基于電氣控制回路和PLC的水池自動排水系統(tǒng)設(shè)計

隋安方

摘 要：利用西門子S7-300可編程控制器編寫的一個水池液位控制系統(tǒng)，把WinCC作為人機對話界面，檢驗和操作PLC控制系統(tǒng)的運行，另外現(xiàn)場配置按鈕控制箱，方便現(xiàn)場進行手動啟停抽水泵。實踐證明，PLC可遍程控制器和電氣控制回路結(jié)合有利于工業(yè)水池液位的設(shè)計、檢測和維護，具有良好的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：PLC；氣動隔膜泵；S7-300編程軟件；WinCC

中圖分類號：TN873 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0008-02

1 系統(tǒng)設(shè)計背景

在我廠CP工段，原料需要加熱至200 ℃以上的高溫在擠出機中成型，再經(jīng)過水冷等環(huán)節(jié)使之冷卻。我公司采用的是水冷槽進行冷卻料條，該方法從生產(chǎn)出料到冷卻切粒，無論是控制料條還是高溫設(shè)備的冷卻當(dāng)中都需要大量的循環(huán)冷卻水。循環(huán)水如果無法按時排出，所造成的損失是非常嚴重的，停產(chǎn)是必然的，工廠里大量的高溫設(shè)備也將在頃刻間變成一堆廢鐵，后果不堪設(shè)想。

我公司生產(chǎn)線原循環(huán)回水池一直是靠人工控制水位，由于工人的疏忽出過幾次事故，因抽干燒壞了幾臺泵，而且控制效果不是很理想。為了有效控制循環(huán)水的排出，保證安全、高效生產(chǎn)，我和廠內(nèi)相關(guān)人員合作共同對該環(huán)節(jié)進行了技術(shù)創(chuàng)新，水位自動控制裝置包括PLC和人機界面WinCC，這兩種都是西門子的產(chǎn)品，兼容性較好。

此裝置可以根據(jù)使用者的要求，自動控制水池中水位的高低，當(dāng)水位高于預(yù)先設(shè)定水位時，水位控制裝置會自動啟動抽水泵進行排水，降到一定的水位后，抽水泵停止排水。另外，吸取教訓(xùn)，將電動抽水泵改為氣動隔膜泵，可以有效地避免因抽空對泵的損壞，而且安全防爆。

2 PLC與WinCC的結(jié)合運用的意義

隨著PLC的發(fā)展，越來越多的產(chǎn)品已離不開它。PLC有可靠性高、體積小、功能強、程序設(shè)計簡單、靈活通用、維護方便等一系列優(yōu)點，在制造、冶金、能源、交通、化工、電力等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。PLC能使現(xiàn)在產(chǎn)品向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化和開放性等方向發(fā)展，使其更具有安全、實用等特性。WinCC人機界面的出現(xiàn)使西門子的PLC系統(tǒng)又上了一個新的臺階，它不僅可以監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行情況并以數(shù)據(jù)、曲線、圖形、動畫等各種形式來反映PLC內(nèi)部位狀態(tài)，存儲器數(shù)值，從而直觀反應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)的流程、走向。而且通過人機界面操作可以改變PLC內(nèi)部位狀態(tài)和存儲器數(shù)值，從而參與過程控制。

工業(yè)控制自動化技術(shù)作為21世紀現(xiàn)代制造領(lǐng)域中最重要的技術(shù)之一，主要解決生產(chǎn)效率與一致性問題。雖然自動化系統(tǒng)本身并不直接創(chuàng)造效益，但它對企業(yè)生產(chǎn)過程有明顯的提升作用。大力發(fā)展工業(yè)自動化是加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造提升、提高企業(yè)整體素質(zhì)、提高國家整體國力、調(diào)整工業(yè)結(jié)構(gòu)、迅速搞活大中型企業(yè)的有效途徑和手段。

3 設(shè)計理念

整改該液位控制具體分下面三步進行：

①將現(xiàn)場水位通過浮球開關(guān)信號值接入PLC系統(tǒng)DI模塊，邏輯運算后輸出，啟停電磁閥，電磁閥控制氣路的通斷，進而驅(qū)動氣動隔膜泵的啟停。

