PLC與組態(tài)軟件的超高壓水射流發(fā)生裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吉欣欣，王仲民，鄧三鵬，齊永健

（1．天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)電工程研究所，天津300222；2．天津市通潔高壓泵制造有限公司，天津300385）

0 引言

1 超高壓水射流發(fā)生裝置的構(gòu)成

超高壓水射流發(fā)生裝置是一種把水加壓到一定范圍內(nèi)，給各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)（噴槍、噴頭、各式二維和三維旋轉(zhuǎn)噴頭等）提供高壓水的一種裝置［3］，它由供水接口、油水冷熱交換器、油壓開(kāi)關(guān)、高壓柱塞泵、連軸器、電動(dòng)機(jī)、電氣控制柜、氣動(dòng)控制柜、安全溢流閥、壓力表、安全閥座、水壓開(kāi)關(guān)、精過(guò)濾器、溫度傳感器和粗過(guò)濾器等零部件組成。該裝置是高壓水射流技術(shù)中的核心設(shè)備，其工作的安全性、可靠性及穩(wěn)定性對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)有著非常關(guān)鍵的作用。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用普通微型計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，選用西門子S7-300PLC［4］作為下位機(jī)。PLC不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，還要與上位機(jī)進(jìn)行通訊，接受各種控制指令。上位機(jī)用于進(jìn)行工作方式選擇、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)控以及報(bào)警信息反饋等，整體控制系統(tǒng)如圖1所示。PLC選用S7-300中的CPU315-DP，其自帶的DP和MPI接口方便對(duì)其進(jìn)行編程調(diào)試及與裝有MCGS的PC進(jìn)行以太網(wǎng)通信。傳感器信號(hào)及電磁閥控制共需8個(gè)AI和12點(diǎn)DI和9點(diǎn)DO，其余變量均選用軟件編程中的位儲(chǔ)器本系統(tǒng)選用AI8×12Bit、DI16×DC24 V和DO16×DC24 V 3個(gè)輸入輸出模塊。

圖1 超高壓水射流裝置控制

2．1 PLC與上位機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用工業(yè)以太網(wǎng)［5-6］進(jìn)行了通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)SCALANCE X005建立的。下位機(jī)端的PLC裝有CPU315-DP模塊，通過(guò)通訊處理器模塊CP343-1建立至網(wǎng)絡(luò)的連接。使用以太網(wǎng)時(shí)，首先利用ISO協(xié)議下載了組態(tài)的硬件信息，設(shè)置PG／PC接口，利用編程軟件組態(tài)CPU343-1設(shè)置MAC地址，選擇使用ISO協(xié)議并設(shè)置IP地址，用HWConfig軟件通過(guò)CP343-1下載組態(tài)信息。PLC通訊口的設(shè)置：子網(wǎng)以太網(wǎng)地址為192．168．0．1；上位機(jī)地址設(shè)置為192．168．0．2；路由器地址為192．168．0．3。通信選用標(biāo)準(zhǔn)的二線屏蔽雙絞線通信電纜和專用RJ45接頭，采用直通連接。主站與從站地址必須惟一，同時(shí)要保證軟件組態(tài)地址與硬件實(shí)際地址一致。如果更改硬件或位置變換時(shí)，需重新組態(tài)，否則將造成通信錯(cuò)誤。上位機(jī)中，MCGS利用西門子設(shè)備中的CP443-1以太網(wǎng)與S7-300建立通信。設(shè)置本地IP為192．168．0．2，遠(yuǎn)程IP為192．168．0．1，最小采樣周期設(shè)為200。打開(kāi)設(shè)備調(diào)試，若通信值為0，表明通信成功。

2．2 PLC的I／O分配與程序設(shè)計(jì)

