曹利剛，郭鵬程

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

基于PLC和HMI技術(shù)的攪拌機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹利剛1，郭鵬程2

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

應(yīng)用可編程控制器和人機(jī)界面技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)升級(jí)改造，首先介紹PLC控制回路各端子的作用及編寫的程序，其次敘述HMI組態(tài)界面的設(shè)計(jì)過(guò)程及與PLC的連接方法，最后經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)界面友好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求.

更新改造； 組態(tài)； PLC； HMI

可編程控制器PLC(Programmable Logic Controller)和人機(jī)界面HMI(Human Machine Interface)與傳統(tǒng)的繼電器控制相比較，具有功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高、操作簡(jiǎn)單能耗低等優(yōu)勢(shì)，因此在電氣自動(dòng)化設(shè)備方面得到了廣泛的應(yīng)用.基于上述原因，筆者采用PLC和HMI對(duì)原有的繼電器控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造以滿足簡(jiǎn)單、安全和可靠的控制需求.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

因某飼料廠原攪拌控制系統(tǒng)存在設(shè)備老化、陳舊，操作不安全等問(wèn)題，所以在更新改造時(shí)首先要更換陳舊的設(shè)備，然后設(shè)計(jì)一套安全、可靠、性能價(jià)格比高，易于操作的控制系統(tǒng)[1-2].參照設(shè)備現(xiàn)狀和控制要求，本設(shè)計(jì)方案采用由人機(jī)界面HMI發(fā)出主控信號(hào)給可編程控制器PLC，再由PLC控制交流接觸器從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示[3].

2 主回路設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際控制要求設(shè)計(jì)的主電路如圖2中的a所示.當(dāng)組合開關(guān)QS閉合后，交流接觸器KM1和KM3線圈同時(shí)上電，其對(duì)應(yīng)的主回路觸點(diǎn)同時(shí)閉合，則電動(dòng)機(jī)以星型方式啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)低速轉(zhuǎn)動(dòng).經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后，交流接觸器KM3線圈失電，其主觸點(diǎn)斷開的同時(shí)KM2線圈上電，其主回路相應(yīng)觸點(diǎn)閉合，則電動(dòng)機(jī)以三角形方式高速轉(zhuǎn)動(dòng)[4].主電路的設(shè)備清單如表1所示.

3 控制回路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制回路要實(shí)現(xiàn)按鈕控制和人機(jī)界面控制2種方式，共包括PLC接線圖的設(shè)計(jì)、PLC程序的編寫、HMI的組態(tài)設(shè)計(jì)以及HMI和PLC 的連接4個(gè)方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容[5].

3.1 PLC控制回路設(shè)計(jì) 可編程控制器擁有獨(dú)立CPU控制系統(tǒng)，同時(shí)配置了各種功能面板和輸入輸出接口，能采集開關(guān)量、模擬量等進(jìn)行分析處理，有強(qiáng)大的可編程能力[6].通常利用梯形圖程序中提供的各種軟繼電器就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，省去了傳統(tǒng)的硬件式繼電器復(fù)雜的接線和經(jīng)濟(jì)成本[7].根據(jù)實(shí)際需求本設(shè)計(jì)系統(tǒng)可編程控制器選用三菱FX2N-48MT.

表1 主電路設(shè)備清單

向PLC的2個(gè)輸入端L和N提供220 V交流電源，停止按鈕SB1接輸入端X0，啟動(dòng)按鈕SB2接輸入端X1，熱繼電器FR的常閉輔助觸點(diǎn)接輸入端X2，3個(gè)端子的另一端接公共端com.

PLC的輸出端COM1接220 V交流電源的N，作為輸出回路的公共端.PLC的另外3個(gè)輸出端Y0,Y1和Y2分別串接交流接觸器KM1、KM2和KM3的A1，KM1的A2與220 V交流電源的L連接；KM2的A2串接KM3的動(dòng)斷觸點(diǎn)，再與220 V交流電源的L相連；KM3的A2串接KM2的動(dòng)斷觸點(diǎn)，再與220 V交流電源的L連接.

在接觸器KM2下方串入接觸器KM3的常閉觸點(diǎn)，在接觸器KM3下方串入接觸器KM2的常閉觸點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的互鎖，可防止2個(gè)線圈同時(shí)上電時(shí)造成主回路三相短路的嚴(yán)重后果.

當(dāng)KM1和KM2同時(shí)上電，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)星型連接低速運(yùn)轉(zhuǎn)，串接在接觸器KM3下方的KM2動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，KM3線圈失電，電動(dòng)機(jī)在星型連接低速運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)不能轉(zhuǎn)換成三角形連接的高速運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)KM1和KM3同時(shí)上電，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)三角型連接高速運(yùn)轉(zhuǎn)，串接在接觸器KM2下方的KM3動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，KM2線圈失電，電動(dòng)機(jī)在三角形連接高速運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)不能轉(zhuǎn)換成星型連接的低速運(yùn)轉(zhuǎn).控制回路PLC接線如圖2b所示.

3.2 PLC程序設(shè)計(jì) 當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕SB2時(shí)，輸入繼電器X1得電，其動(dòng)合觸點(diǎn)X001閉合，輸出繼電器Y0，Y2和定時(shí)器T0得電，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)星型連接低速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)延時(shí)D0的設(shè)定時(shí)間后T0定時(shí)器動(dòng)作，T0的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，Y2線圈失電，動(dòng)合觸點(diǎn)Y002閉合，Y1線圈得電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為三角形連接高速運(yùn)轉(zhuǎn).

當(dāng)按下停止按鈕SB1時(shí)，輸入繼電器X0得電，其動(dòng)斷觸點(diǎn)X000斷開，輸出繼電器Y0，T0，Y1和Y2均失電，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn).

