楊振宇

(中國(guó)地質(zhì)工程集團(tuán)公司，北京 100093)

基于PLC的攪拌機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊振宇

(中國(guó)地質(zhì)工程集團(tuán)公司，北京 100093)

針對(duì)傳統(tǒng)的繼電器控制攪拌機(jī)控制功能單一以及操作復(fù)雜的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)以西門子PLC200為控制核心的攪拌機(jī)控制系統(tǒng)，并完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)。硬件主要包括PLC供電電路、溫度檢測(cè)電路、PLC控制器電路以及報(bào)警電路。檢測(cè)表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速設(shè)置、溫度檢測(cè)與報(bào)警顯示功能。

西門子PLC200；電機(jī)；變頻器MM420；溫度檢測(cè)

0 引言

攪拌機(jī)系統(tǒng)是在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)，它在國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程中以及提高生產(chǎn)效率方面有不可替代的地位[1-2]。例如，在沒(méi)有攪拌機(jī)系統(tǒng)的情況下，對(duì)于建筑行業(yè)、化工行業(yè)等生產(chǎn)用料需求量大的領(lǐng)域，舊式的人工攪拌生產(chǎn)用料的方式很大程度上限制了生產(chǎn)效率，嚴(yán)重浪費(fèi)人力資源，此外對(duì)于惡劣的工作環(huán)境，攪拌機(jī)系統(tǒng)是最佳的物料攪拌設(shè)備。正是基于以上原因，本文設(shè)計(jì)了基于西門子PLC200的攪拌機(jī)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物料的加熱和攪拌控制， 具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 攪拌機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

基于PLC的攪拌機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖1所示，圖1中整個(gè)系統(tǒng)以S7-200為控制核心，通過(guò)PPI電纜直接連接文本顯示器TD400C，通過(guò)輸入輸出電路的繼電器或者按鈕控制開(kāi)閉蓋電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制變頻器設(shè)置攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速[3-4]。從圖1中可以看出，控制核心與溫度檢測(cè)、輸入輸出電路、文本顯示和變頻器部分都是雙向連接，其中溫度檢測(cè)部分負(fù)責(zé)采集信號(hào)，做簡(jiǎn)單的處理，然后把信號(hào)傳遞給控制核心處理；作為轉(zhuǎn)速設(shè)定之用的變頻器，則是完全通過(guò)控制核心對(duì)其進(jìn)行編程設(shè)定其參數(shù)；文本顯示部分則是提供系統(tǒng)操作的可視化界面，在文本顯示器上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定、電機(jī)開(kāi)閉等功能；輸入輸出電路則是直接連接控制核心S7-200的輸入輸出端口，通過(guò)一些按鈕開(kāi)關(guān)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制電源電路設(shè)計(jì)

控制電源電路設(shè)計(jì)如圖2所示。該電路取220 V交流電，經(jīng)過(guò)一路開(kāi)關(guān)電源處理轉(zhuǎn)變?yōu)?4 V直流電壓，經(jīng)過(guò)一個(gè)斷路器送至控制核心S7-200，使其正常工作。其中1路開(kāi)關(guān)電源的型號(hào)為N70-24，此種型號(hào)開(kāi)關(guān)電源能接受100～260 V的輸入電壓，輸出電壓為DC 24 V，功率為70 W，輸出電壓精度為10%。N70-24的優(yōu)點(diǎn)包括：價(jià)格低、可靠性高、效率高，自冷散熱工作時(shí)溫度低，體積小、重量輕，交流輸入轉(zhuǎn)換由開(kāi)關(guān)選擇，有過(guò)流短路保護(hù)功能，100%滿負(fù)荷燒機(jī)測(cè)試等，廣泛運(yùn)用于工控自動(dòng)化、通信、儀器儀表等領(lǐng)域。此外，由N70-24變換出來(lái)DC 24 V還可提供給輸入輸出端口。控制電源電路設(shè)計(jì)考慮到線路安全問(wèn)題，線路中還采用了2P斷路器作為過(guò)流情況的保護(hù)措施，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流的不正常電器狀況時(shí)，斷路器會(huì)自動(dòng)切斷線路，直至線路問(wèn)題被處理好，才能被手動(dòng)合上。

