鋁液夾雜檢測過程的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

遼寧省城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計院 吳 雷

鋁液夾雜檢測過程的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

遼寧省城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計院 吳 雷

本文所要設(shè)計實現(xiàn)的是用于鋁液夾雜檢測過程的PLC控制系統(tǒng)。本設(shè)計中以西門子S7-200系列PLC為控制核心，圍繞它展開并完成設(shè)計。根據(jù)電阻在線檢測法原理，根據(jù)得到的實時數(shù)據(jù)分析鋁液中夾雜物含量的多少。此系統(tǒng)若應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，可以通過對鋁液試樣凈化前后夾雜物含量的比較，確定是否再次凈化，以達(dá)到工業(yè)要求。

PLC；夾雜物；檢測；組態(tài)王

1 前言

最近幾年冶金凈化技術(shù)不斷發(fā)展,全世界的冶金研究和應(yīng)用者們研發(fā)出多種除雜的工藝方法,并研制了相應(yīng)的設(shè)備,巨大的推動了鋁熔體凈化技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。于是,如何分析材料中夾雜物含量的多少,怎樣全面和準(zhǔn)確的評價鋁熔體凈化方法的好壞,成為冶金研究者們新的研究方向。當(dāng)下國內(nèi)外現(xiàn)有很多種鋁液夾雜物的檢測方法,主要分為在線檢測和離線檢測。在線檢測方法主要包括：LiMCA法、LiMCAⅡ法等。離線檢測方法主要包括：金相法、過濾法、電子束熔化法、離心分離加熱法、超聲法等。當(dāng)下,我國冶金行業(yè)對離線檢測法的研究較多,但很難及時準(zhǔn)確地反應(yīng)鋁液中夾雜物的現(xiàn)場實際情況。國外則較多的研究在線檢測法,但是在線檢測產(chǎn)品價格貴,成本投入較高,限制了在我國的應(yīng)用。

本設(shè)計借助己有的研究成果,采用鋁液夾雜物在線檢測的一種方法—電阻法。電阻法的檢測依據(jù)是基于電敏感區(qū)在線檢測法,它是依據(jù)阻抗脈沖技術(shù)原理實現(xiàn)的在線檢測。電敏感區(qū)法有很多優(yōu)點,包括結(jié)構(gòu)合理、檢測結(jié)果準(zhǔn)確、檢測靈敏度高、檢測速度快、操作和維修簡便等,對在線快速檢測方法的研發(fā)和利用具有指導(dǎo)作用。而PLC能編制各種各樣的控制算法程序。能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)學(xué)運算(含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、查表、排序、位操作等功能,能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、分析和處理,完成PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信［2］。因此PLC被廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)控制過程中。該系統(tǒng)中檢測工作通過以SIMATIC S7-200 PLC為核心的控制系統(tǒng)得以實現(xiàn),實現(xiàn)在線檢測。

2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 組成模塊

本系統(tǒng)主要由檢測回路、S7-200 CPU 224XP模塊和組態(tài)王過程監(jiān)控界面組成。系統(tǒng)輸入有4個,用于抽氣的真空泵開關(guān)、準(zhǔn)備按鈕SB1、開始按鈕SB2和停止按鈕SB3。控制系統(tǒng)的電氣圖如圖2-1所示。

