遼寧省城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院 吳 雷

鋁液夾雜檢測(cè)過程的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遼寧省城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院 吳 雷

本文所要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是用于鋁液夾雜檢測(cè)過程的PLC控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中以西門子S7-200系列PLC為控制核心，圍繞它展開并完成設(shè)計(jì)。根據(jù)電阻在線檢測(cè)法原理，根據(jù)得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析鋁液中夾雜物含量的多少。此系統(tǒng)若應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，可以通過對(duì)鋁液試樣凈化前后夾雜物含量的比較，確定是否再次凈化，以達(dá)到工業(yè)要求。

PLC；夾雜物；檢測(cè)；組態(tài)王

1 前言

最近幾年冶金凈化技術(shù)不斷發(fā)展,全世界的冶金研究和應(yīng)用者們研發(fā)出多種除雜的工藝方法,并研制了相應(yīng)的設(shè)備,巨大的推動(dòng)了鋁熔體凈化技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。于是,如何分析材料中夾雜物含量的多少,怎樣全面和準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)鋁熔體凈化方法的好壞,成為冶金研究者們新的研究方向。當(dāng)下國內(nèi)外現(xiàn)有很多種鋁液夾雜物的檢測(cè)方法,主要分為在線檢測(cè)和離線檢測(cè)。在線檢測(cè)方法主要包括：LiMCA法、LiMCAⅡ法等。離線檢測(cè)方法主要包括：金相法、過濾法、電子束熔化法、離心分離加熱法、超聲法等。當(dāng)下,我國冶金行業(yè)對(duì)離線檢測(cè)法的研究較多,但很難及時(shí)準(zhǔn)確地反應(yīng)鋁液中夾雜物的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。國外則較多的研究在線檢測(cè)法,但是在線檢測(cè)產(chǎn)品價(jià)格貴,成本投入較高,限制了在我國的應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)借助己有的研究成果,采用鋁液夾雜物在線檢測(cè)的一種方法—電阻法。電阻法的檢測(cè)依據(jù)是基于電敏感區(qū)在線檢測(cè)法,它是依據(jù)阻抗脈沖技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)的在線檢測(cè)。電敏感區(qū)法有很多優(yōu)點(diǎn),包括結(jié)構(gòu)合理、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)速度快、操作和維修簡便等,對(duì)在線快速檢測(cè)方法的研發(fā)和利用具有指導(dǎo)作用。而PLC能編制各種各樣的控制算法程序。能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算(含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、查表、排序、位操作等功能,能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、分析和處理,完成PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信［2］。因此PLC被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)控制過程中。該系統(tǒng)中檢測(cè)工作通過以SIMATIC S7-200 PLC為核心的控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。

2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 組成模塊

本系統(tǒng)主要由檢測(cè)回路、S7-200 CPU 224XP模塊和組態(tài)王過程監(jiān)控界面組成。系統(tǒng)輸入有4個(gè),用于抽氣的真空泵開關(guān)、準(zhǔn)備按鈕SB1、開始按鈕SB2和停止按鈕SB3。控制系統(tǒng)的電氣圖如圖2-1所示。

