董杰民

（江門市立天機(jī)電工程有限公司，廣東 江門 529000）

0 引言

PLC（可編程序控制器）是20世紀(jì)60年代以來發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置，特別適用于控制做重復(fù)且固定動(dòng)作的設(shè)備。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、外圍布線簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)。2010年10月，某醫(yī)院1臺(tái)80年代后期生產(chǎn)的重要設(shè)備——液氧泵控制柜故障，要求重新設(shè)計(jì)制造1臺(tái)相同功能的設(shè)備來代替，并提出如下要求：（1）該設(shè)備承擔(dān)著供應(yīng)全醫(yī)院所用氧氣的重任，所以設(shè)計(jì)制造時(shí)間要短；（2）制造設(shè)備所用元器件必須可靠耐用，具有高替換性；（3）設(shè)計(jì)線路要簡(jiǎn)潔，當(dāng)元器件出現(xiàn)故障時(shí)，值班電工可以隨時(shí)更換；（4）3臺(tái)泵的工作方式：每次運(yùn)行時(shí)投入2臺(tái)泵工作，1臺(tái)備用，按投入工作次數(shù)計(jì)算而自動(dòng)輪換，即第1次投入1#與2#泵，第2次投入2#與3#泵，第3次投入3#與1#泵，然后復(fù)位。

1 工程設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

（1）用儲(chǔ)氣罐上原有壓力表的上下限觸點(diǎn)作為PLC輸入信號(hào)來控制泵的啟動(dòng)與停止；（2）用熱保護(hù)繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)作為PLC輸入信號(hào)，控制程序進(jìn)入故障處理回路；（3）編寫PLC程序?qū)崿F(xiàn)按壓力開關(guān)閉合次數(shù)來自動(dòng)輪換的工作方式。

1.2 電路設(shè)計(jì)

1.2.1 主回路

（1）因泵的功率較小，采用接觸器直接啟動(dòng)―停止的工作方式；（2）3臺(tái)泵各支路獨(dú)立供電，互相之間不影響運(yùn)行；（3）3支路輸出端串接熱保護(hù)繼電器作過載保護(hù)，其動(dòng)觸點(diǎn)接至PLC作故障輸入信號(hào)；（4）控制柜面板配置電壓、電流表，工作狀態(tài)指示燈等常規(guī)配置。

1.2.2 控制回路

（1）自動(dòng)/手動(dòng)狀態(tài)、壓力表上下限觸點(diǎn)、各泵手動(dòng)按鈕、熱保護(hù)繼電器觸點(diǎn)作為PLC各步驟的動(dòng)作信號(hào)，接到PLC輸入端供程序控制運(yùn)算用。（2）PLC輸出控制中繼、3臺(tái)泵的配套電磁閥及運(yùn)行狀態(tài)指示燈。（3）中繼擴(kuò)展帶動(dòng)接觸器合閘（圖1）。（4）為解決壓力表的上下限觸點(diǎn)的竄動(dòng)問題，用有觸點(diǎn)自鎖的中繼作為隔離元件提供啟停泵信號(hào)到PLC輸入端；出于安全考慮，由壓力表至本控制柜的外接回路，用AC24 V安全電壓供電。

圖1 控制回路示意圖

1.3 元器件選擇

（1）每臺(tái)泵功率為5.5 kW，計(jì)算出運(yùn)行電流約10.5 A，乘以1.5倍安全余量為15.7 A，故各支路的熱保護(hù)繼電器動(dòng)作電流選定12 A，其他電氣元件的額定電流可選定20A。（2）核心元件PLC選用日本三菱電氣公司生產(chǎn)的FX2N-32MR-001型號(hào)產(chǎn)品，其具有16個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，繼電器輸出，可直接帶動(dòng)交、直流負(fù)載，使用AC220V電源。（3）查PLC使用手冊(cè)：繼電器輸出型PLC，其輸出觸點(diǎn)可直接帶感性負(fù)載≤80VA（AC230V）；查CJ20交流接觸器說明書：CJ20-25A接觸器的起動(dòng)容量為93.1 VA（AC220V），即CJ20-25A接觸器不能直接接到PLC輸出端，須加中繼作容量擴(kuò)展。（4）輸出回路的中繼采用互換性強(qiáng)的HH54P系列小型中繼。（5）接觸器選用國(guó)產(chǎn)質(zhì)量較好且互換性強(qiáng)的CJ20型。