圖2-1 鋁液夾雜檢測過程的PLC控制系統(tǒng)電氣圖

2.2 工作原理

真空泵為旋轉(zhuǎn)開關(guān),可以手動進(jìn)行操作。將5kGZL106合金放在工業(yè)電阻爐中進(jìn)行熔化,固定檢測溫度在740℃至750℃之間。檢測電路采用1.3V直流電源供電。氣壓為0.1MPa。系統(tǒng)準(zhǔn)備階段：按下準(zhǔn)備開關(guān)SB1,進(jìn)氣閥V1打開,系統(tǒng)由外帶氣瓶供氣,氣體進(jìn)入熔有鋁液的工業(yè)爐中,壓強增大,鋁液被下壓,剛玉檢測探頭不與鋁液接觸,為試驗開始做準(zhǔn)備。按下開始按鈕SB2,抽氣閥V2打開、交流接觸器KM閉合。原準(zhǔn)備階段打開的進(jìn)氣閥V1必須關(guān)閉,而為了使鋁液經(jīng)過檢測探頭,在真空泵的帶動下抽氣閥V2工作,系統(tǒng)程序設(shè)計中需要將進(jìn)氣閥和抽氣閥設(shè)計為互鎖狀態(tài)。檢測回路中接有分流電阻器,電阻大小為0.00075Ω用將回路中的0～100mA的大電流轉(zhuǎn)換為0～75mV小電壓。RMDV-0075-D-D電流型變送器將物理量0～75mV轉(zhuǎn)換成4～20mA電流輸出,在模擬量輸入口并聯(lián)一個250Ω電阻,將4～20mA的電流值轉(zhuǎn)換為1～5V的電壓值。由于PLC的模擬量輸入模塊電壓值控制在0～10V,檢測系統(tǒng)進(jìn)入PLC中的電壓值需轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量,后經(jīng)邏輯運算,轉(zhuǎn)換為1～5V所對應(yīng)的精度,從而對應(yīng)檢測的電流值存入PLC內(nèi)部寄存器中。在編輯好的畫面中編輯變量并選擇所需屬性,在組態(tài)王畫面上實時進(jìn)行監(jiān)控。

3 軟件設(shè)計

STEP7-Micro/WIN32西門子編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件,功能強大,既可用于開發(fā)用戶程序,又可實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài),它是西門子為S7-200系列PLC專門研發(fā)的軟件,對于西門子的S7-200系列用戶來說,這款軟件是必不可少的開發(fā)使用工具。STEP7-Micro/WIN32提供三種編輯器來創(chuàng)建用戶程序：梯形圖(LAD)、語句表(STL)和功能模塊(FBD)。在遵循一定的輸入要求的前提下,用某種程序編輯器對程序進(jìn)行編寫之后,可以用另外的某種編輯器進(jìn)行瀏覽或編輯。程序編譯完成,點擊可編程控制器中“編譯”項開始離線狀態(tài)下編譯。程序編譯結(jié)束后,其中的錯誤語法數(shù)量、各條錯誤的理由和錯誤的出現(xiàn)位置將在在輸出窗口顯示出來。對窗口中的錯誤逐條進(jìn)行雙擊,矩形光標(biāo)將會跳到程序中被雙擊的錯誤程序的位置。程序中所有錯誤全部被改正,編譯成功后才可以將程序進(jìn)行下載。在進(jìn)行下載前,可編程控制器應(yīng)處于停止方式。如果不在停止方式,可將CPU模塊上的方式開關(guān)調(diào)整到停止位置。對工具條中“下載”按鈕進(jìn)行單擊,或者對“文件”菜單中的“下載”項進(jìn)行選擇,用戶能夠進(jìn)行多種選擇,包括是否下載數(shù)據(jù)塊、程序塊和系統(tǒng)塊。對“確認(rèn)”按鈕進(jìn)行單擊,開始下載相應(yīng)信息。下載完成后,確認(rèn)框?qū)@示“成功”。可編程控制器和電腦中的V3.0 STEP 7 MicroWIN SP3連接成功,且程序己下載在PLC中。用戶可直接在軟件環(huán)境下調(diào)試并監(jiān)視用戶程序的進(jìn)行。接下來是設(shè)計的主界面,主要用來顯示鋁液夾雜系統(tǒng)的幾個子界面入口以及監(jiān)控時間。

