全自動離心機(jī)的PLC控制

摘 要: 本文介紹了PLC的特點(diǎn)與工作原理，描述了離心機(jī)的發(fā)展過程及用途。基于PLC和變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計了三速全自動離心機(jī)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)料、脫液、洗滌、脫水、刮料五種狀態(tài)的全自動控制?；赑LC控制的離心機(jī)操作方便，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，本設(shè)計可用于工廠批量生產(chǎn)離心機(jī)，可以根據(jù)需求進(jìn)行產(chǎn)品升級，例如加入觸摸屏控制等。

關(guān)鍵詞: 全自動離心機(jī) PLC 變頻調(diào)速 自動控制

1.引言

1.1 PLC的定義

可編程控制器簡稱PLC(Programmable Logical Controller)，以微處理器為核心，綜合微機(jī)技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)、自動控制技術(shù)及通信技術(shù)而發(fā)展起來的工業(yè)自動化控制裝置[1]。國際電工委員會(IEC)于1987年頒布了其標(biāo)準(zhǔn)及定義:“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體，易于擴(kuò)充功能的原則而設(shè)計。”[2]

1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1.2.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)

可編程序控制器主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程裝置組成(見圖1)。

1.2.1.1 CPU模塊

CPU模塊主要由CPU芯片和存儲器組成，它進(jìn)行邏輯運(yùn)算及數(shù)學(xué)運(yùn)算，并協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器，用來存放系統(tǒng)編程程序及監(jiān)控運(yùn)行程序、用戶程序、邏輯及數(shù)學(xué)運(yùn)算的過程變量及其他所有信息。一般使用三種存儲器:隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、可電擦除的EPROM。

1.2.1.2 輸入模塊

輸入單元接口是PLC獲取控制現(xiàn)場信號的輸入通道，由濾波電路、光電隔離電路和輸入內(nèi)部電路組成，輸入模塊用來進(jìn)行輸入信號的隔離濾波和電平轉(zhuǎn)換。

1.2.1.3 輸出模塊

輸出接口電路由輸出鎖存器、電平轉(zhuǎn)換電路及輸出功率放大電路組成。PLC功率輸出電路有三種形式:繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出，輸出模塊用來對PLC的輸出信號進(jìn)行放大及電平轉(zhuǎn)換，驅(qū)動控制對象。

1.2.1.4 編程裝置

編程裝置的主要任務(wù)就是編輯程序、調(diào)試程序和監(jiān)控程序的執(zhí)行，還可以在線測試PLC的內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與PLC進(jìn)行人機(jī)對話。

1.2.2 PLC的工作原理

PLC系統(tǒng)通電后。首先進(jìn)行內(nèi)部處理，包括:①系統(tǒng)的初始化。設(shè)置堆棧指針，工作單元清零，初始化編程接口，設(shè)置工作狀態(tài)及工作指針等。②工作狀態(tài)選擇，如編程狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等。PLC有兩種工作模式，即RUN模式和STOP模式。PLC采用循環(huán)掃描工作方式，一次循環(huán)分為五個階段:內(nèi)部處理、通訊服務(wù)、輸入處理、程序執(zhí)行和輸出處理(見圖2)。當(dāng)PLC處于STOP模式時，只執(zhí)行內(nèi)部處理和通信服務(wù)階段，處于RUN模式時，還要完成其他3個階段的操作，為了使PLC的輸出及時地響應(yīng)可能隨時變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至PLC停機(jī)或切換到STOP模式。

PLC的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按步的序號排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行時，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的0，1狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果寫入到對應(yīng)的元件映像寄存器中。因此，各編程元件的映像寄存器(輸入映像寄存器除外)的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。

2.系統(tǒng)設(shè)計

2.1 離心機(jī)簡介

離心機(jī)是利用離心力，分離液體與固體顆粒或液體與液體的混合物中各組分的機(jī)械。下面分析下離心機(jī)的工作原理，首先看下物質(zhì)沉降原理。

如圖3，將一個密度為，體積為V的物質(zhì)粒放在密度為的液體中，根據(jù)物理學(xué)阿基米德定律，可得出物質(zhì)顆粒所受到的合力是F=ρVg-ρVg=(ρ-ρ)Vg (1)。