1.4 PLC程序設(shè)計(jì)

（1）梯形圖是PLC的編程語言，一般用“順序控制”的編程方式，即在當(dāng)前步驟用各輸入信號(hào)觸發(fā)程序運(yùn)行計(jì)算，達(dá)到設(shè)定目標(biāo)后再跳至下一步驟運(yùn)行或輸出控制。（2）應(yīng)用在Windows上運(yùn)行的“不在線調(diào)試軟件”——GX Simulator來編寫、測(cè)試程序，該軟件可以在不連接PLC情況下進(jìn)行程序的編寫，并有模擬PLC運(yùn)行模式，通過觀察X和Y元件的運(yùn)行狀態(tài)來確定、調(diào)試程序。PLC控制程序主要分為：“3臺(tái)泵按壓力開關(guān)閉合次數(shù)計(jì)算自動(dòng)輪換工作程序”、2臺(tái)泵錯(cuò)開啟動(dòng)時(shí)間的“主控運(yùn)行程序”、“故障判斷程序”、“故障替換程序”4大部分。另外還有“故障報(bào)警程序”和“手動(dòng)控制程序”。PLC程序流程圖如圖2所示。

圖2 PLC程序流程圖

1.4.1 3臺(tái)泵按壓力開關(guān)閉合次數(shù)計(jì)算自動(dòng)輪換工作程序

程序步驟：狀態(tài)寄存器S0為ON狀態(tài)→X2閉合1次→觸發(fā)1#泵對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器C0為ON狀態(tài)，同時(shí)另外2臺(tái)泵對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器C1和C2中寫入“1”→程序跳至步驟S20運(yùn)行1#與2#泵→壓力上限停機(jī)，跳回步驟S0→X2閉合2次→計(jì)數(shù)器C1為ON狀態(tài)，同時(shí)計(jì)數(shù)器C2中寫入“2”→程序跳至步驟S30運(yùn)行2#與3#泵→X2閉合3次→計(jì)數(shù)器C2為ON狀態(tài)→程序跳至步驟S40運(yùn)行3#與1#泵（圖3）→壓力上限停機(jī)→跳至S45步驟，清除所有運(yùn)行狀態(tài)，延時(shí)1 s跳回S0步驟重新運(yùn)行。

圖3 3臺(tái)泵按壓力開關(guān)閉合次數(shù)計(jì)算自動(dòng)輪換工作程序

1.4.2 主控運(yùn)行程序

程序步驟：計(jì)數(shù)器C0為ON狀態(tài)，跳至S20步驟→啟動(dòng)1#電磁閥與柜面指示燈，同時(shí)開始計(jì)時(shí)10s→時(shí)間到跳至S21步驟→保持1#電磁閥，啟動(dòng)1#泵，延時(shí)90s（時(shí)間內(nèi)壓力夠則跳至S24步驟）→時(shí)間到仍未夠壓力，跳至S22步驟→保持1#電磁閥與1#泵，啟動(dòng)2#電磁閥同時(shí)開始計(jì)時(shí)10s→時(shí)間到跳至S23步驟→1#與2#電磁閥、1#與2#泵全啟，延時(shí)2 min（預(yù)防壓力表壞造成儲(chǔ)氣罐超壓發(fā)生爆炸事故）→壓力夠或時(shí)間到跳至S24步驟→先停2#電磁閥與2#泵→延時(shí)2 s跳至S25步驟→清除所有運(yùn)行狀態(tài)→延時(shí)1 s跳至S0步驟，等待啟動(dòng)信號(hào)重新選擇支路程序運(yùn)行（只介紹1#與2#泵運(yùn)行情況，其他支路相同）。

