基于MCGS的四種容器化學(xué)反應(yīng)池的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹智龍 九江職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

引言：化學(xué)反應(yīng)池的控制，往往涉及到有毒有害化學(xué)物質(zhì)，因此其控制過(guò)程就需要高精度高自動(dòng)化。而可編程邏輯控制方式（即，PLC）是目前應(yīng)用較為廣泛的一種成熟的工業(yè)控制技術(shù)。在本文中，將應(yīng)用PLC技術(shù)進(jìn)行某化學(xué)反應(yīng)池的程序設(shè)計(jì)，并且用上位組態(tài)軟件MCGS將其仿真模擬出來(lái)，在無(wú)害低成本的工況下，完成了某化學(xué)反應(yīng)池的程序控制設(shè)計(jì)。

1 控制要求

本系統(tǒng)是由四個(gè)容器組成的化學(xué)反應(yīng)的裝置。每個(gè)容器都裝有最低位和最高位液位傳感器，用來(lái)檢測(cè)容器內(nèi)液體的高度，對(duì)應(yīng)狀態(tài)為空和滿。將下限位傳感器的狀態(tài)調(diào)至容器為空時(shí)為1的高電平信號(hào)。2#容器還帶有加熱器和溫控器，溫控器的工作原理為當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值時(shí)對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)動(dòng)作，故為開(kāi)關(guān)量。3#容器帶有攪拌器。當(dāng)有液體進(jìn)入3#反應(yīng)池時(shí)，開(kāi)啟攪拌器進(jìn)行攪拌。 3#、4#容器的體積可以裝滿1#和2#混合液體。

動(dòng)作過(guò)程：按下啟動(dòng)按鈕后，進(jìn)料泵P1和進(jìn)料泵P2打開(kāi)，分別進(jìn)液體到1#和2#容器，當(dāng)兩個(gè)容器的上限位檢測(cè)到已滿信號(hào)時(shí)關(guān)閉進(jìn)料泵P1和P2；當(dāng)P2關(guān)閉時(shí)加熱器開(kāi)始加熱，當(dāng)溫度到達(dá)60°時(shí)打開(kāi)出料泵P3和P4，開(kāi)始放液體到3#容器；同時(shí)3#容器攪拌器開(kāi)始攪拌，60S后停止攪拌；當(dāng)3#容器滿或者1#或2#容器空，且攪拌完成時(shí)打開(kāi)泵P5，開(kāi)始將混合液體抽到4#產(chǎn)品池；當(dāng)3#容器空或者4#容器滿時(shí)打開(kāi)泵P6，將最終的產(chǎn)品抽到儲(chǔ)蓄池進(jìn)行儲(chǔ)存。按下啟動(dòng)按鈕，重新開(kāi)始循環(huán)。

2 PLC程序設(shè)計(jì)

2.1 分配I/O分配表

根據(jù)控制過(guò)程，本系統(tǒng)包括10個(gè)輸入量8個(gè)輸出量。地址分配表如下：?jiǎn)?dòng)按鈕、1#容器滿、1#容器空、2#容器滿、2#容器空、3#容器滿、3#容器空、4#容器滿、4#容器空、溫度傳感信號(hào)的地址對(duì)應(yīng)I0.0-I1.1，泵1接觸器、泵2接觸器、泵3接觸器、泵4接觸器、泵5接觸器、泵6接觸器、加熱器、攪拌器地址對(duì)應(yīng)Q0.0-Q0.7。

2.2 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-200系列的PLC作為控制器，選用CPU226型24個(gè)輸入和16個(gè)輸出的PLC基本單元模塊。對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如果用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法去，對(duì)編程者的編程水平要求比較高，輸出有8個(gè)量，動(dòng)作復(fù)雜。一般對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)線的編程方式采用順序控制法思路更清晰，編程更簡(jiǎn)單。順序控制法對(duì)于教復(fù)雜的控制線畫(huà)出順序功能圖，再轉(zhuǎn)換成程序。而從功能圖到程序有特定的結(jié)構(gòu)直接套用即可。根據(jù)控制要求順序功圖如圖2所示。

