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(dòng)閥門(mén)測(cè)試控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)了一套自動(dòng)閥門(mén)測(cè)試控制系統(tǒng)，對(duì)化工生產(chǎn)中經(jīng)常用到的自動(dòng)閥門(mén)進(jìn)行模擬實(shí)際工況的測(cè)試。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)測(cè)試過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、控制參數(shù)輸入、畫(huà)面監(jiān)控顯示、數(shù)據(jù)管理、報(bào)警提示等多項(xiàng)功能，具有控制靈活、精確度高、故障率低的特點(diǎn)。

自動(dòng)閥門(mén) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 可編程控制器 觸摸屏

化工生產(chǎn)對(duì)閥門(mén)的密封性能要求很高，而閥門(mén)由于在化工管道中長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)閉，自身的磨損及不同溫度下腐蝕性液體對(duì)閥門(mén)的腐蝕會(huì)對(duì)閥門(mén)的密封性能造成影響[1]。因此，在化工生產(chǎn)中，自動(dòng)閥門(mén)(如電動(dòng)球閥和電磁閥)已經(jīng)廣泛替代了手動(dòng)閥門(mén)，設(shè)計(jì)一套針對(duì)自動(dòng)閥門(mén)的測(cè)試控制系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證閥門(mén)的使用性能十分必要。

1 系統(tǒng)原理及硬件構(gòu)成

自動(dòng)閥門(mén)的閥體部分灌入工藝介質(zhì)，兩端封閉，浸在測(cè)試容器中的導(dǎo)熱油里，控制系統(tǒng)在測(cè)試容器中模擬實(shí)際工況，控制導(dǎo)熱油溫度和自動(dòng)閥門(mén)開(kāi)閉設(shè)定次數(shù)，開(kāi)閉時(shí)間間隔和開(kāi)閉次數(shù)要結(jié)合實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。測(cè)試完成后，進(jìn)行球閥金屬表層腐蝕電鏡檢測(cè)和閥門(mén)密封性能檢測(cè)[2]。密封性能檢測(cè)在測(cè)試容器中進(jìn)行，將壓縮空氣通過(guò)管路通入自動(dòng)閥門(mén)的一端，控制自動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)閉，檢測(cè)導(dǎo)熱油液體在閥門(mén)開(kāi)閉動(dòng)作時(shí)是否有氣泡出現(xiàn)，進(jìn)而驗(yàn)證自動(dòng)閥門(mén)的密封性能。

圖1 閥門(mén)測(cè)試裝置總體架構(gòu)示意

1.1可編程控制器

閥門(mén)測(cè)試控制系統(tǒng)主機(jī)模塊選用CPU226，具有40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)(24輸入/16輸出)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大可擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。在通信方面，CPU226具有2個(gè)RS-485通信/編程口，具有PPI，MPI通信協(xié)議和自由方式通信能力[3-4]，各項(xiàng)性能均可滿(mǎn)足測(cè)試控制系統(tǒng)的要求。

溫度采集模塊上部共有12個(gè)端子，從左邊開(kāi)始8個(gè)端子中每4個(gè)為1組，接熱電阻傳感器?？刂葡到y(tǒng)只用到1組，另1組串接1個(gè)匹配電阻。

溫度控制模塊的功能是把PLC輸出的數(shù)字量經(jīng)光電耦合器后，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器處理，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算放大器后驅(qū)動(dòng)輸出，其中光電耦合器主要是將內(nèi)外電路隔開(kāi)，防止外部電磁干擾信號(hào)對(duì)PLC內(nèi)部電路造成干擾。該測(cè)試系統(tǒng)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(hù)用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的感應(yīng)屏幕時(shí)，所觸摸的位置被觸摸屏控制器檢測(cè)并轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)接口送到CPU，從而確定輸入的信息[5]。觸摸屏與PLC通過(guò)PPI通信協(xié)議建立高速連接，通信速率高達(dá) 187.5Kbit/s。閥門(mén)測(cè)試控制系統(tǒng)要求觸摸屏畫(huà)面顯示較多的信息，該系統(tǒng)觸摸屏的寬屏顯示和傳統(tǒng)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(shè)備能耗，結(jié)合屏保功能可以最大限度地延長(zhǎng)觸摸屏的使用壽命，增加整套測(cè)試系統(tǒng)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(cè)量范圍為0～150℃，輸出為4～20mA信號(hào)。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(xiàn)性關(guān)系，偏差極小，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，偏差可以忽略。在額定電壓下，監(jiān)測(cè)其電流，可以得出現(xiàn)場(chǎng)溫度。測(cè)試系統(tǒng)采用三線(xiàn)式鉑熱電阻連接方式，該連接方式的鉑電阻具有性能穩(wěn)定、抗氧化能力強(qiáng)和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)[6]。