當(dāng)ρ-ρ>0時，F(xiàn)>0，物質(zhì)顆粒下沉;當(dāng)ρ-ρ=0時，F(xiàn)=0，物質(zhì)顆粒懸浮在等密度區(qū);當(dāng)ρ-ρ<0時，F(xiàn)<0，物質(zhì)顆粒上浮。離心機(jī)就是利用上述沉浮條件使得樣品溶液中的顆粒按其密度或形狀大小來分離，具體工作原理見圖4。

根據(jù)物理學(xué)勻速圓周定律，置于轉(zhuǎn)頭中離心管里的物質(zhì)顆粒收到的離心力是F=ma=mωr (2)。

物質(zhì)顆粒除了受離心力外還受到重力等，它們產(chǎn)生的合力迫使顆粒的沉降運(yùn)動，隨著離心機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，離心力的大小也不同，顆粒所受到的離心力也不斷變化，產(chǎn)生不同的運(yùn)動形態(tài)，不同的沉降速度。

離心機(jī)主要用于將懸浮液中的固體顆粒與液體分開;或?qū)⑷闈嵋褐袃煞N密度不同，又互不相溶的液體分開(例如從牛奶中分離出奶油);它也可用于排除濕固體中的液體，例如用洗衣機(jī)甩干濕衣服;特殊的超速管式分離機(jī)還可分離不同密度的氣體混合物;利用不同密度或粒度的固體顆粒在液體中沉降速度不同的特點(diǎn)，有的沉降離心機(jī)還可對固體顆粒按密度或粒度進(jìn)行分級。離心機(jī)大量應(yīng)用于化工、石油、食品、制藥、選礦、煤炭、水處理和船舶等部門。中國古代，人們用繩索的一端系住陶罐，手握繩索的另一端，旋轉(zhuǎn)甩動陶罐，產(chǎn)生離心力擠壓出陶罐中蜂蜜，這就是離心分離原理的早期應(yīng)用。

2.2設(shè)計任務(wù)

本次設(shè)計的離心機(jī)是全自動離心機(jī)，其進(jìn)料、脫液、洗滌、脫水、刮料五種狀態(tài)可由PLC實(shí)現(xiàn)全自動控制，離心機(jī)的三段速由變頻器提供，再經(jīng)過加速器的加速可使其轉(zhuǎn)速達(dá)到要求。本次設(shè)計離心機(jī)分為三種工作模式:手動、自動1、自動2。其中自動1為單次循環(huán)，主要用于試車(即檢驗一次循環(huán)能否成功，一般成功的話就直接調(diào)至自動2進(jìn)行生產(chǎn)工作)，自動2為多次循環(huán)操作，手動狀態(tài)則是用戶手動進(jìn)行上述工作狀態(tài)的操作。

2.3 控制要求

離心機(jī)運(yùn)行需要三種段速以滿足不同的運(yùn)行狀態(tài)。通過不同的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)不同的離心力，在不同的離心力狀態(tài)下完成不同的工作。為了節(jié)約成本，本次控制節(jié)省了觸摸屏，料位傳感器。各階段的運(yùn)行模式改由外部時間繼電器人工設(shè)定。時間到達(dá)自動進(jìn)入下一狀態(tài)。三段速分別為:5赫茲，25赫茲，50赫茲。通過變頻器的速率到達(dá)情況來判斷段速，相應(yīng)的段速對應(yīng)的功能由PLC來實(shí)現(xiàn)。潤滑泵為整個設(shè)備提供潤滑油，要求要單獨(dú)控制潤滑泵，和其他的觸點(diǎn)動作沒有任何關(guān)聯(lián)。離心機(jī)的運(yùn)行分為3種模式:手動、自動1、自動2。

手動:選擇開關(guān)打在手動位置，系統(tǒng)位于手動狀態(tài)。此時手動指示燈亮，啟動按鈕不起作用?？墒謩訂为?dú)操作進(jìn)料、脫液、洗滌、脫水、刮料五種狀態(tài)的運(yùn)行(各運(yùn)行狀態(tài)要求和自動模式1的要求相同)。當(dāng)一個狀態(tài)運(yùn)行時，按下另一狀態(tài)啟動按鈕，前一個狀態(tài)自動停止，運(yùn)行當(dāng)前狀態(tài)。無論哪個狀態(tài)在運(yùn)行，一旦按下復(fù)位按鈕后，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