本設(shè)計(jì)的順序功能圖為并行結(jié)構(gòu)，即滿足一個(gè)條件時(shí)同時(shí)要做的事情，但動(dòng)作過(guò)程和條件又不一樣，采用并行結(jié)構(gòu)。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕I0.0時(shí)泵1和泵2閥都打開(kāi)，但對(duì)于1#容器和2#容器集滿液體的時(shí)間不一樣，故要分別用各自的液位上限作為停止進(jìn)液體的條件。待兩個(gè)泵都關(guān)閉時(shí)再轉(zhuǎn)到下一步；當(dāng)溫度達(dá)到60度時(shí)又出現(xiàn)并行結(jié)構(gòu)。1#容器和2#容易放液體到3#容器，放空的時(shí)間不一致，同時(shí)60S時(shí)間的攪拌，三個(gè)條件都滿足時(shí)才轉(zhuǎn)到下一步。

編程思路如下：

一開(kāi)始上電時(shí)，將S0.0初始步置位。執(zhí)行S0.0這一步的動(dòng)作。M0.0和M0.1表示所有的輸出動(dòng)作都為0，即都不動(dòng)作時(shí)，并且4#容器為空即I1.0為1時(shí)按下啟動(dòng)按鈕I0.0，轉(zhuǎn)到S0.1和S0.2這兩步；S0.1和S0.2分別接通泵1和泵2，進(jìn)液體到1#和2#容器，分別放滿時(shí)轉(zhuǎn)到下一步 S2.0 和 S2.1；當(dāng) S2.0 和 S2.1 都接通時(shí)將 S0.3接通；S0.3這一步完成加熱動(dòng)作，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)轉(zhuǎn)到S0.4，S0.5，S0.6這三步。S0.4為打開(kāi)泵3將液體從1#容器放至3#容器，當(dāng)3#容器滿或者1#容器空時(shí)轉(zhuǎn)到下一步S2.2；S0.5為打開(kāi)泵4將液體從2#容器放至3#容器，當(dāng)3#容器滿或者2#容器空時(shí)轉(zhuǎn)到下一步S2.3；S0.6為開(kāi)始攪拌，60S時(shí)間到后轉(zhuǎn)到下一步S2.4；當(dāng)S2.2，S2.3和 S2.4這三步同時(shí)為1時(shí)接通 S0.7步；S0.7步開(kāi)啟泵5將3#容器的液體抽至4#產(chǎn)品池，當(dāng)3#容器空或者4#容器滿時(shí)轉(zhuǎn)到下一步S1.0；S1.0步開(kāi)啟泵6將4#產(chǎn)品池的液體抽空，4#空后轉(zhuǎn)移到初始步，下一次再按啟動(dòng)按鈕便開(kāi)始循環(huán)。

圖1 順序功能圖

圖5 上位組態(tài)界面

3 上位組態(tài)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)要求上位組態(tài)達(dá)到實(shí)時(shí)顯示各個(gè)輸出動(dòng)作的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和液體流動(dòng)的效果以及液位上升下降的效果。選用北京昆侖通泰MCGS上位組態(tài)軟件進(jìn)行上位設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)上位組態(tài)要達(dá)到的效果是當(dāng)水泵1打開(kāi)時(shí)，流動(dòng)快有水流顯示，且水罐1的液位動(dòng)態(tài)上升，同樣當(dāng)水泵2打開(kāi)時(shí)，流動(dòng)快有水流顯示，且水罐2的液位動(dòng)態(tài)上升；當(dāng)液位滿后水泵1和2自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)溫度到達(dá)后水泵3和水泵4自動(dòng)打開(kāi)，且流動(dòng)快有水流顯示；同樣當(dāng)泵5或泵6打開(kāi)時(shí)流動(dòng)快有水流顯示。

3.1 變量定義

新建工程，選擇對(duì)應(yīng)的觸摸屏類(lèi)型，如果不用觸摸屏，則隨便選擇一種TPC的類(lèi)型即可。確定后進(jìn)入組態(tài)畫(huà)面。