國(guó)際油價(jià)大幅上漲。前三季度，國(guó)際油價(jià)總體呈上升趨勢(shì)，漲幅較大。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還顯示，WTI原油（普氏現(xiàn)貨，下同）原油均價(jià)為66.50美元/桶，同比上漲31.0%；布倫特原油均價(jià)為71.70美元/桶，漲幅32.9%；迪拜原油均價(jià)69.62美元/桶，上漲31.6%；勝利原油均價(jià)64.07美元/桶，漲幅31.9%。

溫控箱由單相調(diào)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(hào)經(jīng)過(guò)單相調(diào)壓板和雙向可控硅的共同作用變?yōu)殡妷褐?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱套輸出功率的控制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)分為PLC程序設(shè)計(jì)和觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)。PLC程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷與控制執(zhí)行等功能；觸摸屏人機(jī)界面是為了直接訪(fǎng)問(wèn)和修改PLC變量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、狀態(tài)的輸出、顯示、控制和存儲(chǔ)等功能。

2.1PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC控制程序分為閥門(mén)開(kāi)關(guān)程序和溫度控制程序。以電動(dòng)球閥相應(yīng)控制程序設(shè)計(jì)為例,表1是程序中用到的一部分變量及相應(yīng)地址。

表1 電動(dòng)球閥PLC控制程序部分變量及地址

開(kāi)關(guān)控制程序涉及閥門(mén)所處狀態(tài)的判斷、開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)次數(shù)的設(shè)定等一系列問(wèn)題。

電動(dòng)球閥通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿使球閥開(kāi)啟或關(guān)閉，同時(shí)閥桿使電位器接觸或斷開(kāi)，通過(guò)4個(gè)電位器聯(lián)合指示閥門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)。閥位指示控制接線(xiàn)端有9個(gè)端子，“1”～“3”端為電機(jī)開(kāi)啟/關(guān)閉控制端，分別對(duì)應(yīng)電源公共端、“開(kāi)”動(dòng)作、“關(guān)”動(dòng)作端。主機(jī)模塊CPU226的供電模式為交流 220V， 輸出是繼電器模式。電動(dòng)球閥供電需要交流220V，因而將“1”端接入主機(jī)模塊的“N”端，“2”端和“3”端分別接Q0.0與Q0.1，將主機(jī)模塊中的“L1”端與“1L”端短接，這樣通過(guò)控制Q0.0端與Q0.1端得電與否，可控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉。

“4”～“9”端相互之間的接通關(guān)系由4個(gè)電位器確定。接線(xiàn)端中“4”端和“6”端為公共端，閥桿的轉(zhuǎn)動(dòng)使電位器的公共端子在“開(kāi)”或“閉”狀態(tài)下與不同的端子相接。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在“關(guān)”狀態(tài)下，“4”與“8”通，“6”與“7”通。在“開(kāi)”狀態(tài)下，“4”與“5”通，“6”與“9”通。由于主機(jī)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(guān)”狀態(tài)下，“I0.1”，“I0.2”接通得電；在“開(kāi)”狀態(tài)下，“I0.0”，“I0.3”接通得電。經(jīng)過(guò)判斷電路確定閥門(mén)所處狀態(tài)后，驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)器，進(jìn)而控制Q0.0端和Q0.1端接通與斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)控制。

