任曉敏

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710089）

目前大中型藥廠對制藥環(huán)境要求很高，藥廠室內(nèi)溫度的高低和濕度的大小均會影響到藥品的質(zhì)量，若采用組合式空調(diào)機(jī)組（簡稱空調(diào)機(jī)組）就完全可以實現(xiàn)藥廠室內(nèi)的環(huán)境溫度要求。近年來可編程邏輯控制器（英文縮寫PLC）在工業(yè)自動控制方面應(yīng)用越來越廣泛，由于具有功能豐富、編譯簡單、使用方便、維修故障簡單、可靠性高等特點(diǎn)，因此在組合式空調(diào)機(jī)組中使用PLC控制技術(shù)，藥廠室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度等方面均得到智能化的控制，有效地提高了工作的生產(chǎn)效率。

鑒于現(xiàn)在高職院校理工科學(xué)生在學(xué)習(xí)PLC課程時，對PLC的擴(kuò)展模塊及PID等知識只了解基本概念，對原理不慎其解，更不會進(jìn)行應(yīng)用。本文是基于對PLC知識的應(yīng)用，以簡易空調(diào)機(jī)組溫度控制系統(tǒng)為實例，結(jié)合學(xué)生的實際水平，設(shè)計與制作一套較為完善的空調(diào)機(jī)組溫度控制模擬裝置[1]，目的就是一方面有助于鞏固所學(xué)專業(yè)知識，拓展學(xué)生的思維，另一方面自行研制教學(xué)裝置有助于提升教師科研水平，同時為學(xué)院在購買設(shè)備上節(jié)約了一部分資金。

1 裝置介紹

1.1 裝置的控制原理

某藥廠依據(jù)“藥品GMP認(rèn)證”的要求對室內(nèi)環(huán)境溫度要求控制在18～26℃范圍內(nèi)，因此管理制藥設(shè)備運(yùn)行的人員可根據(jù)一年四季不同的室內(nèi)氣溫，選用組合式空調(diào)機(jī)組可有效地將室內(nèi)溫度控制在要求范圍內(nèi)。組合式空調(diào)機(jī)組本身不帶冷、熱源，以冷、熱水或蒸汽為媒介，通過室外的制冷機(jī)組對冷（熱）進(jìn)行制冷降溫（或加熱升溫），由各種空氣處理功能段組裝的一種空氣處理設(shè)備，分別由電加熱、除濕、加濕、送風(fēng)機(jī)、回風(fēng)機(jī)、噴水、冷卻、過濾等單元體組成。組合式空調(diào)機(jī)組可以通過PLC對加熱設(shè)備和制冷設(shè)備的控制，以達(dá)到合適的溫度，室內(nèi)可選用雙金屬溫度計，可直觀的觀察到回風(fēng)及出風(fēng)溫度。

空調(diào)溫度控制模擬裝置是將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空調(diào)機(jī)組進(jìn)行簡化，只進(jìn)行制冷控制?，F(xiàn)場模擬藥廠的車間環(huán)境，通過溫度傳感器檢測室內(nèi)溫度，并將溫度信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字量送人PLC中，PLC通過讀指令將這些測量值讀入，再通過比較指令與車間內(nèi)所需溫度的設(shè)定值比較，得到偏差值，根據(jù)溫度偏差值調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)組中的制冷裝置，從而在給定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工作[2]。對于組合式空調(diào)機(jī)組中的回風(fēng)閥、排風(fēng)閥、加濕閥、風(fēng)機(jī)、過濾裝置等控制在裝置中沒有涉及到，因此本文不做解釋說明[3]。

1.2 裝置的功能

該裝置采用兩臺電動機(jī)要求具有順序啟動、停止及保護(hù)的功能，將檢測到的溫度信號送給PLC，電動機(jī)可以實現(xiàn)順序啟動或順序停止，并通過計算機(jī)和PLC的軟件觀察模擬空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行情況；空調(diào)機(jī)組溫度控制系統(tǒng)模擬裝置通過獲得反饋信息，從而達(dá)到自控的作用；裝置還提供有源警報信號接口，可接指示燈直觀顯示警報紅燈，紅燈亮起以提醒設(shè)備運(yùn)行管理人員。

