《電子技術應用》
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PLC在真空預冷實驗裝置中的應用
左志強,陳兒同,王 艷,張 華
摘要: 食品工業的飛速發展帶動了真空預冷技術的快速發展。以西門子公司的S7—200型PLC為例,介紹了PLC在真空預冷試驗臺中的應用。實驗證明,PLC在真空預冷實驗裝置中安全可靠、經濟實用、操作維護方便、自動化程度高,可滿足試驗要求。
關鍵詞: PLC|PAC PLC S7—200 siemens
Abstract:
Key words :

  摘  要: 食品工業的飛速發展帶動了真空預冷技術的快速發展。以西門子公司的S7—200型PLC" title="PLC">PLC為例,介紹了PLC在真空預冷試驗臺中的應用。實驗證明,PLC在真空預冷實驗裝置中安全可靠、經濟實用、操作維護方便、自動化程度高,可滿足試驗要求。
  關鍵詞: 可編程序控制器;通信;真空預冷;實驗研究

   真空預冷就是在真空條件下,使水在真空室內以較低的溫度迅速蒸發,水在蒸發過程中需吸收大量的熱量,在沒有外界熱源的情況下,便會在真空室內產生制冷效果。真空預冷實驗裝置根據此原理設計開發,用于蔬菜、鮮花、瓜果保鮮的研究[1-2]。
  PLC即可編程控制器,是專為工業環境下的應用而設計的一種數字運算操作的電子裝置,它在制冷 行業中被越來越廣泛地應用。
1 PLC的特點
  PLC是以嵌入式CPU為核心,輔以輸入、輸出等模塊,可以方便地用于工業控制領域的裝置。PLC具有以下幾個顯著的特點:
  (1)可靠性好,平均無故障時間可高達5萬~10萬小時以上;(2)功能完善,目前的PLC幾乎可以完成所有的工業控制任務;(3)編程簡單,類似繼電器控制系統圖的梯形圖語言,非常容易被技術人員掌握;(4)在線編程,當PLC聯網后,可以在網絡的任一位置對PLC編程;(5)由于采用模塊化的結構,易安裝。
  另外PLC還有體積小、重量輕、功耗低、價格越來越便宜的優點。PLC的用途主要有取代繼電器控制、過程控制、位置、速度控制、數據監控、組成分散控制系統等。
  西門子公司的S7-200PLC系統是緊湊型可編程控制器。系統的硬件構架由構成系統的CPU模塊和豐富的擴展模塊組成。S7-200除具有PLC基本的控制功能外,還具有功能強大的指令集、豐富強大的通信功能、編程軟件的易用性等特點[2]。
2  真空預冷試驗裝置控制要求
  真空預冷試驗裝置主要由制冷系統、真空系統和測控系統組成,食品降溫在真空室內實現[3]。實驗臺在啟動時須先啟動制冷系統,當制冷系統中補水器盤管的溫度達到實驗要求的溫度時,便開啟真空泵。實驗過程中需要的實驗數據有:實驗樣品的溫度、重量;真空室的真空度、溫度;制冷系統盤管溫度;各個用電設備的電壓、電流、功率等。實驗過程中試驗者能夠對試驗樣品實時監控。
3 PLC在真空試驗臺中的應用
3.1  西門子PLC的CPU及模塊的選型和控制系統設計

  真空預冷試驗臺是一個單位控制系統,本系統沒有特殊的控制功能,因此使用一臺PLC就可以滿足需要。食品真空冷卻過程中,要檢測溫度(8個)、壓力(1個)、重量(1個)等信號,要對水泵、制冷機和真空泵進行控制。裝置要求最少10個輸入、3個輸出,要求CPU可連接擴展至少3個模塊,因此,選定CPU型號為CPU224。因為要控制真空泵和制冷機需要有較大的電壓和電流進行驅動,而繼電器能夠承載所用設備。所以,CPU的 輸出類型選用繼電器輸出。
  測溫元件為T型熱電偶,本文采用S7-200系統的EM231TC測量模塊進行測溫過程的信號轉換。EM231TC是熱電偶輸入模塊,4輸入通道。裝置測溫點位為8個,因此需要引入2個熱電偶模塊[4]。
  裝置要進行壓力和重量的檢測,本試驗臺選用EM235模擬量混合模塊4通道電流/電壓輸入、1通道電流/電壓輸出。該模塊能夠實現信號轉換和輸出功能。
  檢測系統的功率和能耗等選用青島青智儀器有限公司生產的8775A型數字電參量測量儀,該儀器利用數字采樣技術對信號進行分析處理,并擴展了RS485串行口,還帶有并行口,可以與計算機連接通信。
  根據實驗的控制要求,設計了系統的控制原理圖,如圖1所示,圖中 K1、K2、K3為繼電器,PLC通過繼電器來控制水泵(M)、制冷機(N)、真空泵(P)。來自壓力傳感器的電流信號,通過并聯一個5Ω電阻分壓將信號傳至EM235模擬量擴展模塊;來自重量傳感器的電壓信號,與EM235模擬量擴展模塊連接。


