S7-1200和G120在SCE-IAI02實訓設備中的應用

陳繼勛

（甘肅能源化工職業學院，蘭州 730700）

SCE-IAI02是由鋁型材桌體、橋式控制盒、電源單元、按鈕單元、變頻器單元、PLC控制單元、儀表單元、儲水箱、水泵、透明容器、加熱單元、管路系統、傳感器、電動閥和接口模塊等組成的一種工業自動化儀表裝置。該設備主要由操作平臺和部件安裝單元、工藝和儀表單元以及配電系統單元等組成，能完成單回路的液位、流量以及壓力溫度控制，還可完成各種儀器儀表的操作和使用。裝置采用工業中最常用的水泵、變頻器、調節閥、流量、溫度、壓力以及液位變送器，具有極強的工業特性。學生可以學習儀器儀表原理、接線、校準以及特性測量等，還可以結合控制器自由組合控制回路，然后進行控制系統調節。

1 SCE-IAI02工業自動化實訓設備介紹

1.1 PLC單元

PLC單元采用S7-1200 PLC。S7-1200 PLC是西門子新一代小型PLC，代表了下一代PLC的發展方向，具有模塊化、結構緊湊以及功能全面等特點[1]。它完全兼容TIA軟件，可以通過以太網與G120和HMI通信。PLC單元配備了CPU1214C DC/DC/DC CPU、SM1223 DI8/DO8數字量擴展模塊、SM1234 AI4/AO2模擬量模塊以及SB1232AQ模擬量通信板模塊。

1.2 變頻器單元

變頻器單元采用西門子新一代變頻器G120。G120變頻器可以通過PROFINET、PROFIBUS接口無縫集成到全集成自動化系統。變頻器單元可以手動控制水泵抽水，也可以由PLC通過以太網控制變頻器達到控制水泵轉速的目的，從而調節液位、流量以及壓力等參數。

1.3 儀表單元-智能型四回路、四數顯、四輸出控制變送儀單元

智能型四回路、四數顯、四輸出控制變送儀是采集、顯示以及輸出液位、壓力、溫度信號的儀表。它具有4個通道，分別用于采集管道壓力、加熱罐液位、透明罐液位以及加熱罐溫度，并將其處理后輸送給PLC。

1.4 加熱水罐

加熱水罐位于型材桌面上，用不銹鋼制品焊接而成，可用于水罐的水加熱。由水泵抽上來的水先到達加熱水罐，鑒于加熱水罐有管路和手動閥門，因此可以將水罐內的水直接排放到水槽或者流向透明水罐。加熱水罐和透明水罐之間有3套不同高度的連接管路，可根據需要自行選擇安裝。加熱水罐裝有溢出管路，水位過高時可自動溢出到水槽。加熱水罐安裝有兩個數字量液位傳感器和一個模擬量液位傳感器。當液位過低時，底部的液位傳感器接通，此時不能用于加熱。當液位過高時，頂部的液位傳感器接通，此時不能繼續向加熱罐抽水。

1.5 透明水罐

透明水罐位于型材桌面上，用有機玻璃板拼接而成。水罐上有刻度，可用于液位指示。水罐有管路和手動閥門，可以將水罐內的水直接排放到水槽或者流向加熱水罐。加熱水罐和透明水罐之間有3套不同高度的連接管路，可根據需要自行選擇安裝。透明水罐裝有溢出管路，水位過高時可自動溢出到水槽。

1.6 壓力變送器

壓力變送器用于液位檢測和管道壓力檢測。系統選用3個壓力變送器，其中1個用于管道的壓力檢測，2個用于液位檢測[2]。管道檢測的壓強范圍是0～200 kPa，液位檢測范圍是0～5 kPa。常用壓力傳感器為4～20 mA的電流輸出，而電壓與電阻的輸出方式接線圖與其類似。

