楊振宇

　?。ㄖ袊?guó)地質(zhì)工程集團(tuán)公司，北京 100093）

       摘要：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(mén)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。

　　關(guān)鍵詞：西門(mén)子PLC200；電機(jī)；變頻器MM420；溫度檢測(cè)

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TM46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.001

　　引用格式：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.

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(mén)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)

　　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(mǎn)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?？刂齐娫措娐吩O(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。

　　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。

　　2.3PLC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(lèi)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］。

　　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。

　　2.5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　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。

　　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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