圖2 控制電源電路設(shè)計(jì)

2.2 電機(jī)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)電路如圖3所示，該電路主要控制開(kāi)蓋閉蓋功能的電機(jī)，該電機(jī)有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種運(yùn)行狀態(tài)。圖3中左邊部分是電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路圖，右邊部分是加熱器電路部分。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)是通過(guò)改變?nèi)嚯娏鞯南嘈驅(qū)崿F(xiàn)的。電機(jī)的外殼與地相連，起到抗干擾的作用。在此電機(jī)電路中，電機(jī)額定功率為120 W，轉(zhuǎn)速為1 400 r/min；電路中的斷路器和熱繼電器也是用來(lái)為在電機(jī)和加熱棒出現(xiàn)異常運(yùn)行狀況時(shí)進(jìn)行保護(hù)而設(shè)計(jì)的。

圖3 電機(jī)電路設(shè)計(jì)

2.3 PLC控制電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)控制核心S7-200電路圖如圖4所示。該電路核心是CPU224XP晶體管類型，采用開(kāi)關(guān)電源變送的DC 24 V作為其供電電源，輸入輸出端口則是通過(guò)總線的方式連接至輸入輸出模塊，通過(guò)PPI通信電纜連接文本顯示器TD400C。其中CPU224XP具有14個(gè)數(shù)字量輸入端口，10個(gè)數(shù)字量輸出端口，最大輸入輸出數(shù)字I/O點(diǎn)分別為114個(gè)和110個(gè)，4個(gè)中斷輸入，具有2個(gè)200 kHz和4個(gè)30 kHz高速計(jì)數(shù)器。圖4中左上部則是測(cè)溫電路的信號(hào)采集隔離部分，該部分由DC 24 V提供電源，通過(guò)1，2，3三個(gè)端口檢測(cè)PT100上的電流變化情況，最大輸出電壓為DC 10 V，由端口4，5連接至CPU224XP處理。圖4中左下部分是文本顯示器TD400C，TD設(shè)備是一種低成本的人機(jī)界面，使操作人員能夠與應(yīng)用程序進(jìn)行交互[5]，而TD400C為背光液晶顯示器，分辨率為192×64，是一個(gè)2行(大體字)或4行(小體字)的文本顯示設(shè)備，它可以通過(guò)PPI電纜從CPU224XP獲得供電，也可以由單獨(dú)電源進(jìn)行供電，本文的設(shè)計(jì)是采用前種供電方式[5-6]。

圖4 PLC控制電路設(shè)計(jì)

2.4 變頻器MM420電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)變頻器電路如圖5所示。MM420變頻器用來(lái)控制攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由S7-200編程控制，運(yùn)行輸出端口連接至控制核心。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運(yùn)行可靠性，對(duì)其進(jìn)行編程，則可以實(shí)現(xiàn)其功能的多樣性，其脈沖寬度調(diào)制的開(kāi)關(guān)頻率是可選的，因而由開(kāi)關(guān)頻率引起的噪聲可以極大地降低，內(nèi)部設(shè)計(jì)的保護(hù)措施為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了良好的保護(hù)。圖5中的MM420采用典型的由三相電供電的連接模式，MM420的供電線路也采用了斷路器進(jìn)行保護(hù)。此外，電路地線要與電動(dòng)機(jī)外殼、電源的地線相連接，起抗干擾的作用。

圖5 變頻器MM420電路設(shè)計(jì)

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖6 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)原理框圖

本系統(tǒng)軟件部分采用PLC常用編程語(yǔ)言—梯形圖編程實(shí)現(xiàn)，將整個(gè)軟件部分分割成小模塊進(jìn)行編程，然后把小模塊連接起來(lái)，完成本控制系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖6所示。圖6中的5個(gè)程序塊都通過(guò)雙向箭頭連接至主函數(shù)程序塊，主程序初始化程序塊是對(duì)電機(jī)、文本顯示器、報(bào)警信號(hào)燈進(jìn)行初始化處理。除主函數(shù)初始化程序塊之外，其余5個(gè)程序塊是相互聯(lián)系的，例如，攪拌電機(jī)程序塊運(yùn)行時(shí)要檢測(cè)是否合蓋，如果沒(méi)有合蓋還要調(diào)用開(kāi)蓋電機(jī)程序塊進(jìn)行合蓋處理，但是在圖中5個(gè)模塊之間的調(diào)用關(guān)系并沒(méi)有直接顯示出來(lái)，可以看成是通過(guò)主函數(shù)初始化程序塊間接聯(lián)系起來(lái)的。