自動1:選擇開關(guān)打在自動1位置，系統(tǒng)位于自動1狀態(tài)。此時自動指示燈亮，進(jìn)料，脫液，洗滌，脫水，刮料手動啟動按鈕無效。按下啟動按鈕，變頻器開始25赫茲段速啟動，啟動時間設(shè)為180秒，頻率到達(dá)25赫茲時，變頻器中速到達(dá)觸點(diǎn)動作，進(jìn)料電磁閥打開，開始進(jìn)料，進(jìn)料時間到，進(jìn)料電磁閥關(guān)閉，變頻器高速啟動。高速啟動的同時脫液狀態(tài)開始運(yùn)行，脫液時間結(jié)束，洗滌開始，脫液結(jié)束。洗滌時間到，脫水開始，洗滌結(jié)束。脫水時間到，變頻器段速啟動，脫水結(jié)束，進(jìn)入刮料狀態(tài)。變頻器停止時間設(shè)為180秒。當(dāng)變頻器到達(dá)5赫茲時，刀轉(zhuǎn)電磁閥動作，延時幾秒鐘后，刀上下電磁閥開始動作，刮料開始。刮料延時完成后，整個系統(tǒng)自動停止。

自動2:選擇開關(guān)打在自動2位置系統(tǒng)位于自動2狀態(tài)，所有動作同自動1相同。但是在最后刮料結(jié)束后，整個系統(tǒng)在變頻器停止后，又從進(jìn)料開始進(jìn)行下一輪運(yùn)行。如此往復(fù)循環(huán)，直到按下復(fù)位按鈕后，整個系統(tǒng)才停止運(yùn)行。

無論何種狀態(tài)按下急停按鈕后，整個系統(tǒng)所有設(shè)備停止運(yùn)行。

2.4 PLC類型的選取

本次設(shè)計選用了三菱FX1N系列的PLC，F(xiàn)X1N系列是功能很強(qiáng)大的微型PLC，支持的最大 I/O點(diǎn)數(shù)為128點(diǎn)，并且能增加特殊功能模塊或擴(kuò)展板(兼容FX2N系列的擴(kuò)展模塊)。通信和數(shù)據(jù)鏈接功能選項使得FX1N在體積、通信和特殊功能模塊等重要的應(yīng)用方面非常完美。FX1N PLC除了能支持FX2N系列的擴(kuò)展模塊外，還可以增加如下功能擴(kuò)展板，例如通訊擴(kuò)展模塊，小點(diǎn)數(shù)I/O擴(kuò)展板，模擬量擴(kuò)展板和顯示模塊，最大限度地減低系統(tǒng)的費(fèi)用。

2.5 PLC的I/O點(diǎn)分配表

2.7 PLC外部接線圖

PLC外部接線圖由CAD畫出然后截圖得到，見圖6。

2.8 PLC梯形圖和指令表

PLC梯形圖采用Q系列軟件GX Developer編寫，編寫完的梯形圖虛擬打印成PDF格式后運(yùn)用Adobe Reader 9閱讀器讀取并快照截圖得到。指令表由梯形圖直接在GX Developer中轉(zhuǎn)換得到，然后同樣的方法虛擬打印快照截圖得到。

參考文獻(xiàn):

[1]劉繼修編著.PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.福州:福建科學(xué)技術(shù)出版社，2007.12月.1.

[2]劉光起，周亞夫主編.PLC技術(shù)及應(yīng)用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.10:8-11.

[3]張運(yùn)剛，宋小春，郭武強(qiáng)編著.從入門到精通——三菱FX2NPLC技術(shù)與應(yīng)用.北京:人民郵電出版社，2007.2.4-6:102，122-123.

[4]晁陽，胡軍，熊偉編著.可編程控制器原理應(yīng)用與實(shí)例解析.北京:清華大學(xué)出版社，2007.11:331-340.

[5]廖常初主編.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)(第五版).重慶:重慶大學(xué)出版社，2007.8:8-14.91-96.