全自動離心機的PLC控制

摘 要: 本文介紹了PLC的特點與工作原理，描述了離心機的發展過程及用途。基于PLC和變頻調速技術設計了三速全自動離心機，實現了進料、脫液、洗滌、脫水、刮料五種狀態的全自動控制?；赑LC控制的離心機操作方便，具有很強的實用性，本設計可用于工廠批量生產離心機，可以根據需求進行產品升級，例如加入觸摸屏控制等。

關鍵詞: 全自動離心機 PLC 變頻調速 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，綜合微機技術、電子應用技術、自動控制技術及通信技術而發展起來的工業自動化控制裝置[1]。國際電工委員會(IEC)于1987年頒布了其標準及定義:“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的命令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業控制系統連成一個整體，易于擴充功能的原則而設計?！盵2]

1.2 PLC的基本結構與工作原理

1.2.1 PLC的基本結構

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，它進行邏輯運算及數學運算，并協調整個系統的工作。存儲器分為系統程序存儲器和用戶程序存儲器，用來存放系統編程程序及監控運行程序、用戶程序、邏輯及數學運算的過程變量及其他所有信息。一般使用三種存儲器:隨機存取存儲器(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獲取控制現場信號的輸入通道，由濾波電路、光電隔離電路和輸入內部電路組成，輸入模塊用來進行輸入信號的隔離濾波和電平轉換。

1.2.1.3 輸出模塊

輸出接口電路由輸出鎖存器、電平轉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的輸出信號進行放大及電平轉換，驅動控制對象。

1.2.1.4 編程裝置

編程裝置的主要任務就是編輯程序、調試程序和監控程序的執行，還可以在線測試PLC的內部狀態和參數，與PLC進行人機對話。

1.2.2 PLC的工作原理

PLC系統通電后。首先進行內部處理，包括:①系統的初始化。設置堆棧指針，工作單元清零，初始化編程接口，設置工作狀態及工作指針等。②工作狀態選擇，如編程狀態、運行狀態等。PLC有兩種工作模式，即RUN模式和STOP模式。PLC采用循環掃描工作方式，一次循環分為五個階段:內部處理、通訊服務、輸入處理、程序執行和輸出處理(見圖2)。當PLC處于STOP模式時，只執行內部處理和通信服務階段，處于RUN模式時，還要完成其他3個階段的操作，為了使PLC的輸出及時地響應可能隨時變化的輸入信號，用戶程序不是只執行一次，而是不斷地重復執行，直至PLC停機或切換到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。在沒有跳轉指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序地執行用戶程序，直到用戶程序結束之處。在執行時，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關編程元件的0，1狀態讀出來，并根據指令的要求執行相應的邏輯運算，運算的結果寫入到對應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)的內容隨著程序的執行而變化。

2.系統設計

2.1 離心機簡介

離心機是利用離心力，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械。下面分析下離心機的工作原理，首先看下物質沉降原理。

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

當ρ-ρ>0時，F>0，物質顆粒下沉;當ρ-ρ=0時，F=0，物質顆粒懸浮在等密度區;當ρ-ρ<0時，F<0，物質顆粒上浮。離心機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。

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

物質顆粒除了受離心力外還受到重力等，它們產生的合力迫使顆粒的沉降運動，隨著離心機轉速的不同，離心力的大小也不同，顆粒所受到的離心力也不斷變化，產生不同的運動形態，不同的沉降速度。

離心機主要用于將懸浮液中的固體顆粒與液體分開;或將乳濁液中兩種密度不同，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，例如用洗衣機甩干濕衣服;特殊的超速管式分離機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，有的沉降離心機還可對固體顆粒按密度或粒度進行分級。離心機大量應用于化工、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，旋轉甩動陶罐，產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用。

2.2設計任務

本次設計的離心機是全自動離心機，其進料、脫液、洗滌、脫水、刮料五種狀態可由PLC實現全自動控制，離心機的三段速由變頻器提供，再經過加速器的加速可使其轉速達到要求。本次設計離心機分為三種工作模式:手動、自動1、自動2。其中自動1為單次循環，主要用于試車(即檢驗一次循環能否成功，一般成功的話就直接調至自動2進行生產工作)，自動2為多次循環操作，手動狀態則是用戶手動進行上述工作狀態的操作。

2.3 控制要求

離心機運行需要三種段速以滿足不同的運行狀態。通過不同的轉速實現不同的離心力，在不同的離心力狀態下完成不同的工作。為了節約成本，本次控制節省了觸摸屏，料位傳感器。各階段的運行模式改由外部時間繼電器人工設定。時間到達自動進入下一狀態。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情況來判斷段速，相應的段速對應的功能由PLC來實現。潤滑泵為整個設備提供潤滑油，要求要單獨控制潤滑泵，和其他的觸點動作沒有任何關聯。離心機的運行分為3種模式:手動、自動1、自動2。

手動:選擇開關打在手動位置，系統位于手動狀態。此時手動指示燈亮，啟動按鈕不起作用?？墒謩訂为毑僮鬟M料、脫液、洗滌、脫水、刮料五種狀態的運行(各運行狀態要求和自動模式1的要求相同)。當一個狀態運行時，按下另一狀態啟動按鈕，前一個狀態自動停止，運行當前狀態。無論哪個狀態在運行，一旦按下復位按鈕后，系統停止運行。

自動1:選擇開關打在自動1位置，系統位于自動1狀態。此時自動指示燈亮，進料，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，啟動時間設為180秒，頻率到達25赫茲時，變頻器中速到達觸點動作，進料電磁閥打開，開始進料，進料時間到，進料電磁閥關閉，變頻器高速啟動。高速啟動的同時脫液狀態開始運行，脫液時間結束，洗滌開始，脫液結束。洗滌時間到，脫水開始，洗滌結束。脫水時間到，變頻器段速啟動，脫水結束，進入刮料狀態。變頻器停止時間設為180秒。當變頻器到達5赫茲時，刀轉電磁閥動作，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，整個系統自動停止。

自動2:選擇開關打在自動2位置系統位于自動2狀態，所有動作同自動1相同。但是在最后刮料結束后，整個系統在變頻器停止后，又從進料開始進行下一輪運行。如此往復循環，直到按下復位按鈕后，整個系統才停止運行。

無論何種狀態按下急停按鈕后，整個系統所有設備停止運行。

2.4 PLC類型的選取

本次設計選用了三菱FX1N系列的PLC，FX1N系列是功能很強大的微型PLC，支持的最大 I/O點數為128點，并且能增加特殊功能模塊或擴展板(兼容FX2N系列的擴展模塊)。通信和數據鏈接功能選項使得FX1N在體積、通信和特殊功能模塊等重要的應用方面非常完美。FX1N PLC除了能支持FX2N系列的擴展模塊外，還可以增加如下功能擴展板，例如通訊擴展模塊，小點數I/O擴展板，模擬量擴展板和顯示模塊，最大限度地減低系統的費用。

2.5 PLC的I/O點分配表

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中轉換得到，然后同樣的方法虛擬打印快照截圖得到。

參考文獻:

[1]劉繼修編著.PLC應用系統設計.福州:福建科學技術出版社，2007.12月.1.

[2]劉光起，周亞夫主編.PLC技術及應用.北京:化學工業出版社，2007.10:8-11.

[3]張運剛，宋小春，郭武強編著.從入門到精通——三菱FX2NPLC技術與應用.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用與實例解析.北京:清華大學出版社，2007.11:331-340.

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