②組態(tài)方面：運用PLC系統(tǒng)梯形圖以達到自動跟蹤控制目的，在電腦WinCC人機界面加設(shè)一水位高低報警顯示及控制狀態(tài)界面。

③根據(jù)工藝提供參數(shù)，對現(xiàn)場浮球開關(guān)進行固定位置，保證能夠在適當(dāng)?shù)臅r候啟停抽水泵。

經(jīng)過反復(fù)的參數(shù)調(diào)整調(diào)試后，控制已達預(yù)期效果，于是很快地就切換投入使用。但在正常運行了將近一個月，意想不到的事情發(fā)生了，中控室操作員向我們反映水位失控，我立即到現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)水池已滿正向外溢水而泵卻未運行。后來查出原因是由于浮球液位開關(guān)卡住失靈，導(dǎo)致無信號輸出而系統(tǒng)只能誤認為是低水位而停止輸出，但是由于現(xiàn)場與控制室之間距離較遠，去控制室手動操作就無法看到現(xiàn)場狀況，這樣就造成了檢修上的困擾，而且極易造成水池抽空對泵體造成損害，這主要是由于當(dāng)時設(shè)計時沒有考慮到這一點而遺留隱患，針對這項疏漏，我又在水池邊裝設(shè)了現(xiàn)場操作按鈕箱。當(dāng)液位控制器因故障無法投自動時，我們可以現(xiàn)場根據(jù)實際情況進行操作。加設(shè)這項保護可以預(yù)防當(dāng)液位浮球開關(guān)實際水位信號中斷或錯亂，其液位都可控制在所限制超高/超低水位范圍內(nèi)，避免水池抽干或溢水事故。

4 液位控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 電氣控制回路的設(shè)計

液位控制的電氣圖如圖1所示。

VALUE：為氣動隔膜泵的氣源控制電磁閥，選型為24VDC供電，現(xiàn)場安裝有按鈕箱。

KA1：中間繼電器，在控制回路中起到自鎖的功能。

START：現(xiàn)場的啟動按鈕，需在手動狀態(tài)時有效。

STOP：停止按鈕，需在動狀態(tài)時有效。

KM1：主接觸器，選一組常開觸點控制電磁閥電源通斷，另選一組常開和常閉觸點控制啟停信號燈的指示。

AUTO/MAN：現(xiàn)場手自動切換按鈕，自動狀態(tài)下，能夠?qū)崿F(xiàn)無人操作自動控制電磁閥通斷，從而實現(xiàn)氣動隔膜泵的啟動停止。

4.2 PLC在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在這套控制系統(tǒng)中，PLC主要是采集現(xiàn)場生產(chǎn)信息，及時向人機界面?zhèn)魉透黝惿a(chǎn)狀態(tài)和數(shù)據(jù)如：高低液位開關(guān)的狀態(tài)、氣動隔膜泵控制電磁閥的狀態(tài)、各部件的傳感信號，使人機界面能以生動形象的動畫形式及時顯示出來，PLC根據(jù)程序運行結(jié)果和發(fā)布的指令來控制現(xiàn)場設(shè)備。繪制梯形圖如圖2所示。

圖中：

I0.0：代表現(xiàn)場按鈕箱就地/遠程旋鈕的狀態(tài)；

I0.1：代表人機界面上手自動切換按鈕的狀態(tài)；

I0.2：代表人機界面上手動狀態(tài)下啟停按鈕的狀態(tài)；

I0.3：代表現(xiàn)場的水池液位下限浮球開關(guān)狀態(tài)；

I0.4：代表現(xiàn)場的水池液位上限浮球開關(guān)狀態(tài)。

4.3 WinCC人機畫面的制作采用

使用SIMATIC WinCC Explorer編輯工具軟件完成此次畫面的制作。鑒于此系統(tǒng)為CP工段中的一個部分，所以在不改動原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新加一個畫面，如圖3所示。

在畫面中設(shè)計了手動和自動選擇開關(guān)，用于選擇在此畫面上手動操作，還是投入自動讓PLC控制現(xiàn)場隔膜泵自動啟停：手動停止和手動啟動兩個按鈕在投到手動才可以使用；高、低液位是顯示報警狀態(tài)，能夠直觀反映出現(xiàn)場水池液位情況。

5 結(jié) 語

在整個設(shè)計過程中，此次畢業(yè)設(shè)計先后經(jīng)歷了五個階段，查找分析階段，總體設(shè)計階段，詳細設(shè)計階段，編程實現(xiàn)階段和程序調(diào)試階段，最終完成了一個基本實用的水池液位控制系統(tǒng)。通過這次畢業(yè)設(shè)計，受益匪淺，從中明白了許多道理，學(xué)到了很多新東西，為今后的工作打下了基礎(chǔ)。更重要的是，懂得了以前學(xué)習(xí)的東西還不夠，還要不斷的認真學(xué)習(xí)新知識，還有很多地方需要提高，并要在實際工作中不斷實踐，不斷提高設(shè)計和編程的能力，逐步彌補不足，以適應(yīng)時代發(fā)展的要求。采用電氣回路和PLC的雙控制系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，性價比很高，和其他系統(tǒng)相比具有極高的可靠性。經(jīng)現(xiàn)場使用考驗，性能穩(wěn)定，運行可靠。另外，還可以根據(jù)實際需要很方便地進行擴展。程序稍作修改，就可以滿足用戶不同的控制要求，對于現(xiàn)代工業(yè)控制及民生工程，控制系統(tǒng)還可以通過通訊模塊納入到整個監(jiān)控系統(tǒng)之中，體現(xiàn)出極大的靈活性和適應(yīng)性，具有很好的實際推廣價值。

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