基于PLC和觸摸屏的自動閥門測試控制系統設計

于蒙，鄒志云，趙丹丹，鄧德茹，陳立廣

(防化研究院，北京 102205)

基于PLC和觸摸屏的自動閥門測試控制系統設計

于蒙，鄒志云，趙丹丹，鄧德茹，陳立廣

(防化研究院，北京 102205)

利用PLC和觸摸屏設計了一套自動閥門測試控制系統，對化工生產中經常用到的自動閥門進行模擬實際工況的測試。該控制系統實現了閥門測試過程的實時數據采集、控制參數輸入、畫面監控顯示、數據管理、報警提示等多項功能，具有控制靈活、精確度高、故障率低的特點。

自動閥門 系統設計 可編程控制器 觸摸屏

化工生產對閥門的密封性能要求很高，而閥門由于在化工管道中長時間開閉，自身的磨損及不同溫度下腐蝕性液體對閥門的腐蝕會對閥門的密封性能造成影響[1]。因此，在化工生產中，自動閥門(如電動球閥和電磁閥)已經廣泛替代了手動閥門，設計一套針對自動閥門的測試控制系統來驗證閥門的使用性能十分必要。

1 系統原理及硬件構成

自動閥門的閥體部分灌入工藝介質，兩端封閉，浸在測試容器中的導熱油里，控制系統在測試容器中模擬實際工況，控制導熱油溫度和自動閥門開閉設定次數，開閉時間間隔和開閉次數要結合實際操作經驗設定。測試完成后，進行球閥金屬表層腐蝕電鏡檢測和閥門密封性能檢測[2]。密封性能檢測在測試容器中進行，將壓縮空氣通過管路通入自動閥門的一端，控制自動閥門的開閉，檢測導熱油液體在閥門開閉動作時是否有氣泡出現，進而驗證自動閥門的密封性能。

圖1 閥門測試裝置總體架構示意

1.1可編程控制器

閥門測試控制系統主機模塊選用CPU226，具有40個數字量I/O點(24輸入/16輸出)，可連接7個擴展模塊，最大可擴展至248路數字量I/O點或35路模擬量I/O點。在通信方面，CPU226具有2個RS-485通信/編程口，具有PPI，MPI通信協議和自由方式通信能力[3-4]，各項性能均可滿足測試控制系統的要求。

溫度采集模塊上部共有12個端子，從左邊開始8個端子中每4個為1組，接熱電阻傳感器?？刂葡到y只用到1組，另1組串接1個匹配電阻。

溫度控制模塊的功能是把PLC輸出的數字量經光電耦合器后，再經D/A轉換器處理，將數字信號轉換成模擬信號，通過運算放大器后驅動輸出，其中光電耦合器主要是將內外電路隔開，防止外部電磁干擾信號對PLC內部電路造成干擾。該測試系統采用具有2路模擬量輸出通道的輸出模塊。

1.2觸摸屏

觸摸屏的基本原理是用戶用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的感應屏幕時，所觸摸的位置被觸摸屏控制器檢測并轉化為坐標數據，通過接口送到CPU，從而確定輸入的信息[5]。觸摸屏與PLC通過PPI通信協議建立高速連接，通信速率高達 187.5Kbit/s。閥門測試控制系統要求觸摸屏畫面顯示較多的信息，該系統觸摸屏的寬屏顯示和傳統屏幕相比具有更大的可視面積。該屏采用的LED 背光可以降低設備能耗，結合屏保功能可以最大限度地延長觸摸屏的使用壽命，增加整套測試系統的耐用性。

1.3溫度傳感器和溫控箱

溫度傳感器選擇PT100鉑熱電阻，測量范圍為0～150℃，輸出為4～20mA信號。鉑電阻的電阻值隨著溫度的變化而變化，溫度和電阻的變化接近于線性關系，偏差極小，且隨著時間的增長，偏差可以忽略。在額定電壓下，監測其電流，可以得出現場溫度。測試系統采用三線式鉑熱電阻連接方式，該連接方式的鉑電阻具有性能穩定、抗氧化能力強和測量精度高等優點[6]。

國際油價大幅上漲。前三季度，國際油價總體呈上升趨勢，漲幅較大。監測數據還顯示，WTI原油（普氏現貨，下同）原油均價為66.50美元/桶，同比上漲31.0%；布倫特原油均價為71.70美元/桶，漲幅32.9%；迪拜原油均價69.62美元/桶，上漲31.6%；勝利原油均價64.07美元/桶，漲幅31.9%。