圖2-1 鋁液夾雜檢測(cè)過程的PLC控制系統(tǒng)電氣圖

2.2 工作原理

真空泵為旋轉(zhuǎn)開關(guān),可以手動(dòng)進(jìn)行操作。將5kGZL106合金放在工業(yè)電阻爐中進(jìn)行熔化,固定檢測(cè)溫度在740℃至750℃之間。檢測(cè)電路采用1.3V直流電源供電。氣壓為0.1MPa。系統(tǒng)準(zhǔn)備階段：按下準(zhǔn)備開關(guān)SB1,進(jìn)氣閥V1打開,系統(tǒng)由外帶氣瓶供氣,氣體進(jìn)入熔有鋁液的工業(yè)爐中,壓強(qiáng)增大,鋁液被下壓,剛玉檢測(cè)探頭不與鋁液接觸,為試驗(yàn)開始做準(zhǔn)備。按下開始按鈕SB2,抽氣閥V2打開、交流接觸器KM閉合。原準(zhǔn)備階段打開的進(jìn)氣閥V1必須關(guān)閉,而為了使鋁液經(jīng)過檢測(cè)探頭,在真空泵的帶動(dòng)下抽氣閥V2工作,系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中需要將進(jìn)氣閥和抽氣閥設(shè)計(jì)為互鎖狀態(tài)。檢測(cè)回路中接有分流電阻器,電阻大小為0.00075Ω用將回路中的0～100mA的大電流轉(zhuǎn)換為0～75mV小電壓。RMDV-0075-D-D電流型變送器將物理量0～75mV轉(zhuǎn)換成4～20mA電流輸出,在模擬量輸入口并聯(lián)一個(gè)250Ω電阻,將4～20mA的電流值轉(zhuǎn)換為1～5V的電壓值。由于PLC的模擬量輸入模塊電壓值控制在0～10V,檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入PLC中的電壓值需轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量,后經(jīng)邏輯運(yùn)算,轉(zhuǎn)換為1～5V所對(duì)應(yīng)的精度,從而對(duì)應(yīng)檢測(cè)的電流值存入PLC內(nèi)部寄存器中。在編輯好的畫面中編輯變量并選擇所需屬性,在組態(tài)王畫面上實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。

3 軟件設(shè)計(jì)

STEP7-Micro/WIN32西門子編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件,功能強(qiáng)大,既可用于開發(fā)用戶程序,又可實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài),它是西門子為S7-200系列PLC專門研發(fā)的軟件,對(duì)于西門子的S7-200系列用戶來說,這款軟件是必不可少的開發(fā)使用工具。STEP7-Micro/WIN32提供三種編輯器來創(chuàng)建用戶程序：梯形圖(LAD)、語句表(STL)和功能模塊(FBD)。在遵循一定的輸入要求的前提下,用某種程序編輯器對(duì)程序進(jìn)行編寫之后,可以用另外的某種編輯器進(jìn)行瀏覽或編輯。程序編譯完成,點(diǎn)擊可編程控制器中“編譯”項(xiàng)開始離線狀態(tài)下編譯。程序編譯結(jié)束后,其中的錯(cuò)誤語法數(shù)量、各條錯(cuò)誤的理由和錯(cuò)誤的出現(xiàn)位置將在在輸出窗口顯示出來。對(duì)窗口中的錯(cuò)誤逐條進(jìn)行雙擊,矩形光標(biāo)將會(huì)跳到程序中被雙擊的錯(cuò)誤程序的位置。程序中所有錯(cuò)誤全部被改正,編譯成功后才可以將程序進(jìn)行下載。在進(jìn)行下載前,可編程控制器應(yīng)處于停止方式。如果不在停止方式,可將CPU模塊上的方式開關(guān)調(diào)整到停止位置。對(duì)工具條中“下載”按鈕進(jìn)行單擊,或者對(duì)“文件”菜單中的“下載”項(xiàng)進(jìn)行選擇,用戶能夠進(jìn)行多種選擇,包括是否下載數(shù)據(jù)塊、程序塊和系統(tǒng)塊。對(duì)“確認(rèn)”按鈕進(jìn)行單擊,開始下載相應(yīng)信息。下載完成后,確認(rèn)框?qū)@示“成功”?？删幊炭刂破骱碗娔X中的V3.0 STEP 7 MicroWIN SP3連接成功,且程序己下載在PLC中。用戶可直接在軟件環(huán)境下調(diào)試并監(jiān)視用戶程序的進(jìn)行。接下來是設(shè)計(jì)的主界面,主要用來顯示鋁液夾雜系統(tǒng)的幾個(gè)子界面入口以及監(jiān)控時(shí)間。

4 硬件設(shè)計(jì)

S7-200 PLC系列可編程序控制器特別緊湊,但是具有驚人的能力。硬件構(gòu)架包括構(gòu)成系統(tǒng)的CPU模塊和豐富多樣的擴(kuò)展模塊。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備的控制,以滿足實(shí)際工程中自控的需求。S7-200除可以實(shí)現(xiàn)可編程控制器的基本控制功能外,還有一些獨(dú)特的方面。如指令集功能強(qiáng)大、通訊功能豐富強(qiáng)大、易用性的編程軟件、不斷地創(chuàng)新。此設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用CPU 224 XP AC/DC/Relay。本系統(tǒng)另外用到電磁閥、真空泵、變送器和氣瓶等檢測(cè)設(shè)備。

