有較多的知識(shí)性、實(shí)用性、穩(wěn)定性、可靠性；二是代表小型冷庫(kù)的一種設(shè)計(jì)理念，利用先進(jìn)的控制技術(shù)讓傳統(tǒng)的冷庫(kù)更具實(shí)用性。

1.HMI在系統(tǒng)中的應(yīng)用

HMI是人機(jī)界面，也稱觸摸屏，是觸摸式圖形顯示終端，它是一種人機(jī)信息交互裝置。在運(yùn)行中，參數(shù)可以進(jìn)行調(diào)整及修改，同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)觸摸屏做到人機(jī)交互。具體交互的主要內(nèi)容如下：運(yùn)行溫度的設(shè)定及調(diào)整；壓力傳感器信號(hào)反饋回來(lái)的參數(shù)設(shè)定及修改；高溫區(qū)的溫度、低溫區(qū)的溫度顯示及監(jiān)控；壓縮機(jī)電機(jī)的運(yùn)行頻率、電壓、電流的監(jiān)控及參數(shù)的修改；對(duì)每一控制元件可以點(diǎn)動(dòng)控制，方便設(shè)備的調(diào)試和檢測(cè)，并通過(guò)RS232通信進(jìn)行控制。HMI通過(guò)軟件可以直接解決多項(xiàng)點(diǎn)動(dòng)和手動(dòng)功能，方便了調(diào)試和單項(xiàng)控制元件的獨(dú)立試驗(yàn)，效果顯著，方便實(shí)用，是本系統(tǒng)控制的亮點(diǎn)之一。

HMI觸摸屏人機(jī)交互裝置要能完成以下實(shí)訓(xùn)教學(xué)：學(xué)生了解觸摸屏系統(tǒng)的配置、連線及參數(shù)設(shè)定，且通過(guò)本裝置設(shè)備的實(shí)訓(xùn)能掌握HMI軟件的使用、畫面創(chuàng)建、傳送等。

2.PLC控制器的應(yīng)用

PLC控制比傳統(tǒng)繼電器控制更可靠、方便，能根據(jù)項(xiàng)目工藝要求進(jìn)行控制。對(duì)HMI的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互處理，與A/D、D/A、PT信息交互，達(dá)到工藝要求。在維修上，根據(jù)I口的信息情況進(jìn)行故障診斷及排除。與傳統(tǒng)控制相比，PLC控制可大大縮短復(fù)雜的接線工藝及加快故障診斷，在軟元件監(jiān)控上給維修帶及時(shí)幫助，比過(guò)去的常規(guī)控制帶來(lái)更大的方便。在教學(xué)方面，PLC教學(xué)要求達(dá)到如下實(shí)訓(xùn)目的：學(xué)生能了解PLC在冷庫(kù)控制中的I/O、編程的應(yīng)用，掌握用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)的控制方法，了解運(yùn)用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)冷庫(kù)故障的檢測(cè)及維修。

3.功能模塊的應(yīng)用

系統(tǒng)中使用A/D、D/A、PT三種功能模塊，其主要作用是將模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量、數(shù)字量轉(zhuǎn)為模擬量的一個(gè)控制過(guò)程，解決了信號(hào)間的傳送及轉(zhuǎn)換問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了壓力信號(hào)的檢測(cè)、溫度信號(hào)的檢測(cè)和變頻信號(hào)控制的檢測(cè)等；且這些信號(hào)的檢測(cè)相精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強(qiáng)，控制信號(hào)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)極為方便，數(shù)據(jù)變化范圍較寬，數(shù)據(jù)處理和反饋信號(hào)控制處理極為快速。這是傳統(tǒng)控制方法難以實(shí)現(xiàn)的，這是本系統(tǒng)控制的亮點(diǎn)之二。