溫控箱由單相調壓板和雙向可控硅組成，模擬量輸出模塊輸出的4～20mA電流信號經過單相調壓板和雙向可控硅的共同作用變為電壓值，進而實現對電熱套輸出功率的控制。

2 系統軟件設計

監控軟件設計分為PLC程序設計和觸摸屏人機界面設計。PLC程序實現數據處理、邏輯判斷與控制執行等功能；觸摸屏人機界面是為了直接訪問和修改PLC變量，實現數據、狀態的輸出、顯示、控制和存儲等功能。

2.1PLC控制程序設計

PLC控制程序分為閥門開關程序和溫度控制程序。以電動球閥相應控制程序設計為例,表1是程序中用到的一部分變量及相應地址。

表1 電動球閥PLC控制程序部分變量及地址

開關控制程序涉及閥門所處狀態的判斷、開關時間和開關次數的設定等一系列問題。

電動球閥通過電機轉動閥桿使球閥開啟或關閉，同時閥桿使電位器接觸或斷開，通過4個電位器聯合指示閥門的開啟或關閉狀態。閥位指示控制接線端有9個端子，“1”～“3”端為電機開啟/關閉控制端，分別對應電源公共端、“開”動作、“關”動作端。主機模塊CPU226的供電模式為交流 220V， 輸出是繼電器模式。電動球閥供電需要交流220V，因而將“1”端接入主機模塊的“N”端，“2”端和“3”端分別接Q0.0與Q0.1，將主機模塊中的“L1”端與“1L”端短接，這樣通過控制Q0.0端與Q0.1端得電與否，可控制電動閥門的開啟或關閉。

“4”～“9”端相互之間的接通關系由4個電位器確定。接線端中“4”端和“6”端為公共端，閥桿的轉動使電位器的公共端子在“開”或“閉”狀態下與不同的端子相接。經過實驗測試，在“關”狀態下，“4”與“8”通，“6”與“7”通。在“開”狀態下，“4”與“5”通，“6”與“9”通。由于主機模塊可以提供直流24V電源，因而將公共端“4”和“6”接入“L+”，將“5”，“7”，“8”，“9”分別接入“I0.0”，“I0.1”，“I0.2”，“I0.3”。這樣，在“關”狀態下，“I0.1”，“I0.2”接通得電；在“開”狀態下，“I0.0”，“I0.3”接通得電。經過判斷電路確定閥門所處狀態后，驅動計時器，進而控制Q0.0端和Q0.1端接通與斷開，實現閥門的開關控制。

在實際測試時，發現若只使用閥位判斷電路來實現閥門的開啟/關閉，存在不穩定現象。如閥門電機正在運行，使閥門開啟或關閉時，突然執行“停止”操作或出現斷電情況，則在重新進行開關控制時，系統會發生無法執行的故障。經過分析，發現故障是由于電機帶動閥桿轉動，在動作過程中，它所控制的電位器可能出現同時關或同時開的現象。若在此時，停止測試或斷電，電機停止運行，電位器會處在一個錯誤的位置上，再次啟動后，判斷程序無法啟動計時器使其開始計時，也就無法使控制輸出端接通或閉合。因此，筆者設計了一個故障解決程序，使程序能夠在電位器無法工作時，繞開判斷程序，直接啟動計時器工作，設定時間到后，使電動機延續故障之前的動作。當閥門再次處于“開”或“關”狀態后，程序又可屏蔽掉故障解決程序，循環執行主程序。

主機模塊CPU226支持PID指令向導，利用指令向導生成溫度控制PID程序[7-8]。

在編程軟件中，進入PID指令向導：

1) 選擇指定PID回路，有8個回路可以指定，該系統僅需要1個回路。

2) 確定給定值范圍，即該系統的溫控范圍，設置為0～120℃，并設定了采樣時間、比例、積分和微分4個參數，其中采樣時間設為15s，其他幾項參數要參考相應條件下的整定參數。

3) 確定回路輸入和輸出模式，包括輸入、輸出的極性和取值范圍。針對輸入選項，考慮到給定值的范圍和鉑熱電阻的測量輸出值，選擇單極性輸入范圍為0～1200。針對輸出選項，考慮到溫控箱信號接收要求，選擇模擬輸出，單極性，使用20%偏移量，范圍為(6.4～32)×103。鑒于安全的考慮，利用向導生成的PID回路中，還選用了高、低限報警和手動操作模式。圖2為電動閥門的程序結構。