5 仿真實(shí)現(xiàn)

采用PLC的編程軟件STEP 7-Micro/WIN32對(duì)通訊硬件進(jìn)行安裝,在“SET PG/PC Interface”對(duì)話框中對(duì)“PC/ PPI cable”進(jìn)行設(shè)置,PPI中選擇Interface Parameter AssiGnment,并且PPI的參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值,雙擊通訊框中的刷新圖標(biāo),與PLC的通信連接建立。用PC/PPI電纜建立PC和S7-200的外部設(shè)備通信,點(diǎn)擊“設(shè)置PG/PC接口”。點(diǎn)擊“設(shè)置PG/PC接口”窗口中的“確認(rèn)”。在通信窗口點(diǎn)擊“刷新”,顯示計(jì)算機(jī)與PLC建立通信連接且程序編譯成功,可以將程序下載到PLC中去。點(diǎn)擊“確認(rèn)”,下載程序完成之后,運(yùn)行程序。

查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示?？梢酝ㄟ^報(bào)表預(yù)覽按鈕,打印預(yù)覽一下要打印的報(bào)表。實(shí)時(shí)的報(bào)表顯示,該報(bào)表顯示的是保存當(dāng)時(shí)的時(shí)間、己測(cè)時(shí)間、剩余時(shí)間、電流值、等等。

隨著鋁液夾雜的流動(dòng),探頭檢測(cè)出的電流值是有相應(yīng)變化的,說明鋁液中各部分的雜質(zhì)含量是有差異的。采用某種凈化方法過濾該鋁液中的夾雜物,再用此方法進(jìn)行檢測(cè),采集電流值,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比,即可得出夾雜含量明顯降低。根據(jù)工藝要求確定是否繼續(xù)凈化檢測(cè),直至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

在本此控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,對(duì)鋁液夾雜檢測(cè)過程PLC控制系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行了分析,應(yīng)用組態(tài)王編輯監(jiān)控畫面,應(yīng)用STEP-7編寫出了相應(yīng)的PLC控制程序,并且根據(jù)組態(tài)王跟PLC之間的通信原理,建立了它們之間的通訊,后期完成了對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試過程中通過理論分析和采取凈化實(shí)驗(yàn)后的測(cè)試證明了電阻在線檢測(cè)法檢測(cè)鋁液夾雜物技術(shù)方案是可行的。此外,本系統(tǒng)還能記錄歷史曲線參數(shù)和進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控,得到的數(shù)據(jù)可做分析使用。

實(shí)驗(yàn)證明,電敏感區(qū)法具有結(jié)構(gòu)合理、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)速度快、操作和維修簡便等優(yōu)點(diǎn),對(duì)在線快速檢測(cè)方法的研發(fā)和利用具有指導(dǎo)作用。而本系統(tǒng)采用的西門子S7-200PLC具有數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、查表、排序、位操作等功能,因此能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、分析和處理,能夠控制設(shè)備以滿足自控需求。應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過程中,為工業(yè)生產(chǎn)提供了很大方便。

[1]翁維勤,孫洪程．過程控制系統(tǒng)及工程[M]．第二版．化學(xué)工業(yè)山版社,2007．

[2]羅峰,趙忠興．鋁液夾雜物檢測(cè)技術(shù)研究[J]．中國鑄造裝備技術(shù),2006(4):11-13．

[3]高鴻斌,孔美靜．西門子PLC與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[M]．電子工業(yè)出版社,2006

[4]廖曉鐘．自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]．北京:北京理工大學(xué)出版社,2005．

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吳雷（1978—），遼寧錦州人，大學(xué)本科，遼寧省城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院院電氣副總工程師、高級(jí)工程師，主要研究方向：城市電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)，建筑及市政供配電及自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。