PLC自控系統的設計方法*

盧世軍

(中國石油玉門油田煉化總廠)

PLC自控系統的設計方法*

盧世軍

(中國石油玉門油田煉化總廠)

以S7-200 PLC和一個簡單的壓縮機控制系統的設計為例，介紹了PLC自控系統設計的基本步驟，并對PLC的組成、工作原理和編程進行了簡單的介紹。

PLC自控系統 設計方法 中斷指令 EM231模塊

PLC自控系統在工業生產中廣泛應用，如筆者所在的乍得恩賈梅納煉油廠，在用的各類PLC系統多達56套之多，大部分為西門子的S7-200和S7-300系統，也有部分S7-400、S7-1200及其他廠家(如歐姆龍)的系統等。作為一名自動化專業的技術人員，對于PLC 系統的維護，除了做好程序的備份，熟悉各類設備、生產工藝和控制過程外，還要熟悉PLC的工作原理、硬件結構及軟件編程等，對于一些不太復雜的控制要求，應具備自己設計、編程的能力，以便遇到問題及時解決。西門子的PLC系列中，S7-200相對簡單，筆者以一個簡單的壓縮機自動保護系統設計為例，介紹S7-200 PLC控制系統的設計方法。

1 工藝流程和控制要求

工藝和控制總體流程如圖1所示。氣體經過壓縮機壓縮以后，先后經過除油罐、除水罐和儲氣罐進入用氣裝置。在壓縮機出口處，有出口閥和排氣閥，因為壓縮機要求零負載啟動，故在啟動壓縮機之前，應先通過排氣閥排空汽缸內的氣體。在除油罐底部有排油閥，除水罐和儲氣罐底部有排水閥。電接點壓力表B檢測壓縮機出口的壓力，Cu50熱電阻測量壓縮機汽缸的溫度，這些信號均傳入PLC中，PLC根據這些信號，對相應的器件做出控制。

圖1 工藝和控制的總體流程

本次設計要求是使壓縮機自動保護系統具有以下功能：合閘上電后，PLC通電，程序首先檢測壓力p是不是在0.2MPa以下，若是，則開放氣閥V1，關出口閥V2，放氣10s后(目的是實現壓縮機的零負載啟動)，關閉V1，打開V2，同時啟動壓縮機；若不在0.2MPa以下，則先不啟動壓縮機，程序繼續檢測壓力，直到檢測到壓力小于0.2MPa。第1次啟動壓縮機5s之后，打開電磁閥V3、V4、V5進行排油排水，持續10s后，關閉這3個閥，以后的過程中這3個閥不再打開。一上電，程序就開始進行壓力和溫度的檢測，當檢測到溫度T達到100℃時，報警并停壓縮機；如果檢測到壓力達到上限0.5MPa，則停壓縮機，若15s后壓力仍未降下來，則報警。當溫度或壓力降下來以后，報警燈停止閃爍，但壓縮機仍然處于停止狀態。直到經過一段時間，程序檢測到壓力降到下限值0.2MPa后，才又重新啟動壓縮機(啟動之前仍要先放空氣缸里的氣體，進行零負載啟動)。然后直到溫度或壓力達到上限，停壓縮機、報警，如此循環。溫度、壓力報警燈報警時以1s為間隔閃爍。需要注意的是，在停壓縮機后直到壓力降到0.2MPa的過程中，壓縮機一直是停著的，同樣，在啟動壓縮機后直到壓力或溫度達到上限的過程中，壓縮機一直是開著的。程序在PLC有電的情況下一直進行溫度和壓力的檢測。

2 PLC自控系統的設計

2.1硬件配置

PLC選用S7-200 CPU 224作為整個控制系統的核心。對壓縮機的自動控制就是通過對PLC的編程來實現的。S7-200 CPU 224共有14個輸入端，10個輸出端。本次設計用了其中的兩個輸入端，8個輸出端。兩個輸入端10.0和10.2分別接入電接點壓力表送來的兩個開關量信號——壓力的上限值和下限值。輸出端的分配如下：Q0.0接交流接觸器的線圈，Q0.1接壓縮機的放氣閥，Q0.2接壓縮機的出口閥，Q0.3接除油罐的排油閥，Q0.4、Q0.5分別接除水罐、儲氣罐的排水閥，Q0.7接壓力上限報警指示燈，Q1.0接溫度報警指示燈。PLC的電源由三相電源提供，從三相電源引出其中一相給PLC供電。PLC輸出端一側的L1、N兩個端子為電源端子，外部交流電源即從此接入。在PLC的內部有交-直流變換電路，PLC輸入端一側的M、L+兩個端子可向外提供24V(DC)電源，可以作為傳感器的電源向外輸出，也可以作為輸入端的檢測電源使用。本次設計中即用此電源作為輸入端的檢測電源，同時給EM231 RTD 模塊供電。

EM231 RTD 模塊是一個智能模塊，它與一般的模擬量處理模塊不同，比一般的模擬量處理模塊更高級，用法相對復雜一些。EM231 RTD模塊與熱電阻配合使用。它為S7-200連接各種型號的熱電阻提供了方便的接口，也允許S7-200測量3個不同的電阻范圍。在使用此模塊時，必須用DIP配置開關選擇熱電阻的類型、接線方式、溫度測量單位和傳感器的熔斷方向。鑒于此，連接到模塊的熱電阻必須是相同的類型。