在實(shí)際測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)若只使用閥位判斷電路來(lái)實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)啟/關(guān)閉，存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。如閥門(mén)電機(jī)正在運(yùn)行，使閥門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，突然執(zhí)行“停止”操作或出現(xiàn)斷電情況，則在重新進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生無(wú)法執(zhí)行的故障。經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)故障是由于電機(jī)帶動(dòng)閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)，在動(dòng)作過(guò)程中，它所控制的電位器可能出現(xiàn)同時(shí)關(guān)或同時(shí)開(kāi)的現(xiàn)象。若在此時(shí)，停止測(cè)試或斷電，電機(jī)停止運(yùn)行，電位器會(huì)處在一個(gè)錯(cuò)誤的位置上，再次啟動(dòng)后，判斷程序無(wú)法啟動(dòng)計(jì)時(shí)器使其開(kāi)始計(jì)時(shí)，也就無(wú)法使控制輸出端接通或閉合。因此，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)故障解決程序，使程序能夠在電位器無(wú)法工作時(shí)，繞開(kāi)判斷程序，直接啟動(dòng)計(jì)時(shí)器工作，設(shè)定時(shí)間到后，使電動(dòng)機(jī)延續(xù)故障之前的動(dòng)作。當(dāng)閥門(mén)再次處于“開(kāi)”或“關(guān)”狀態(tài)后，程序又可屏蔽掉故障解決程序，循環(huán)執(zhí)行主程序。

主機(jī)模塊CPU226支持PID指令向?qū)В弥噶钕驅(qū)蓽囟瓤刂芇ID程序[7-8]。

在編程軟件中，進(jìn)入PID指令向?qū)В?/p>

1) 選擇指定PID回路，有8個(gè)回路可以指定，該系統(tǒng)僅需要1個(gè)回路。

2) 確定給定值范圍，即該系統(tǒng)的溫控范圍，設(shè)置為0～120℃，并設(shè)定了采樣時(shí)間、比例、積分和微分4個(gè)參數(shù)，其中采樣時(shí)間設(shè)為15s，其他幾項(xiàng)參數(shù)要參考相應(yīng)條件下的整定參數(shù)。

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(duì)輸入選項(xiàng)，考慮到給定值的范圍和鉑熱電阻的測(cè)量輸出值，選擇單極性輸入范圍為0～1200。針對(duì)輸出選項(xiàng)，考慮到溫控箱信號(hào)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?qū)傻腜ID回路中，還選用了高、低限報(bào)警和手動(dòng)操作模式。圖2為電動(dòng)閥門(mén)的程序結(jié)構(gòu)。

2.2觸摸屏操作畫(huà)面設(shè)計(jì)

觸摸屏可使控制過(guò)程可視化，智能化，作為PLC的前端設(shè)備在操作人員和設(shè)備之間架起了一座橋梁，可以用簡(jiǎn)單明了而又靈活的方式來(lái)取代傳統(tǒng)設(shè)備大量的觸摸按鈕、指示燈、開(kāi)關(guān)等。自動(dòng)閥門(mén)測(cè)試系統(tǒng)采用SMART1000觸摸屏，運(yùn)用組態(tài)軟件WinCC Flexible2008進(jìn)行組態(tài)。該軟件使用戶(hù)可以在觸摸屏上組合文字、按鈕、圖形和數(shù)字信息等，來(lái)處理或監(jiān)控不斷變化的信息。

利用WinCC Flexible2008進(jìn)行觸摸屏設(shè)計(jì)，首先建立工程，然后定義變量，制作工程畫(huà)面，最后進(jìn)行模擬調(diào)試，其中至關(guān)重要的步驟是包括動(dòng)畫(huà)功能在內(nèi)的人機(jī)畫(huà)面設(shè)計(jì)。

1) 系統(tǒng)主畫(huà)面。進(jìn)入系統(tǒng)后的初始畫(huà)面為控制系統(tǒng)的主畫(huà)面，該畫(huà)面包含了各個(gè)分畫(huà)面的切換按鈕，單擊按鈕可以切換到相應(yīng)的畫(huà)面，各個(gè)分畫(huà)面均有“返回主畫(huà)面”按鈕，單擊可返回主畫(huà)面，便于用戶(hù)進(jìn)行畫(huà)面切換。

圖2 電動(dòng)閥門(mén)程序結(jié)構(gòu)示意

2) 閥門(mén)開(kāi)關(guān)控制畫(huà)面。在畫(huà)面里，可以對(duì)閥門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉進(jìn)行控制，閥門(mén)“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)間和“關(guān)”狀態(tài)時(shí)間可以設(shè)置，最小單位為秒。閥門(mén)開(kāi)關(guān)次數(shù)也可進(jìn)行設(shè)定，并可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前已開(kāi)關(guān)次數(shù)，閥門(mén)目前所處的“開(kāi)”或“關(guān)”狀態(tài)由動(dòng)畫(huà)顯示?？紤]到停電等非正常操作可能導(dǎo)致測(cè)試控制系統(tǒng)啟動(dòng)故障，設(shè)置了故障解決按鈕，可繞過(guò)閥位判斷程序，直接啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。