1.4.3 故障判斷程序

程序步驟：任一熱繼動(dòng)作→程序跳至S50步驟→程序根據(jù)計(jì)數(shù)器C0、C1和C2的當(dāng)前數(shù)值，判斷運(yùn)行哪一支路處理程序（假設(shè)C0為ON狀態(tài)）→啟1#與2#泵時(shí)，2#泵故障→跳至S52步驟，并啟動(dòng)S67步驟，點(diǎn)亮安裝在門口處的報(bào)警燈（頻閃報(bào)警）；若1#泵故障，且2#泵已運(yùn)行時(shí)→跳至S60與S67步驟；若1#泵故障，2#泵未啟動(dòng)時(shí)→跳至S30步驟，運(yùn)行2#與3#泵，并啟動(dòng)S67步驟（只介紹1#與2#泵，其他支路相同）。故障判斷程序流程圖如圖4所示。

圖4 故障判斷程序流程圖

1.4.4 故障替換程序

程序步驟：當(dāng)跳至S52步驟→1#泵繼續(xù)工作，同時(shí)計(jì)時(shí)100s→時(shí)間內(nèi)壓力夠則跳至S55步驟停機(jī)，壓力未夠則跳至S53步驟→保持1#泵，啟動(dòng)3#泵，同時(shí)計(jì)時(shí)2 min→時(shí)間內(nèi)壓力夠跳至S55，壓力未夠則跳至S54步驟→強(qiáng)制停3#泵，延時(shí)2 s跳至S55步驟→消除所有運(yùn)行狀態(tài)，返回S0步驟，重新等待選擇支路啟動(dòng)（注：原程序是返回S0步驟，后期修改程序才改為S52）（只介紹1#與2#泵，其他支路相同）。

2 程序測(cè)試

程序測(cè)試可以在Windows上運(yùn)行的GX Simulator三菱PLC專業(yè)測(cè)試軟件上進(jìn)行，該軟件在不連接PLC的情況下在電腦上模擬PLC各輸入點(diǎn)“X”的ON或OFF狀態(tài)，在監(jiān)控觀察窗口中顯示出PLC輸出點(diǎn)“Y”的工作狀態(tài)（ON狀態(tài)顯黃色），是否與程序設(shè)計(jì)要求一致。經(jīng)調(diào)試，所編寫程序已達(dá)到設(shè)計(jì)目的。再將該程序用三菱FX系列PLC的專用編程軟件“FXGP-WIN-C”編譯一次，并傳送至PLC后對(duì)已裝配完畢的整機(jī)進(jìn)行全面檢驗(yàn)，至此整個(gè)工程的設(shè)計(jì)制造階段已經(jīng)完成。

3 使用情況跟蹤

該控制柜于2010年10月安裝使用，一直處于正常運(yùn)行狀態(tài)。2012年5月因醫(yī)院擴(kuò)建，原設(shè)備搬遷到新址安裝后發(fā)現(xiàn)2#泵的軸承損壞，電工把2#泵斷電后，程序出現(xiàn)混亂情況。

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)是故障替換程序的最后返回語句有問題：壓力上限停機(jī)后又跳回S0步驟，這等于沒有將故障泵排除于運(yùn)行之外，將該步驟改為跳至故障替換程序的第1步來進(jìn)行循環(huán)操作，即：原1#與2#泵運(yùn)行→當(dāng)2#泵故障→程序跳至S52開始→運(yùn)行1#與3#泵→壓力上限停機(jī)→壓力低再觸發(fā)→跳回S52步驟循環(huán)，從而將2#故障泵排除于運(yùn)行之外。修改程序后設(shè)備運(yùn)行正常。

4 結(jié)語

選用PLC來做較復(fù)雜的控制電路是最合適的，PLC與繼電器電路相比具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)：外圍元器件大量減少，觸頭接觸不良造成的故障率也大大減少；使用壽命長(zhǎng)，只要注意帶負(fù)載不超過其規(guī)定值，平均無故障時(shí)間可達(dá)數(shù)萬小時(shí)以上；裝配控制柜時(shí)可與編寫、測(cè)試程序同時(shí)進(jìn)行操作，裝配完畢后再將程序輸入PLC，大大縮短制造時(shí)間；后期維修更改時(shí)無需改動(dòng)線路，只需修改程序，即可達(dá)到用戶要求。

［1］岳慶來.變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2006

［2］FX2N系列微型可編程序控制器使用手冊(cè)

［3］日本三菱電氣公司.FX系列PLC產(chǎn)品使用手冊(cè)