4 硬件設(shè)計

S7-200 PLC系列可編程序控制器特別緊湊,但是具有驚人的能力。硬件構(gòu)架包括構(gòu)成系統(tǒng)的CPU模塊和豐富多樣的擴展模塊。它可以實現(xiàn)對各種設(shè)備的控制,以滿足實際工程中自控的需求。S7-200除可以實現(xiàn)可編程控制器的基本控制功能外,還有一些獨特的方面。如指令集功能強大、通訊功能豐富強大、易用性的編程軟件、不斷地創(chuàng)新。此設(shè)計系統(tǒng)中采用CPU 224 XP AC/DC/Relay。本系統(tǒng)另外用到電磁閥、真空泵、變送器和氣瓶等檢測設(shè)備。

5 仿真實現(xiàn)

采用PLC的編程軟件STEP 7-Micro/WIN32對通訊硬件進(jìn)行安裝,在“SET PG/PC Interface”對話框中對“PC/ PPI cable”進(jìn)行設(shè)置,PPI中選擇Interface Parameter AssiGnment,并且PPI的參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值,雙擊通訊框中的刷新圖標(biāo),與PLC的通信連接建立。用PC/PPI電纜建立PC和S7-200的外部設(shè)備通信,點擊“設(shè)置PG/PC接口”。點擊“設(shè)置PG/PC接口”窗口中的“確認(rèn)”。在通信窗口點擊“刷新”,顯示計算機與PLC建立通信連接且程序編譯成功,可以將程序下載到PLC中去。點擊“確認(rèn)”,下載程序完成之后,運行程序。

查看實時數(shù)據(jù)顯示。可以通過報表預(yù)覽按鈕,打印預(yù)覽一下要打印的報表。實時的報表顯示,該報表顯示的是保存當(dāng)時的時間、己測時間、剩余時間、電流值、等等。

隨著鋁液夾雜的流動,探頭檢測出的電流值是有相應(yīng)變化的,說明鋁液中各部分的雜質(zhì)含量是有差異的。采用某種凈化方法過濾該鋁液中的夾雜物,再用此方法進(jìn)行檢測,采集電流值,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對比,即可得出夾雜含量明顯降低。根據(jù)工藝要求確定是否繼續(xù)凈化檢測,直至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

在本此控制系統(tǒng)設(shè)計中,對鋁液夾雜檢測過程PLC控制系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行了分析,應(yīng)用組態(tài)王編輯監(jiān)控畫面,應(yīng)用STEP-7編寫出了相應(yīng)的PLC控制程序,并且根據(jù)組態(tài)王跟PLC之間的通信原理,建立了它們之間的通訊,后期完成了對硬件進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試過程中通過理論分析和采取凈化實驗后的測試證明了電阻在線檢測法檢測鋁液夾雜物技術(shù)方案是可行的。此外,本系統(tǒng)還能記錄歷史曲線參數(shù)和進(jìn)行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控,得到的數(shù)據(jù)可做分析使用。

實驗證明,電敏感區(qū)法具有結(jié)構(gòu)合理、檢測結(jié)果準(zhǔn)確、檢測靈敏度高、檢測速度快、操作和維修簡便等優(yōu)點,對在線快速檢測方法的研發(fā)和利用具有指導(dǎo)作用。而本系統(tǒng)采用的西門子S7-200PLC具有數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、查表、排序、位操作等功能,因此能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、分析和處理,能夠控制設(shè)備以滿足自控需求。應(yīng)用于實際生產(chǎn)過程中,為工業(yè)生產(chǎn)提供了很大方便。

[1]翁維勤,孫洪程．過程控制系統(tǒng)及工程[M]．第二版．化學(xué)工業(yè)山版社,2007．

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[3]高鴻斌,孔美靜．西門子PLC與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[M]．電子工業(yè)出版社,2006

[4]廖曉鐘．自動控制系統(tǒng)[M]．北京:北京理工大學(xué)出版社,2005．

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[6]王肇經(jīng),李東升．鑄造鋁合金的氣體和非金屬夾雜物[M]．兵器工業(yè)出版社,1989．

吳雷（1978—），遼寧錦州人，大學(xué)本科，遼寧省城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計院院電氣副總工程師、高級工程師，主要研究方向：城市電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)，建筑及市政供配電及自控系統(tǒng)設(shè)計。