圖7 軟件流程圖

本系統(tǒng)的軟件流程圖如圖7所示[7-8]。根據(jù)PLC對(duì)梯形圖的分條掃描執(zhí)行特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)功能繪制出該流程圖。當(dāng)控制系統(tǒng)開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行初始化處理，等待初始化脈沖SM0.1輸入，然后調(diào)用顯示屏程序塊，即啟動(dòng)文本顯示器TD400C，通過(guò)人機(jī)交互界面進(jìn)行開(kāi)閉蓋和攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速等的設(shè)置。從圖7中容易看出，整個(gè)系統(tǒng)軟件可以分為6個(gè)程序塊。這6個(gè)程序塊是相互聯(lián)系的，但是所實(shí)現(xiàn)的功能有所不同。其中主函數(shù)初始化程序塊的作用是在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)自檢，讀取各個(gè)端口的初始狀態(tài)，為后續(xù)程序提供必要參數(shù)。顯示屏程序塊由TD400C構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)較復(fù)雜的人機(jī)交互操作界面的顯示，如轉(zhuǎn)速設(shè)定。攪拌電機(jī)程序塊主要是由變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制功能。開(kāi)蓋電機(jī)程序塊主要是控制開(kāi)蓋合蓋動(dòng)作，但是會(huì)受很多外界條件所限制，如是否有物料，是否有啟動(dòng)脈沖。加熱程序塊由PT100和信號(hào)隔離處理模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)物料進(jìn)行加熱。報(bào)警程序塊主要通過(guò)LED燈提示電機(jī)、加熱等部件的運(yùn)行狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在經(jīng)過(guò)硬件和軟件設(shè)計(jì)后，基于PLC的攪拌機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)物硬件圖包括電機(jī)連線實(shí)物圖、PLC控制電路連線實(shí)物圖以及變頻器MM420連線實(shí)物圖。連接好硬件電路后運(yùn)行軟件就能得到攪拌機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果，如圖8所示。測(cè)試結(jié)果能夠顯示4個(gè)參數(shù)量：物料溫度設(shè)置值、物料溫度當(dāng)前值、頻率當(dāng)前值及運(yùn)行時(shí)間當(dāng)前值。其中物料溫度設(shè)定值設(shè)置為51℃，測(cè)溫模塊測(cè)定值為25℃，當(dāng)前頻率值為28 Hz，通過(guò)該頻率值控制攪拌機(jī)的攪拌速度，系統(tǒng)最小運(yùn)行時(shí)間為1 min。因此通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以了解整個(gè)攪拌機(jī)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了以PLC S7-200為控制核心的攪拌機(jī)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制、轉(zhuǎn)速設(shè)置、溫度檢測(cè)與報(bào)警顯示功能。詳細(xì)地闡述了硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)攪拌機(jī)的控制功能。該攪拌機(jī)控制系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、控制界面直觀、操作簡(jiǎn)潔方便的特點(diǎn)，具有良好的人機(jī)交互性能。

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The design and implementation of control system for blender based on PLC

Yang Zhenyu

(China Geo-Engineering Corporation, Beijing 100093, China)

In view of the shortcomings of traditional relay control that its function is single and operation of the mixer control is complex, the paper designs a mixer control system with Siemens PLC200 as the control core, and completes the design of hardware and software circuit. The hardware mainly includes PLC power supply circuit, temperature detection circuit, PLC controller circuit, and alarm circuit. The system was detected, and the results show that this system can realize the motor reversing, speed setting, temperature detection and alarm display function.

Siemens PLC200; motor; frequency converter MM420; temperature measurement

TM46

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.001

楊振宇.基于PLC的攪拌機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(4)：1-3.

2016-10-20)