基于PLC和現場總線的后處理設備控制系統設計

馮 梅，鮑延年

（中國工程物理研究院 化工材料研究所，綿陽 621900）

0 引言

后處理設備由我單位自行研制，其作用是通過逐層冷卻或熱芯棒加熱方式，達到提高產品內部質量，加快后處理過程的目的。該設備是典型的機電一體化系統，其控制系統以PLC和現場總線為核心，對設備機械、液壓、氣動、熱工等各部分進行控制，共同完成后處理功能。

1 控制系統總體結構設計

1.1 工藝描述及要求

設備的機械結構主要包括升降平臺、加熱水箱、拉桿、立柱、移動架和位移傳感器。液壓系統驅動平臺運動和熱芯棒運動，主要包括液壓泵、平臺油缸、熱芯棒油缸、液壓電磁閥和液壓比例閥。氣動系統驅動保溫罩運動，主要包括空壓機、氣缸、氣路三聯件和氣動閥。熱工系統對后處理水箱和保溫漏斗進行加熱，主要包括蒸汽盤管、電動調節閥、電磁閥、溫度傳感器和液位傳感器。

控制系統對水箱溫度、入口蒸汽溫度、保溫罩溫度、熱芯棒溫度、水箱液位、平臺位置、液壓站入出口油壓、壓縮空氣壓力等信號進行檢測并實時顯示。按程序自動控制各調節閥的開度，包括水箱進汽電動調節閥、液壓站比例閥等；各電磁閥的開、閉，包括水箱進汽閥、進冷水閥、排水閥，以及液壓站、氣動站各控制閥等；各泵的啟、停，包括冷水循環泵、液壓泵等。按設定溫度對水溫進行自動升溫、怛溫控制。按設定水位對水箱進行自動進水、排水控制。按程序自動控制平臺升降高度、停留時間；熱芯棒升降高度、停留時間。

1.2 控制系統結構

控制系統以PLC及現場總線為核心。PLC完成各種邏輯控制功能。設備各部分的控制系統與主控PLC之間采用CC–LINK（Control &Communication –Link）現場總線網絡結構。PLC設主站和遠程控制站，主站在控制大廳，遠程控制站在設備現場，主站和遠程控制站之間由CCLINK進行通訊。遠程控制站包括后處理、液壓、氣動和熱工站。主PLC完成邏輯運算、數學運算、報警處理、輸入參數收集及發出控制指令。遠程PLC完成開關量、模擬量輸入信號的采集，接受主PLC指令完成對各執行元件的控制。控制系統結構框圖如圖1所示。

1.3 硬件配置

設計中采用三菱公司的Q系列PLC，此類型PLC比同類型產品具有靈活的系統配置。Q系列PLC采用順控專用處理器、高速總線傳輸功能和事件中斷功能，可確保靈活的響應系統所需的高性能和高速度。

CPU能力是PLC最重要的性能指標，也是機型選擇時首要考慮的問題。在本系統中，輸入點數包括溫度、壓力、流量、位移和液位及其需要聯鎖報警的輸入信號、閥位反饋信號、液壓泵等電機的運行/操作信號和手/自動切換的狀態信號等；輸出點數包括需控制的操縱變量，如電磁閥、泵和電機的啟動/停止信號，顯示燈驅動信號等。控制系統的遠程站和主站的控制點數規模為：共有115個I/O點， 15個A/D點。因此，系統選取用Q02-HCPU。

圖1 控制系統結構框圖

根據系統輸入、輸出點數及通訊要求，其它模塊配置包括： 電源模塊Q61P-A2、內存卡Q2MEM-2MBF、CC-LINK 通信模塊 QJ61BT11、以太網通信模塊QJ71E71-100、輸入模塊QX40-S1、輸出模塊QY10 、D/A轉換模塊Q64DAI、主基板Q312B、遠程I/0模塊AJ65BTB2-32DR、遠程I/0模塊AJ65BTB2-16D、遠程AD模塊AJ65BT-64ADV、遠程DA模塊AJ65BT-64DAI。

1.4 軟件設計

PLC程序采用三菱公司的GX Dexeloper 軟件進行設計。從功能上分為初始化程序、主程序、復位程序等。初始化程序完成系統的初始化設定，包括寄存器、計數器、計時器、水溫初始值、設備狀態的設定等。主程序完成所有的邏輯控制、模擬量調節、工藝參數檢測、報警等，包括所有泵的啟停、閥的開啟關閉、聯鎖控制、工件運動、熱芯棒運動、水箱溫度控制等。復位程序對相關寄存器、計數器、計時器等進行復位。

觸摸屏的畫面程序采用三菱公司的GT Designer軟件進行設計。從功能上分為開機畫面、流程畫面、參數設置畫面和報警畫面。

2 控制系統設計

由于控制系統比較復雜，本文僅對液壓比例控制、現場總線網絡通信進行詳細的闡述。

2.1 液壓比例控制

2.1.1 比例控制技術簡介

比例控制系統是使用比例控制元件的液壓系統。比例控制是實現元件或系統的被控制量（輸出）與控制量（輸入或指令）之間線性關系的技術手段，依靠這一手段要保證輸出量的大小按確定的比例隨著輸入量的變化而變化。比例控制元件采用的驅動裝置為比例電磁鐵，驅動比例電磁鐵的控制裝置稱為比例放大器。比例放大器是比例閥的控制和驅動裝置，能夠根據比例閥的控制需要對控制電信號進行處理、運算和功率放大。