（1）進(jìn)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，先定義本設(shè)計(jì)所需要的變量。根據(jù)控制需要定義以下7個(gè)開(kāi)關(guān)型變量：6個(gè)泵和溫度檢測(cè)；另外還要定義2個(gè)數(shù)值型變量：液位1，液位2，用來(lái)做液位顯示。

（2）設(shè)備組態(tài)

選擇PPI通訊，通訊設(shè)置將串口COM2改為COM1，其他選擇默認(rèn)值。進(jìn)入設(shè)備組態(tài)變量定義畫(huà)面，添加Q0.0-Q0.5、I1.1共7個(gè)位地址。將泵1到泵6分別對(duì)應(yīng)Q0.0-Q0.5，溫度檢測(cè)對(duì)應(yīng)I1.1。而數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的2個(gè)數(shù)值量只是為了做液位動(dòng)畫(huà)效果，不對(duì)應(yīng)實(shí)際的設(shè)備，故不需要在設(shè)備組態(tài)中定義實(shí)際地址與之對(duì)應(yīng)。

3.2 界面設(shè)計(jì)

點(diǎn)擊用戶窗口，新建一個(gè)窗口命名為“化學(xué)反應(yīng)池點(diǎn)擊用戶窗口”，打開(kāi)繪圖工具箱，分別繪制4種容器 ，管道以及水泵，放置在合適的位置，生產(chǎn)的窗口效果圖如圖5所示。

（1）定義元件操作屬性

6個(gè)泵各自對(duì)應(yīng)每個(gè)泵的變量；流動(dòng)快的流動(dòng)屬性中表達(dá)式對(duì)應(yīng)其泵的變量；1#容器和2#容器的液位動(dòng)畫(huà)效果的定義如下：鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊水罐1，選擇排列菜單中的分解圖符，將藍(lán)色液位顯示的圖塊（如圖1所示中）分解出來(lái)，再對(duì)其雙擊勾選“大小變化”屬性，在其屬性設(shè)置中將最小變化百分比0，對(duì)應(yīng)表達(dá)式的值為0，最大變化百分比100，對(duì)應(yīng)表達(dá)式的值為10。

（2）腳本程序

根據(jù)液位的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)效果，設(shè)計(jì)的腳本程序如下：

if 泵1=1 and 液位1＜10 then 液位1=液位1+1

endif

if 泵2=1 and 液位2＜10 then 液位2=液位2+1

endif

if 溫度檢測(cè)=1 and 泵3=1 and 液位1＞0 then液位1=液位1-1

endif

if 溫度檢測(cè)=1 and 泵4=1 and 液位2＞0 then液位2=液位2-1

endif

循環(huán)時(shí)間默認(rèn)為1000ms，即腳本程序執(zhí)行一次需要1s鐘。根據(jù)屬性設(shè)置我們將液位上升分成了10次，即每1S鐘上升十分之一，效果不好，不連貫。因此將循環(huán)時(shí)間改為100ms，對(duì)應(yīng)1S鐘液位從空上升到滿，視覺(jué)效果連貫。如果覺(jué)得液位上升過(guò)快，可以將最大變化百分比對(duì)應(yīng)的表達(dá)式的值改的更大一些，比如100，根據(jù)腳本程序液位表達(dá)式的值執(zhí)行一次程序加1，需要10S鐘液位上升完畢。修改液位上升速度的方法有三種：一是改循環(huán)時(shí)間，二是改表達(dá)式的最大值，三是改腳本里的“液位1=液位1+1”這條程序，將加1改大一些。

4 結(jié)束語(yǔ)

上位組態(tài)界面設(shè)計(jì)越來(lái)越被重視，通過(guò)上位組態(tài)可以更好地監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，同時(shí)畫(huà)面美觀，動(dòng)畫(huà)效果形象。PLC與上位組態(tài)的聯(lián)機(jī)調(diào)試實(shí)現(xiàn)容易，在實(shí)訓(xùn)室便可以進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，調(diào)試結(jié)果可直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)用價(jià)值高，值得推廣。