1.7 溫度傳感器

溫度傳感器用于采集加熱罐內溫度，并將數據傳輸給智能型四回路、四數顯、四輸出控制變送儀，并在儀表上顯示溫度。

2 SCE-IAI02工業自動化儀器儀表實訓裝置的特點

裝置能自行設計，并進行相關工藝的組合，選擇各種儀表和執行器進行裝配。它采用模塊化設計的理念，可以按照圖紙自由組合管路和儀表。它能對整個工藝設備和電器設備進行配電、安裝、接線。同時，它配有PLC控制器模塊，能實現系統的編程、調試等任務。該系統運行時采用循環水，帶有水質過濾器，可防止設備生銹。流量計采用電磁流量計，杜絕發生堵轉而無法測量的情況，同時計量精度高，可免于維護。上水箱由兩個水箱組成：一個由不銹鋼制成，用于加熱，使加熱水箱容量減少，進而縮短加熱時間，節省學生做實驗的時間；另一個由透明有機玻璃制成，在做液位實驗時用于觀察液位的變化[3]。它具有雙重防干燒保護，可預防學生做實驗失控時干燒而燒壞設備。水泵采用磁力泵隔離機械與葉片隔離，避免通過密封圈的老化而滲水流入電機的繞組破壞絕緣而發生漏電或繞組燒毀，同時降低噪聲，提供更好的實驗環境。電動調節閥采用開度反饋提高控制精度。儀表采用國內知名品牌，分布領域廣。

3 SCE-IAI02工業自動化儀器儀表實訓裝置的應用

3.1 硬件組態

本實訓裝置可完成對控制任務的分析、換向閥的選擇與應用、典型回路與電氣控制回路的基本結構安裝、故障檢測與分析以及系統的安全保護，同時可以使用仿真軟件進行項目管理、建立資料庫以及繪制回路圖[4]。硬件組態圖如圖1所示。

圖1 SCE-IAI02工業自動化儀器儀表實訓裝置硬件組態圖

3.2 常見故障的排除

在學生訓練過程中，可以人為設置一些故障點，讓學生自己尋找故障點，從而達到訓練的目的，如表1所示。

3.3 模擬量的采集

實際工業應用中，傳感器采集壓力、溫度、速度等非電信號，將這些非電量轉換為電量（如電壓或電流）信號再傳輸給PLC系統[5]。這些信號均為模擬量，需對其做進一步加工處理，以便計算、比較以及顯示。

表1 故障現象及處理方法

3.3.1 模擬量輸入轉換

某個壓力傳感器的量程為0～0.1 MPa，轉換成對應的電壓信號為0～5 V。設轉換后地址IW6中的數值為N。S7-1200 PLC默認的模擬信號輸入電壓范圍是0～10 V，轉換成數字信號的范圍是0～27 648。因為此壓力傳感器輸出電壓范圍是0～5 V，轉換的數字信號范圍是0～13 824，壓力傳感器的測量范圍是0～0.1 MPa，所以可推導公式將電壓值還原成以Pa為單位的壓強值，并將結果存儲于寄存器MD30中。電壓轉換成數字信號后存入IW64的數值為N，單位為Pa。假設PLC的A/O口外接了一個溫度傳感器，傳感器將測得的溫度值轉換為一個范圍為0～10 V的連續電壓信號輸入給PLC。模擬量經過PLC內部的A/D轉換后轉換成了范圍0～27 648的數字量，并存儲在特定的寄存器中。

3.3.2 編輯程序

編輯變量表如表2所示。通過NORM_X：“標準化”指令和SCALE_X：“縮放”指令可以實現模擬量的采集，程序如圖3所示。其中，NORM_X：“標準化”指令為“OUT=(VALUE-MIN)/(MAX-MIN)”，SCALE_X：“縮放”指令為“OUT=VALUE*(MAX-MIN)+MIN”。

表2 變量表

3.3.3 HMI畫面

只需要NORM_X和SCALE_X這兩個指令，配合一定的過程變量，就可以在監控屏幕上直觀地顯示數值，而不是0～27 648中間的某一個值，如圖3所示。

圖2 程序設計

圖3 HMI畫面

4 結語

使用實訓設備一年多，效果顯著，對高職學生學習過程控制基礎具有重要作用，同時為甘肅省技能型人才培養提供了優越的實訓條件。