S7-1200和G120在SCE-IAI02實(shí)訓(xùn)設(shè)備中的應(yīng)用

陳繼勛

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)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(tǒng)、傳感器、電動閥和接口模塊等組成的一種工業(yè)自動化儀表裝置。該設(shè)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(tǒng)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(yè)中最常用的水泵、變頻器、調(diào)節(jié)閥、流量、溫度、壓力以及液位變送器，具有極強(qiáng)的工業(yè)特性。學(xué)生可以學(xué)習(xí)儀器儀表原理、接線、校準(zhǔn)以及特性測量等，還可以結(jié)合控制器自由組合控制回路，然后進(jìn)行控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

1 SCE-IAI02工業(yè)自動化實(shí)訓(xùn)設(shè)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(fā)展方向，具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊以及功能全面等特點(diǎn)[1]。它完全兼容TIA軟件，可以通過以太網(wǎng)與G120和HMI通信。PLC單元配備了CPU1214C DC/DC/DC CPU、SM1223 DI8/DO8數(shù)字量擴(kuò)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(tǒng)。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(wǎng)控制變頻器達(dá)到控制水泵轉(zhuǎn)速的目的，從而調(diào)節(jié)液位、流量以及壓力等參數(shù)。

1.3 儀表單元-智能型四回路、四數(shù)顯、四輸出控制變送儀單元

智能型四回路、四數(shù)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(dá)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(nèi)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(jù)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(shù)字量液位傳感器和一個模擬量液位傳感器。當(dāng)液位過低時，底部的液位傳感器接通，此時不能用于加熱。當(dāng)液位過高時，頂部的液位傳感器接通，此時不能繼續(xù)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(jī)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(nèi)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(jù)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(tǒng)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(qiáng)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(nèi)溫度，并將數(shù)據(jù)傳輸給智能型四回路、四數(shù)顯、四輸出控制變送儀，并在儀表上顯示溫度。

2 SCE-IAI02工業(yè)自動化儀器儀表實(shí)訓(xùn)裝置的特點(diǎn)

裝置能自行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)工藝的組合，選擇各種儀表和執(zhí)行器進(jìn)行裝配。它采用模塊化設(shè)計(jì)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(shè)備和電器設(shè)備進(jìn)行配電、安裝、接線。同時，它配有PLC控制器模塊，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的編程、調(diào)試等任務(wù)。該系統(tǒng)運(yùn)行時采用循環(huán)水，帶有水質(zhì)過濾器，可防止設(shè)備生銹。流量計(jì)采用電磁流量計(jì)，杜絕發(fā)生堵轉(zhuǎn)而無法測量的情況，同時計(jì)量精度高，可免于維護(hù)。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(jìn)而縮短加熱時間，節(jié)省學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時間；另一個由透明有機(jī)玻璃制成，在做液位實(shí)驗(yàn)時用于觀察液位的變化[3]。它具有雙重防干燒保護(hù)，可預(yù)防學(xué)生做實(shí)驗(yàn)失控時干燒而燒壞設(shè)備。水泵采用磁力泵隔離機(jī)械與葉片隔離，避免通過密封圈的老化而滲水流入電機(jī)的繞組破壞絕緣而發(fā)生漏電或繞組燒毀，同時降低噪聲，提供更好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。電動調(diào)節(jié)閥采用開度反饋提高控制精度。儀表采用國內(nèi)知名品牌，分布領(lǐng)域廣。

3 SCE-IAI02工業(yè)自動化儀器儀表實(shí)訓(xùn)裝置的應(yīng)用

3.1 硬件組態(tài)

本實(shí)訓(xùn)裝置可完成對控制任務(wù)的分析、換向閥的選擇與應(yīng)用、典型回路與電氣控制回路的基本結(jié)構(gòu)安裝、故障檢測與分析以及系統(tǒng)的安全保護(hù)，同時可以使用仿真軟件進(jìn)行項(xiàng)目管理、建立資料庫以及繪制回路圖[4]。硬件組態(tài)圖如圖1所示。

圖1 SCE-IAI02工業(yè)自動化儀器儀表實(shí)訓(xùn)裝置硬件組態(tài)圖

3.2 常見故障的排除

在學(xué)生訓(xùn)練過程中，可以人為設(shè)置一些故障點(diǎn)，讓學(xué)生自己尋找故障點(diǎn)，從而達(dá)到訓(xùn)練的目的，如表1所示。

3.3 模擬量的采集

實(shí)際工業(yè)應(yīng)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(zhuǎn)換為電量（如電壓或電流）信號再傳輸給PLC系統(tǒng)[5]。這些信號均為模擬量，需對其做進(jìn)一步加工處理，以便計(jì)算、比較以及顯示。

表1 故障現(xiàn)象及處理方法

3.3.1 模擬量輸入轉(zhuǎn)換

某個壓力傳感器的量程為0～0.1 MPa，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號為0～5 V。設(shè)轉(zhuǎn)換后地址IW6中的數(shù)值為N。S7-1200 PLC默認(rèn)的模擬信號輸入電壓范圍是0～10 V，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的范圍是0～27 648。因?yàn)榇藟毫鞲衅鬏敵鲭妷悍秶?～5 V，轉(zhuǎn)換的數(shù)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(dǎo)公式將電壓值還原成以Pa為單位的壓強(qiáng)值，并將結(jié)果存儲于寄存器MD30中。電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后存入IW64的數(shù)值為N，單位為Pa。假設(shè)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(zhuǎn)換為一個范圍為0～10 V的連續(xù)電壓信號輸入給PLC。模擬量經(jīng)過PLC內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成了范圍0～27 648的數(shù)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(biāo)準(zhǔn)化”指令和SCALE_X：“縮放”指令可以實(shí)現(xiàn)模擬量的采集，程序如圖3所示。其中，NORM_X：“標(biāo)準(zhǔn)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(jiān)控屏幕上直觀地顯示數(shù)值，而不是0～27 648中間的某一個值，如圖3所示。

圖2 程序設(shè)計(jì)

圖3 HMI畫面

4 結(jié)語

使用實(shí)訓(xùn)設(shè)備一年多，效果顯著，對高職學(xué)生學(xué)習(xí)過程控制基礎(chǔ)具有重要作用，同時為甘肅省技能型人才培養(yǎng)提供了優(yōu)越的實(shí)訓(xùn)條件。