3) 溫度控制主畫(huà)面。此畫(huà)面設(shè)置了測(cè)試溫度設(shè)定窗口，直接輸入閥門(mén)測(cè)試所需要的溫度。畫(huà)面配有自動(dòng)/手動(dòng)選擇按鈕，可以通過(guò)按鈕設(shè)定控制方式為手動(dòng)或自動(dòng)控制，按鈕下方設(shè)置指示燈，顯示目前溫控所處的狀態(tài)，手動(dòng)輸出值可在指示燈下方手動(dòng)輸出窗口輸入?，F(xiàn)場(chǎng)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(shè)置了高溫、低溫報(bào)警提示，對(duì)低于10℃和高于95℃的溫度進(jìn)行提示。

4) 溫度控制副畫(huà)面。此畫(huà)面主要進(jìn)行溫度控制參數(shù)設(shè)定和趨勢(shì)曲線(xiàn)的顯示。初次進(jìn)入此畫(huà)面時(shí)需要用戶(hù)輸入登錄口令，防止誤操作，保證了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。畫(huà)面包含了溫控采樣時(shí)間顯示窗口，比例、微分、積分參數(shù)設(shè)定值輸入窗口。在畫(huà)面右側(cè)，設(shè)置了溫度趨勢(shì)曲線(xiàn)顯示窗口，包含了溫度設(shè)定值、現(xiàn)場(chǎng)溫度值和控制量輸出值曲線(xiàn)。

5) 報(bào)警畫(huà)面。該畫(huà)面顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的報(bào)警信息，當(dāng)有新的報(bào)警出現(xiàn)時(shí)，觸摸屏畫(huà)面將自動(dòng)彈出“報(bào)警彈出窗口”，以提示用戶(hù)注意報(bào)警信息，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者結(jié)合PLC標(biāo)準(zhǔn)工具STEP7 MicroWin32和組態(tài)軟件WinCC Flexible2008，設(shè)計(jì)了自動(dòng)閥門(mén)測(cè)試控制系統(tǒng)。觸摸屏與PLC的結(jié)合應(yīng)用使測(cè)試控制系統(tǒng)操作靈活、安全，提高了測(cè)試效率。

該測(cè)試系統(tǒng)能夠很好地模擬實(shí)際工況條件，可對(duì)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)實(shí)施精確的溫度控制，并同時(shí)使自動(dòng)閥門(mén)進(jìn)行設(shè)定次數(shù)的開(kāi)閉。實(shí)際測(cè)試證明該系統(tǒng)能夠很好地滿(mǎn)足閥門(mén)測(cè)試控制要求。

[1] 陸培文.閥門(mén)的試驗(yàn)與檢驗(yàn)[M].北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[2] 孫家孔.閥門(mén)手冊(cè)[M].北京： 中國(guó)石化出版社，2005.

[3] 廖常初.S7-200 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[4] 王三秀，蔣勝韜．S7-200系列PLC與PC間基于自由口通信的實(shí)現(xiàn)[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8(23)： 6537-6539．

[5] 廖常初.西門(mén)子人機(jī)界面(觸摸屏)組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[6] 朱正中，胡亞非，楊柱,等.PT100鉑熱電阻線(xiàn)制與二次儀表的采集誤差[J].儀表與計(jì)量技術(shù)，2005(06)： 43-45.

[7] 張浩．PLC梯形圖設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用實(shí)例[M]．北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[8] 龔仲華．S7-200/300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)——提高篇[M]．北京： 人民郵電出版社，2008： 43-75．

[9] 王建君.PLC控制系統(tǒng)的抗干擾措施[J]．石油化工自動(dòng)化，2005，41(03)： 92-93.

[10] 王茂君.用PLC實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)分批再啟動(dòng)及自動(dòng)切換[J].石油化工自動(dòng)化，2007，43(04)： 43-45,63.

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(dòng)化專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生,主要從事過(guò)程控制研究。

TP206

B

1007-7324(2013)03-0038-03