后處理設備中平臺的升降采用了比例控制技術，由伺服比例閥、比例放大器實現。通過電信號大小控制比例閥的換向及開度，從而控制平臺的升降換向及速度控制。

2.1.2 硬件原理及選型

伺服比例閥選用了美國VIKERS品牌，型號為KSDG4V-3-96L-M-U1-H7-11，放置在液壓站；放大器型號為EEA-PAM-553-A-32，放置在控制柜中。伺服比例閥原理框圖如圖2所示。圖中，伺服比例閥放大器由24V直流電源供電。由使能信號決定放大器的工作狀態，該信號由PLC的DO模塊提供。由(-10～+10)V直流信號作為比例閥的開度控制信號，該信號由PLC的DA模塊提供。根據相應開度要求，放大器輸出(1.7～3.2)A 直流信號驅動至比例閥線圈，達到油口切換及不同開度的目的，從而達到控制平臺升降方向及不同速度的要求。

2.1.3 軟件設計

平臺在上升啟動、下降啟動、上升停止、下降停止時，為實現緩沖以防止速度突變而產生的平臺抖動、晃動，在程序中編制了斜坡子程序。程序中使用了PLC的特殊功能，即脈沖輸出功能。每次脈沖上升沿輸出時，程序從上一次保持的信號值開始，增加到本次信號值，再保持此值，等待下一次脈沖。此過程一直持續到該速度下對應的信號值。在調試過程中，經多次空載、載負載試驗，確定各參數值為：脈沖輸出的頻度為125ms /次，每次變化100個字，在1s內完成，速度字為800字。

由于比例閥的閥芯從保護位動作至使能位有一定的時間（ms級），動作變化會導致比例閥的流量特性不好，從而造成平臺運動的沖擊、振動。為補償比例閥的流量特性，在程序進行了延時處理。經反復試驗，確定延時時間為100ms。

在比例閥的調試過程中，進行了零位調整。用調零電位器進行零位調整的方法是在放大器使能、輸入信號為0V且電磁閥2得電時，調整放大器上的調零電位器，使平臺有上升運動，然后反向旋轉電位器，直到平臺剛好停止為止。在調整過程中，發現調零電位器的調節范圍較小，達不到滿意的調整效果。因此采用了軟件調整的方法。在放大器使能、輸入信號為0V且電磁閥2得電時，此時平臺已有明顯的下降運動，在PLC程序中調整比例閥的給定信號，使平臺剛好停止下降為止。經反復試驗，該零位值為322字（0.805V）。

以平臺上升為例，程序流程框圖如圖3所示。圖中，平臺油缸上升指令，首先給比例閥放大器使能信號，經延時處理后，然后啟動上升斜坡，同時上升電磁閥得電。油壓上升至額定值（5MPa）后，線性給出上升信號，使油缸上升。平臺油缸停止指令：首先啟動下降斜坡下降電壓逐漸降為0，同時上升電磁閥失電，系統油壓為0Mpa，油缸停止運動。然后延時處理，斷開使能信號，油缸鎖定。

實際效果表明，平臺無論在上升啟動，還是在下降啟動、上升停止、下降停止時及運動過程中，均平穩、平滑，無抖動、晃動、沖擊、振動。

2.2 CC-LINK現場總線通信

2.2.1 通信鏈接

圖3 平臺上升程序框圖

主控PLC與遠程控制PLC之間采用 CC–LINK（Control & Communication –Link）現場總線網絡結構進行通信，物理介質為雙絞線。主站在控制大廳，遠程控制站在設備現場。CCLINK通訊鏈接圖如圖4所示。

在CC-Link現場總線的應用過程中，首先要進行控制系統的通信初始化。Q系列PLC運用網絡參數方法實現通信初始化，即在GPPW軟件的網絡配置菜單中，設置相應的網絡參數和自動刷新參數，遠程I/O信號就可自動刷新到CPU內存，遠程自動設置CC-Link遠程元件的初始參數。

圖4 CC-LINK通訊鏈接圖

2.2.2 通信參數設置

在系統通電前檢查各模塊的安裝情況、檢查輸入電壓、檢查CPU的各開關狀態；設置各模塊的撥碼開關，包括站號及傳送速度的設置。在硬件連接和各種設置無誤之后，就可用GPPW軟件進行通信初始化參數的設置，包括網絡參數和自動刷新參數。在下拉菜單中的“網絡參數”注冊表格中正確創建相應的網絡參數和自動刷新參數，然后把這些參數下載到PLC CPU。PLC系統通電或PLC CPU復位時，PLC CPU中的網絡參數傳送到主站，CC-Link系統自動啟動并完成數據刷

新。由GPPW設置的CC-LINK網絡參數如圖5所示。自動刷新參數如圖6所示。

3 結束語

控制系統采用了PLC、現場總線、液壓比例控制等技術，對設備機械、液壓、氣動、熱工等各部分進行控制，共同完成后處理功能。實際運行表明，控制系統具有功能完善、性能可靠、操作方便、易于網絡化管理及設備擴充等特點，具有一定的先進性和推廣性。

圖5 CC-LINK網絡參數圖

圖6 自動刷新參數圖

[1] 陳啟軍, 等.CC-LINK控制與通信總線原理及應用[M].北京:清華大學出版社.2007.

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