4.MD變頻器的應(yīng)用

冷庫(kù)壓縮機(jī)電機(jī)容量是按照最大熱交換量來(lái)設(shè)計(jì)的，由于季節(jié)、晝夜溫度的變化及冷庫(kù)庫(kù)存量的變化，很多時(shí)間熱交換量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，而熱交換量的大小是由壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速所控制的。電機(jī)的耗電量決定于其輸出功率，輸出功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比P∝n3，所以電機(jī)的轉(zhuǎn)速稍有下降，輸出功率將大幅下降。若電機(jī)的轉(zhuǎn)速能根據(jù)實(shí)際所需的熱交換量來(lái)調(diào)整，電機(jī)的功耗將大大減小，從而達(dá)到節(jié)能的效果。所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用MD變頻調(diào)速技術(shù)，可通過(guò)頻率調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到壓縮機(jī)正常工作要求和平衡熱負(fù)荷所需的制冷量，從而達(dá)到冷庫(kù)恒溫和節(jié)能的目的。另外，變頻器能較好地解決壓縮機(jī)的軟啟動(dòng)問(wèn)題，運(yùn)行上升頻率時(shí)間可設(shè)定在5秒以內(nèi)，能快速在30Hz～60Hz內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，大大改善了啟動(dòng)性能，減少電流在啟動(dòng)上的沖擊，并與PLC、D/A結(jié)合組成PID閉環(huán)控制，使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、自動(dòng)化程度高。以上三者間的關(guān)系如圖1。

圖1 計(jì)算機(jī)、觸摸屏、PLC、變頻器通信聯(lián)結(jié)圖

5.制冷工作原理

制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、干燥過(guò)濾器、毛細(xì)管、蒸發(fā)器、氣液分離器和電磁閥、壓力調(diào)節(jié)閥等輔助設(shè)備組成。制冷劑選用R22，壓縮機(jī)吸入低溫低壓的R22氣體，經(jīng)過(guò)壓縮變成高溫高壓的R22氣體，進(jìn)入冷凝器放出熱量變成R22液體，經(jīng)過(guò)干燥過(guò)濾器，除去制冷劑中的固體雜質(zhì)和混入的少量水分，經(jīng)分流裝置，可以通過(guò)毛細(xì)管分別進(jìn)入兩蒸發(fā)器，制冷劑R22劇烈沸騰，蒸發(fā)溫度可低至-30℃，從而迅速吸收庫(kù)內(nèi)熱量，R22液體變成氣體后流經(jīng)氣液分離器回到壓縮機(jī)，進(jìn)入下一循環(huán)，如此反復(fù)達(dá)到制冷的目的。具體制冷循環(huán)圖如圖2。

6.兩庫(kù)多模式運(yùn)行

利用電磁閥的不同組合（表1），實(shí)現(xiàn)兩庫(kù)多模式運(yùn)行，制冷系統(tǒng)如圖2。

當(dāng)電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3、電磁閥4、電磁閥5同時(shí)投入使用時(shí)，只要通過(guò)觸摸屏選擇，可以實(shí)現(xiàn)（一）、（二）、（三）三種不同的模式選擇。當(dāng)電磁閥1、電磁閥2、電磁閥4投入使用，電磁閥3、電磁閥5不使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)模式（四）運(yùn)行。當(dāng)電磁閥1、電磁閥3、電磁閥5投入使用，電磁閥2、電磁閥4不使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)模式（五）運(yùn)行。

三、可編程序控制人機(jī)界面實(shí)訓(xùn)考核裝置電路控制設(shè)計(jì)圖

可編程序控制人機(jī)界面實(shí)訓(xùn)考核裝置相關(guān)的電路控制設(shè)計(jì)圖，見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

四、可編程序控制人機(jī)界面實(shí)訓(xùn)考核裝置的特點(diǎn)

可編程序控制人機(jī)界面實(shí)訓(xùn)考核裝置具有四大特點(diǎn)。一是設(shè)計(jì)新穎，選用小型冷庫(kù)作為控制終端，PLC、觸摸屏與變頻器采用MODBUS-RTU協(xié)議進(jìn)行三方通信，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)此類實(shí)訓(xùn)裝置空白。二是利用程序控制，通過(guò)改變制冷劑循環(huán)的不同路徑和改變庫(kù)溫設(shè)置，做到二庫(kù)五種模式運(yùn)行，代表了未來(lái)小型冷庫(kù)的設(shè)計(jì)方向。三是通過(guò)觸摸屏可以進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，監(jiān)控冷庫(kù)的運(yùn)行工況，操作方便。四是利用變頻器的調(diào)速功能，實(shí)現(xiàn)快速制冷和節(jié)能，符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保要求。