所用器件列表見表1，V1～ V5即代表各個電磁閥。

表1 器件列表

為方便說明，電磁閥直接接到PLC的輸出端，不通過繼電器控制。輸入/輸出點分配情況見表2。

表2 輸入/輸出點分配表

另外，對于擴展的溫度模塊，它測得的信號傳入PLC中的變量寄存器VW100中。

端子接線和硬件的整體接線如圖2所示。

需要說明的是，對于EM231 RTD測溫模塊，如果有一個熱電阻輸入通道沒有使用，應在沒有使用的輸入通道接入一個電阻器，這樣可以避免由于懸浮輸入所造成的有效輸入通道阻塞的錯誤。

圖2 PLC端子和硬件整體接線

2.2程序設計

根據控制要求，首先畫出程序的設計框圖，然后在此基礎上編制程序。設計的程序框圖如圖3所示。

圖3 程序設計流程

在了解了S7-200編程軟件Step 7和各種指令的使用方法后，就可以根據設計好的程序流程框圖編制程序了。程序分為3部分：一個主程序，一個子程序，一個中斷程序。在主程序中完成各種控制要求；在子程序中建立中斷事件與中斷程序的連接，設置中斷事件發生的間隔時間，并允許中斷；EM231 RTD模塊將測得的信號傳送到PLC的輸入映像寄存器中(由于使用的是第1路輸入通道，故信號存儲在映像寄存器AIW0中)，中斷程序的作用就是將寄存器AIW0中的值定期地傳送到內部變量寄存器中，用于程序的處理。具體的程序如圖4、5所示。

圖4 主程序

圖5 子程序和中斷程序

需要說明的是，程序中的13160是Cu50熱電阻在100℃時對應的數字量，算法為：

27648∶150=x∶71.40

解得x=13160。其中，150為通過EM231 RTD模塊的撥碼開關設定的阻值范圍，71.40是Cu50熱電阻在100℃時的阻值，27648是熱電阻阻值為150Ω時對應的數字量。EM231 RTD測溫模塊相較于一般的模擬量處理模塊，用法相對復雜一些，需要通過模塊底部的配置開關設定熱電阻的類型、溫度測量單位及接線方式等，在設定了熱電阻類型后，如何處理數字量與溫度之間的關系也非常重要，該模塊具體的用法要參考使用說明。

對程序中使用的中斷指令進行以下說明。中斷指令使系統暫時中斷現在正在執行的程序，而轉到中斷服務程序去處理那些急需處理的事件，處理后再返回原程序執行。中斷可分為3類：通信口中斷、I/O中斷和時基中斷。本次設計中，用了時基中斷中的定時中斷0。它對應的事件號是10，因此在程序中應該先用ATCH指令建立中斷程序與10號事件的連接。程序中設定的中斷周期時間為0.2s，因為用的是定時中斷0，故應將設定的時間值寫入寄存器SMB34中，這是通過數據傳送指令來實現的。這些準備工作都做完后，中斷事件就按設定的周期時間不停地發生，而一旦發生中斷事件，就會執行與它連接的中斷程序(本次設計中，中斷程序是用來將輸入映像寄存器AIW0中的值傳送到內部變量寄存器VW100中的，即是用來采集溫度的)。

在程序中，還用到了幾個寄存器，需要說明一下。M0.0、M0.1、M0.2是內部標志位寄存器，它們是用來存放中間操作狀態的。程序中用M0.0的狀態(觸點)來控制壓縮機的啟停等。SM0.0和SM0.3是兩個特殊標志位存儲器，SM0.0用于RUN監控，它在RUN方式下，狀態總為“1”，SM0.3在PLC上電進入RUN方式時，接通一個掃描周期。本次設計中，SM0.0用于子程序和中斷程序中，因為它在RUN方式下的狀態總為“1”,這就保證了只要調用子程序或中斷程序，其中的內容就一定會被執行到。SM0.3用作主程序調用子程序的條件，因為它只在PLC上電進入RUN方式時，接通一個掃描周期，故可以用它做到只調用一次子程序(子程序的作用是初始化,沒必要一直調用)。

3 結束語

要設計一個符合要求的PLC控制系統，首先要對控制對象進行分析，明確設計要求，在此基礎上對系統的硬件進行配置，包括PLC機型的選擇、輸入/輸出模塊的選擇、其他器件的選擇以及畫出輸入/輸出端子的接線圖等，然后根據控制要求，設計程序框圖，編制出相應的程序，最后將編譯通過的程序下載到PLC中，并進行調試，直到調試成功。

2017-05-15，

2017-06-15)

(Continued from Page 950)

The concept of LabVIEW and the working principle of virtual instrument were introduced; and analyzing overall composition of the temperature detection system was implemented, including the description of the graph of temperature parameters and the way of receiving data from serial port and the construction of a LabVIEW-based temperature auto-detecting system. Through combination with LabVIEW technology, the structure design and software design for the principle and slave computers of the temperature detection system were carried out. This temperature detection system can realize uninterrupted detection and collection of electrical signals.

temperature detection system, virtual instrument, LabVIEW

盧世軍(1983-),工程師，從事化工儀表的維護工作，249205320@qq.com。

TH865

B

1000-3932(2017)10-1006-05