3.2  電源校核計算
  所有的S7-200CPU都有內部電源,為CPU和擴展模塊以及其他用電設備提供5 V、24 V直流電源。但是如果系統擴展模塊和設備用電量超出了CPU所提供的5  V或24 V電源的供電能力,則需要增加一個外部電源進行供電。
  根據上面所選的CPU及擴展模塊,可以計算系統電源需求量如表1所示。
 

 

 

  電源的供電能力為:5 VDC/660 mA和24 VDC/280 mA,通過計算可知,CPU內部電源可以滿足CPU及各模塊的需求。
3.3  系統的軟件設計
3.3.1界面設計

  試驗臺用西門子公司的Step7語言編寫PLC端的通信和控制程序, 在PC端用VB6.0實現串行通信的控制和監控界面的顯示。圖2所示為顯示與控制界面。

 


3.3.2  通信及通信協議設計
  本試驗臺采用自由口(FreePort)通信方式,由用戶定義通信協議,實現PLC與外設的通信。這種方式不需要增加投資,有較好的靈活性,適合小規模控制系統。西門子公司提供的PC/PPI電纜帶有RS232/RS485電平轉換器,可以很方便地將PLC和PC機互聯[5]。
  自由口通信協議通過用戶程序可以控制S7-200CPU通信口的操作模式。利用自由口模式,可以實現用戶自定義的通信協議連接多種智能設備。在自由口模式下,通信完全由用戶程序控制。計算機作為主站,可以實現對PLC從站寄存器的讀寫操作。計算機通過COM口發送指令到PLC的PORTO口,PLC通過RCV接收指令,再對指令譯碼后實現指令要求的操作。用戶程序通過使用接收中斷、發送中斷、發送指令(XMT)和接收指令(RCV)控制通信口的操作。                  
3.3.3  PLC通信程序設計
  根據裝置和模塊的特點,系統要檢測8個溫度值、1個壓力值和1個重量值。S7-200PLC的3個模擬量擴展模塊分別完成各傳感器回送信號的預處理工作,然后由CPU將處理過的信號傳到發送緩沖區,如圖3所示。在先前進行的內存分配工作中,已經劃定VB199以后的若干字節為發送緩沖區。

 

  程序下載后,利用上位機的串口調試軟件,可以檢測到PLC將送到上位機的信息,此時已初步實現了PC-PLC自由通信。但這些信息是以字節的形式反映出來的,還不能輕易識別,要將它們轉化成易懂實用的數據,還需要進行上位機編程。
3.3.4  PC通信程序編制
  系統要實現溫度、壓力、重量等信號的實時采集,上位機必須實現與PLC、電參量測量儀的通信。PC機與各儀器的通信流程圖如圖4所示。

 

  在VB中,MScomm控件是串行通信控件,它提供很多操作方便的屬性和方法,可以很方便地實現通信。使用MScomm控件主要是通過事件來處理串行口的交互,即當數據到達時,控件的OnComm的事件就會來捕獲或處理這些通信事件。而OnComm事件也可以用來捕獲和處理通信錯誤。在實際應用中,一個MScomm控件就對應一個串行口,所以如果要處理多個串行口的話,必須有相應數量的控件與之對應。在本系統中要用到2個串行口,與之對應的要有2個MScomm控件。
3.3.5  PLC控制程序設計
  本系統程序采用順序功能圖進行編制,而且西門子公司專為用戶提供了功能圖編程設計的指令。在PLC的程序編制過程中,還要充分考慮裝置的控制特性:真空冷卻過程中要先開啟水泵M0、開啟制冷機M1,然后是真空泵M2,最后依照實驗要求依次關閉真空泵、制冷機和水泵;另外從節能的角度考慮,當溫度值達到足夠低時可以關閉制冷機以減少裝置能耗。本系統應能設置不同的工況,保證裝置能按既定的方案運行。圖5和圖6所示為裝置操作示意圖和功能圖。通過程序編制,裝置能夠在線檢測溫度、壓力、功率、功率因數、能耗等相關模擬量。


    本文介紹了PLC在真空預冷試驗臺中的數據采集與控制,詳細地介紹了PLC的選型計算和程序編寫過程。首次將PLC用于真空預冷設備,在程序中設置了自動和手動操作、數據的自動保存、電腦的實時監控等功能。通過試驗證明,將PLC用于真空預冷實驗裝置,具有抗干擾能力強及其安全可靠的特點,使整個真空預冷實驗系統都得到了優化。
參考文獻
[1] 韓志, 謝晶. 真空預冷實驗機的數據采集系統與實驗研究[J]. 農產品加工報,2006(3):17-19.
[2] 殷洪義. 可編程序控制器選擇設計與維護[M]. 北京:機械工業出版社,2004:174-233.
[3] 周冰, 陳兒同, 徐波,等. 真空冷卻中的氣體溫度變化特性研究[J]. 制冷學報, 2006,27(6):18-23.
[4] 蔡軍, 曹慧英. 基于PLC的溫控系統設計與研究[J].微計算機信息,2007(2-1):26-28. 
[5] 吳超群, 吳昌林. PC機與PLC之問的通訊在工業控制中的應用[J].機床與液壓,2004(1).

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