西門子S7-300系列PLC具有豐富的編程指令及庫(kù)指令，可采用梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）和指令表（STL）等基本編程語(yǔ)言或高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程，該編程軟件可方便地在 Windows環(huán)境下對(duì)PLC編程、調(diào)試和監(jiān)控［7］。在PLC編程中，控制程序的I／O分配表如表1所示。主程序OB1調(diào)用自動(dòng)控制程序FC1、手動(dòng)控制程序FC2、報(bào)警程序FC3和模擬量處理程序FB1，如圖2所示。

表1 PLC的I／O分配表

圖2 主程序OB1

手動(dòng)程序用于設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)；自動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)裝置的自動(dòng)化控制；報(bào)警程序定義了超高壓泵頭處的油溫油壓、出水口水壓、進(jìn)水口水壓、電機(jī)過(guò)載和過(guò)濾器堵塞等報(bào)警信息，及斷電重新使能時(shí)報(bào)警程序；模擬量處理程序FB1采用西門子庫(kù)中Standard Library／TI-S7 Converting Blocks 中 的FC105，以泵頭處油壓為例，其程序?yàn)椋?/p>

A M8．0

＝ L0．0

BLD 103

一系列的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，大口井運(yùn)用一定時(shí)間后，會(huì)有不同程度的淤塞，從而出水量會(huì)大大降低。眾多水文地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)通過(guò)大量的理論探討和工作時(shí)間證明：大口徑輻射井技術(shù)可以用于增加單井出水量。大口井輻射井是以傳統(tǒng)的大口井為基礎(chǔ)，在井下部的井筒中增加了多個(gè)集水管，并將其整個(gè)徑向延伸到蓄水層中，使地下水流入集水管中并最終進(jìn)入取水井中。

CALL“Read Analog Value 464-2”

IN：＝PIW256

HI_LIM：＝1．000000e＋000

LO_LIM：＝0．000000e＋000

BIPOLAR：＝L0．0

RET_VAL：＝MW12

OUT：＝DB1．DBD2

NOP 0

利用OB100完成系統(tǒng)的初始化，通過(guò)OB82，OB86，OB122對(duì)調(diào)用SFC20來(lái)判斷通信錯(cuò)誤出現(xiàn)的位置。以O(shè)B86為例，其程序?yàn)椋?/p>

CALL“BLKMOV”SFC20

SRCBLK：＝P＃L0．0BYTE 20

RET_VAL：MW90

DSTBLK：DB86

3 MCGS監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

在上位機(jī)中利用MCGS嵌入式組態(tài)軟件設(shè)計(jì)組態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)控。組態(tài)系統(tǒng)包括主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和用戶策略等5部分［8］。圖3是監(jiān)控系統(tǒng)的主界面，為用戶窗口中的主窗口，設(shè)計(jì)步驟為：在“用戶窗口”中點(diǎn)擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口0”，又單擊“窗口屬性”，進(jìn)入“用戶窗口屬性設(shè)置”，將名稱置為“超高壓水射流發(fā)生裝置監(jiān)控界面”。雙擊“超高壓水射流發(fā)生裝置監(jiān)控界面”窗口進(jìn)入主界面中，利用工具箱或自創(chuàng)元件，分別進(jìn)行組態(tài)屬性設(shè)置、單元屬性設(shè)置和標(biāo)準(zhǔn)按鈕構(gòu)件屬性設(shè)置等，并建立界面圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)變量之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作和監(jiān)控。其他畫(huà)面如參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)操作、用戶管理、歷史曲線和報(bào)警顯示的功能依照主界面的設(shè)計(jì)進(jìn)行組態(tài)，最終完成組態(tài)主界面的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

討論了基于PLC和組態(tài)軟件MCGS的超高壓水射流發(fā)生裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)畫(huà)顯示等功能，有效提高了超高壓水射流技術(shù)的自動(dòng)化水平。PLC充分發(fā)揮了其配置靈活、控制可靠、編程方便和可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，MCGS充分發(fā)揮了實(shí)時(shí)監(jiān)控、安全可靠、操作簡(jiǎn)單方便和結(jié)構(gòu)清晰等優(yōu)點(diǎn)，保證了該裝置的高效性、安全性與可靠性。

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