當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載時(shí)，熱繼電器FR的常閉輔助觸點(diǎn)斷開，輸入繼電器X2失電，其動(dòng)斷觸點(diǎn)X002斷開，輸出繼電器Y0，Y1，Y2和T0同時(shí)全部失電，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn).

根據(jù)以上控制要求，用MELSOFT系列GX Works2編程軟件編寫的相應(yīng)程序如圖3所示[8]，其中M1與人機(jī)界面的停止按鈕關(guān)聯(lián)，M0與人機(jī)界面的啟動(dòng)按鈕關(guān)聯(lián).

3.3 HMI組態(tài)設(shè)計(jì) HMI是控制系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，實(shí)現(xiàn)了信息的內(nèi)部形式與人們可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換.根據(jù)實(shí)際需求本設(shè)計(jì)方案的HMI觸摸屏選用昆侖通態(tài)(MCGS)的TPC7062KS型號(hào).

用昆侖通態(tài)人機(jī)界面發(fā)出的主控信號(hào)主要包括延時(shí)時(shí)間窗口、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、KM1運(yùn)行指示燈、KM2運(yùn)行指示燈、KM3運(yùn)行指示燈和電動(dòng)機(jī)信號(hào).HMI組態(tài)設(shè)計(jì)界面的具體制作方法如下：

1) 打開組態(tài)軟件完成新建項(xiàng)目，添加“通用串口父設(shè)備”和“三菱 FX系列編程口”，并使前者下邊掛接后者；

2) 在用戶窗口建立“攪拌電機(jī)控制”窗口，創(chuàng)建“攪拌機(jī)電氣控制系統(tǒng)調(diào)試與安裝”組態(tài)界面；

3) 創(chuàng)建“啟動(dòng)按鈕”，數(shù)據(jù)對(duì)象值操作選擇：按1松0，根據(jù)采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，停止按鈕的設(shè)置只需要改變通道地址即可；

4) 延時(shí)時(shí)間框設(shè)定后，在“操作屬性”里進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通道類型選為：D數(shù)據(jù)寄存器，數(shù)據(jù)類型選為：16位無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)，讀寫類型為：讀寫；

5) KM1線圈指示燈矩形框插入后要進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，變量選擇方式：根據(jù)采集信息生成，通道類型：Y輸出寄存器，讀寫類型：讀寫.KM2和KM3指示燈的設(shè)置參照KM1.

按照設(shè)定方法可得到如圖4所示的組態(tài)設(shè)計(jì)界面.

3.4 HMI與PLC的連接 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是MCGS工程的數(shù)據(jù)交換中心和數(shù)據(jù)處理中心，構(gòu)成數(shù)據(jù)庫(kù)的基本單元就是數(shù)據(jù)變量.本系統(tǒng)需要建立開關(guān)型和數(shù)值型2種變量，其中KM1，KM2和KM3的變量類型均為開關(guān)型，延時(shí)時(shí)間為數(shù)值型[9].組態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)觸摸屏與PLC連接地址數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 HMI與PLC連接地址數(shù)據(jù)分配

4 運(yùn)行調(diào)試

設(shè)備安裝完成后將設(shè)計(jì)好的人機(jī)界面用USB-TPC數(shù)據(jù)線下載到TPC7062KS觸摸屏；將已經(jīng)編寫好的PLC程序下載到FX2N-48MT可編程控制器里；用三菱下載數(shù)據(jù)線SC-90把觸摸屏和三菱PLC的編程口連接起來(lái).在HMI上設(shè)好定延時(shí)時(shí)間，然后按下HMI的啟動(dòng)按鈕觀察電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，開始為星型連接的低速運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后自動(dòng)切換到三角形連接的高速運(yùn)轉(zhuǎn).在HMI上按下停止按鈕，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，接觸器完全復(fù)位[10].

最后用手動(dòng)方式測(cè)試熱繼電器的過(guò)載保護(hù)作用，其方法是熱繼電器有一個(gè)可按可拉的手動(dòng)測(cè)試按鈕，用萬(wàn)用表測(cè)量當(dāng)手動(dòng)測(cè)試按鈕被按下和拉起的時(shí)候，其常閉觸點(diǎn)是否一直處于閉合狀態(tài)，若是則說(shuō)明熱繼電器失去作用，反之熱繼電器工作良好.

5 小 結(jié)

更新改造采用三菱FX2N-48MT系列PLC和昆侖通態(tài)組態(tài)設(shè)計(jì)軟件及TPC7062KS觸摸屏，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原料混合攪拌機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有實(shí)物按鈕控制和觸摸屏控制2種方式.經(jīng)多次全面測(cè)試運(yùn)行，操作簡(jiǎn)單、安全，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)先更新改造的要求.

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Design of Blender Electrical System Based on PLC and HMI Technology

Cao Ligang1, Guo Pengcheng2

(1. Yangling Vocational and Technical College, Yangling 712100, China; 2. Xi’an University of Technology, Xi’an 712100, China)

In the report, The PLC and HMI technology were used to upgrade the control system. A brief description of the primary circuit design was introduced. The function of each terminal of the PLC control loop and the program were described in detail, and the design process of the HMI configuration interface and the connection method with the PLC were emphasized. After repeated testing, the system runs stable, friendly, and the desired design requirements were satisfied.

renewal and transformation; configuration; PLC; HMI

2016-11-09

曹利剛(1980-)，男，陜西澄城人，講師，研究方向：電氣自動(dòng)化,E-mail：clg9335@163.com

1004-1729(2017)01-0054-05

TP 273

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0010