1.3 裝置的特點(diǎn)

該裝置是一種利用PLC控制技術(shù)，選用網(wǎng)孔板和常用低壓電氣元器件搭建實物平臺仿真與模擬工業(yè)現(xiàn)場下的溫度控制的裝置。通過采用開放臺式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔板上可以安裝主機(jī)單元（PLC及擴(kuò)展模塊）、電源模塊、溫度傳感器、部分低壓元器件以及線槽和導(dǎo)軌，根據(jù)控制系統(tǒng)的溫度要求，通過拼接積木的方式擺放固定元器件，使用導(dǎo)線連接安裝完成，然后通過調(diào)試好的程序驅(qū)動電動機(jī)以降低室溫。在符合控制要求的前提下，可根據(jù)自己的設(shè)計任意改變其結(jié)構(gòu)，真實地模擬空調(diào)機(jī)組的工作，不僅使用方便靈活，而且安全可靠，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計、安裝、分析等綜合能力。

2 硬件設(shè)計

該裝置溫度控制系統(tǒng)以PLC為核心，選用西門子CPU226CN和其擴(kuò)展模塊EM231（4路12位模擬量輸入）、EM232（2路12位模擬量輸出）[4]；溫度控制系統(tǒng)采集的信號為模擬量，這里選用具有測量精度高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)的熱敏電阻傳感器，它按溫度改變電阻值，再通過轉(zhuǎn)換電路將電阻變化量轉(zhuǎn)化為電壓變換量，根據(jù)電壓變化量反映空氣溫度變化，主要作用是將檢測的溫度信號轉(zhuǎn)換為PLC需要的數(shù)字量。經(jīng)過多次測試和分析確定在裝置中選用上述元器件，不僅系統(tǒng)性能得到了極大地改善，而且滿足藥廠車間的室溫的要求。

2.1 控制系統(tǒng)方框圖

裝置的溫度控制系統(tǒng)以PLC為主機(jī)單元，通過相應(yīng)的軟件完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)運(yùn)算，其輸出信號來控制電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，空調(diào)機(jī)組溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的方框簡圖如圖1所示。由于采集到的輸入量溫度是模擬量，模擬量首先由溫度傳感器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電壓，PLC用A/D轉(zhuǎn)換器即擴(kuò)展模塊EM231將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，D/A轉(zhuǎn)換器即擴(kuò)展模塊EM232將PLC的數(shù)字輸出量轉(zhuǎn)換為模擬電壓[5]，再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.2 系統(tǒng)的硬件電路

溫度控制系統(tǒng)的硬件電路主要由3部分組成，一部分由交流接觸器的主觸點(diǎn)和制冷閥電動機(jī)構(gòu)成主電路，另一部分就是控制電路部分，包括交流接觸器的輔助觸點(diǎn)和線圈、按鈕等，第三部分是PLC的外部接線圖。

圖1 系統(tǒng)方框簡圖Fig.1 System block diagram

1）主電路

該裝置的溫度控制系統(tǒng)選用兩臺制冷閥電動機(jī)，分別由兩只交流接觸器控制，選擇空氣開關(guān)、熔斷器、熱繼電器進(jìn)行安全保護(hù)。如圖2所示為系統(tǒng)的主電路。

圖2 系統(tǒng)主電路Fig.2 The main circuit of the system

2）PLC的外部接線圖

溫度控制系統(tǒng)的硬件電路起控制關(guān)鍵作用的就是PLC的外部接線圖，根據(jù)PLC的I/O分配表，外部接線圖如圖3所示。

圖3 PLC的外部接線圖Fig.3 The external wiring diagram of PLC

2.3 裝置的安裝

根據(jù)控制要求及電路原理圖，還需畫出系統(tǒng)的安裝位置圖。安裝位置圖在設(shè)計時必須符合安裝工藝要求，主要以PLC和交流接觸器為核心，除了熱電偶溫度傳感器、計算機(jī)和電動機(jī)接在網(wǎng)孔板以外，其他元器件可以根據(jù)實際需要進(jìn)行靈活安裝固定。如圖4所示，左圖為空調(diào)機(jī)組模擬裝置的安裝位置圖，右圖為接好的實物圖。