2.2觸摸屏操作畫面設計

觸摸屏可使控制過程可視化，智能化，作為PLC的前端設備在操作人員和設備之間架起了一座橋梁，可以用簡單明了而又靈活的方式來取代傳統設備大量的觸摸按鈕、指示燈、開關等。自動閥門測試系統采用SMART1000觸摸屏，運用組態軟件WinCC Flexible2008進行組態。該軟件使用戶可以在觸摸屏上組合文字、按鈕、圖形和數字信息等，來處理或監控不斷變化的信息。

利用WinCC Flexible2008進行觸摸屏設計，首先建立工程，然后定義變量，制作工程畫面，最后進行模擬調試，其中至關重要的步驟是包括動畫功能在內的人機畫面設計。

1) 系統主畫面。進入系統后的初始畫面為控制系統的主畫面，該畫面包含了各個分畫面的切換按鈕，單擊按鈕可以切換到相應的畫面，各個分畫面均有“返回主畫面”按鈕，單擊可返回主畫面，便于用戶進行畫面切換。

圖2 電動閥門程序結構示意

2) 閥門開關控制畫面。在畫面里，可以對閥門開啟或關閉進行控制，閥門“開”狀態時間和“關”狀態時間可以設置，最小單位為秒。閥門開關次數也可進行設定，并可實時顯示當前已開關次數，閥門目前所處的“開”或“關”狀態由動畫顯示。考慮到停電等非正常操作可能導致測試控制系統啟動故障，設置了故障解決按鈕，可繞過閥位判斷程序，直接啟動計時器。

3) 溫度控制主畫面。此畫面設置了測試溫度設定窗口，直接輸入閥門測試所需要的溫度。畫面配有自動/手動選擇按鈕，可以通過按鈕設定控制方式為手動或自動控制，按鈕下方設置指示燈，顯示目前溫控所處的狀態，手動輸出值可在指示燈下方手動輸出窗口輸入?，F場溫度顯示窗口顯示溫度值，控制量輸出窗口顯示目前輸出量的值，并且設置了高溫、低溫報警提示，對低于10℃和高于95℃的溫度進行提示。

4) 溫度控制副畫面。此畫面主要進行溫度控制參數設定和趨勢曲線的顯示。初次進入此畫面時需要用戶輸入登錄口令，防止誤操作，保證了系統的安全性和穩定性。畫面包含了溫控采樣時間顯示窗口，比例、微分、積分參數設定值輸入窗口。在畫面右側，設置了溫度趨勢曲線顯示窗口，包含了溫度設定值、現場溫度值和控制量輸出值曲線。

5) 報警畫面。該畫面顯示系統運行時出現的報警信息，當有新的報警出現時，觸摸屏畫面將自動彈出“報警彈出窗口”，以提示用戶注意報警信息，保證系統的安全運行。

3 結束語

筆者結合PLC標準工具STEP7 MicroWin32和組態軟件WinCC Flexible2008，設計了自動閥門測試控制系統。觸摸屏與PLC的結合應用使測試控制系統操作靈活、安全，提高了測試效率。

該測試系統能夠很好地模擬實際工況條件，可對實驗介質實施精確的溫度控制，并同時使自動閥門進行設定次數的開閉。實際測試證明該系統能夠很好地滿足閥門測試控制要求。

[1] 陸培文.閥門的試驗與檢驗[M].北京： 中國標準出版社，2010.

[2] 孫家孔.閥門手冊[M].北京： 中國石化出版社，2005.

[3] 廖常初.S7-200 PLC應用技術[M].北京： 機械工業出版社,2006.

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[7] 張浩．PLC梯形圖設計方法與應用實例[M]．北京： 機械工業出版社，2008.

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DesignofAutomaticValveTestControlSystemBasedonPLCandTouchScreen

Yu Meng, Zou Zhiyun, Zhao Dandan, Deng Deru, Chen Liguang

(Research Institute of Chemical Defense， Beijing， 102205， China)

A test control system using PLC and touch screen is designed. The automatic valve commonly used in chemical production is tested under the simulated actual conditions. The control system achieves a number of functions of real-time data acquisition, control parameter input, screen monitor display, data management and alarm with characteristics of flexible control, high accuracy and low failure rate.

automatic valve； system design； PLC； touch screen

稿件收到日期： 2012-11-20,修改稿收到日期2013-03-16。

于蒙(1987—),男,防化研究院自動化專業在讀碩士研究生,主要從事過程控制研究。

TP206

B

1007-7324(2013)03-0038-03