圖4 空調(diào)機(jī)組模擬裝置的安裝位置圖Fig.4 Air conditioning unit installation location map simulation device

3 軟件設(shè)計

3.1 I/O分配表

根據(jù)裝置的溫度控制要求，列出控制系統(tǒng)的輸入信號與輸出信號的名稱、分配地址即I/O分配表如表1所示。溫度控制系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點(diǎn)3個、開關(guān)量輸出點(diǎn)5個、模擬量輸入點(diǎn)一個、模擬量輸出點(diǎn)一個。

表1 I/O分配表Tab.1 I/O allocation table

3.2 程序設(shè)計

軟件設(shè)計以西門子可編程邏輯控制器S7-200為平臺，程序設(shè)計包括主程序、子程序，其中溫度控制部分程序較為復(fù)雜，以下給出部分溫度控制程序作為參考[6]。需要注意在模擬量數(shù)據(jù)的處理時需要對模擬量輸入、輸出信號進(jìn)行整定，在整定過程中要熟悉模擬量輸出模塊中的數(shù)字量與模擬量之間對應(yīng)的線性關(guān)系[7]。

溫度值轉(zhuǎn)換

LD Always_On:SM0.0

MOVW 制冷反饋量平均值:AIW10，VW672

-I +6400，VW672

ITD VW672，VD676

DTR VD676，VD680

最終模擬量轉(zhuǎn)換值：

LD Always_On:SM0.0

MOVR VD680，VD684

/R 25600.0，VD684

LD Always_On:SM0.0

MOVR 100.0，VD688

-R 0.0，VD688

LD Always_On:SM0.0

MOVR VD684，VD692

*R VD688，VD692

反饋值處理程序結(jié)束：

LD Always_On:SM0.0

MOVR VD692，制冷反饋量:VD16

-R 0.3，制冷反饋量:VD16

制冷設(shè)定值，手動有效：

LD Always_On:SM0.0

AN 制冷模式:M1.7

CALL HMI_PV:SBR4，制冷設(shè)定值:VD36，VD1004

制冷PID控制：

LD Always_On:SM0.0

CALL ZL_PID:SBR0，回風(fēng)溫度平均值:AIW0，溫度設(shè)定值:VD20，自動判定:M5.0，制冷設(shè)定值:VD36，制冷PID輸出值:VW72

輸出到制冷閥：

LD Always_On:SM0.0

MOVW 制冷PID輸出值:VW72，制冷調(diào)節(jié)閥:AQW10

4 裝置調(diào)試

在網(wǎng)孔板上將裝置安裝好后，對照電路圖檢查電路的接線是否有誤，當(dāng)確保接線無誤后，然后下載程序，在線監(jiān)控程序的運(yùn)行，按下啟動按鈕SB2，觀察交流接觸器的動作順序和電動機(jī)的運(yùn)行情況，檢查是否符合溫度控制要求。在保證空調(diào)機(jī)組溫度控制系統(tǒng)的模擬裝置正常運(yùn)行的前提下，試驗結(jié)果證明模擬裝置還能夠?qū)收霞皶r發(fā)現(xiàn)與處理，有效防止事故的發(fā)生，確保系統(tǒng)設(shè)備的安全。

5 結(jié)束語

本文分析了組合式空調(diào)機(jī)組的應(yīng)用及PLC技術(shù)在教學(xué)上的要求，確定空調(diào)機(jī)組溫度模擬裝置的總體設(shè)計方案，經(jīng)過硬件電路的設(shè)計、軟件編程、調(diào)試等環(huán)節(jié)，利用PLC控制技術(shù)及自帶的監(jiān)控功能，調(diào)試結(jié)果表明該裝置不僅實現(xiàn)了空調(diào)機(jī)組的兩臺電動機(jī)之間的協(xié)調(diào)作用，而且溫度控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、使用經(jīng)濟(jì)靈活[8]，能夠保證藥廠車間的環(huán)境溫度保持在恒定的范圍內(nèi)，在教學(xué)上具有較強(qiáng)的示范作用。

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