李 敏 申 森 李海燕 董海迪

(海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院,武漢 430000)

為提高學(xué)員綜合利用專業(yè)知識(shí)開展設(shè)計(jì)及綜合實(shí)踐的能力,鍛煉學(xué)員的崗位任職技能,依托“陣地綜合實(shí)訓(xùn)”課程建設(shè),從陣地實(shí)際需求出發(fā),設(shè)計(jì)了陣地溫濕度控制原理實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)現(xiàn)了其相應(yīng)控制功能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)背景

技術(shù)陣地是導(dǎo)彈進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的場(chǎng)地,應(yīng)具有良好的導(dǎo)彈武器貯存測(cè)試和戰(zhàn)時(shí)人員生活保障條件[1]。地下技術(shù)陣地工程內(nèi)部空氣流動(dòng)困難,空氣質(zhì)量較差,濕度較大[2],對(duì)于導(dǎo)彈武器貯存測(cè)試和人員生活工作的保障非常不利。因此,實(shí)現(xiàn)陣地內(nèi)部溫濕度的自動(dòng)控制尤其重要。

“陣地綜合實(shí)訓(xùn)”課程是導(dǎo)彈陣地維護(hù)與管理專業(yè)軍士職業(yè)技術(shù)教育的一門綜合實(shí)踐課程。通過該課程的學(xué)習(xí)實(shí)踐,學(xué)員應(yīng)具備相應(yīng)的崗位任職技能和綜合崗位實(shí)踐能力,能夠開展陣地設(shè)備系統(tǒng)使用維護(hù)與管理。

本文結(jié)合專業(yè)綜合實(shí)踐課程要求,設(shè)計(jì)了基于PLC和WinCC的陣地溫濕度控制原理實(shí)驗(yàn)裝置,通過總體方案設(shè)計(jì)、元器件選型、控制電路連接、程序編制和綜合調(diào)試等環(huán)節(jié),實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行效果良好,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

2 總體方案設(shè)計(jì)

陣地溫濕度控制原理實(shí)驗(yàn)裝置的功能描述如下:以實(shí)測(cè)的環(huán)境溫度、濕度、水塔水位作為系統(tǒng)的輸入量,當(dāng)實(shí)測(cè)的溫度、濕度高于或低于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng),除濕機(jī)和風(fēng)機(jī)工作,直至環(huán)境溫濕度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值。系統(tǒng)運(yùn)行過程中,投入式液位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水塔水位高度,當(dāng)水位高度低于設(shè)定值時(shí),水泵啟動(dòng),補(bǔ)充水塔內(nèi)的冷卻水,直至水位高度達(dá)設(shè)定值。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

由實(shí)驗(yàn)裝置的功能及系統(tǒng)框圖可以看出:陣地溫濕度控制原理實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行過程中,環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、水塔水位的控制分別由風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)及水泵實(shí)現(xiàn)。風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、水泵由3臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別控制啟停。3臺(tái)電動(dòng)機(jī)的控制通過控制回路及PLC控制程序?qū)崿F(xiàn),并通過組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3 系統(tǒng)的硬件組成

陣地溫濕度控制原理實(shí)驗(yàn)裝置需要的主要控制元器件有:接觸器、中間繼電器、熱繼電器、指示燈、24 V直流電源。主要控制元件的功能描述如表1所示。

表1 元器件列表

3.1 傳感器及控制模塊選型

陣地溫濕度控制原理實(shí)驗(yàn)裝置中,輸入量為環(huán)境實(shí)測(cè)的溫度、濕度、水箱水位。環(huán)境溫濕度通過美控MIK-TH800溫濕度變送器獲取,水箱水位通過美控MIK-P260S投入式液位變送器獲取。

美控MIK-TH800溫濕度變送器為工業(yè)溫濕度變送器,可監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度和濕度參數(shù)。美控MIK-TH800溫濕度變送器的輸出為電流信號(hào),其溫度量程為-20～60 ℃,濕度量程為0～100%RH,輸出信號(hào)為4～20 mA[3]。

美控MIK-P260S投入式液位變送器由高性能擴(kuò)散硅壓式壓力傳感器作為測(cè)量元件,把與液位深度成正比的液體靜壓力準(zhǔn)確測(cè)量出來,通過信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流輸出,建立起輸出信號(hào)對(duì)液體深度的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體深度的測(cè)量。MIK-P260S投入式液位變送器可測(cè)量水位量程為0～3 m,輸出電流為4～20 mA[4]。

PLC采用的是西門子S7-200 SMART CPU ST200 DC/DC/DC,12點(diǎn)輸入,8點(diǎn)輸出,其模擬量擴(kuò)展模塊為EM AM06模擬量輸入/輸出模塊,其I/O點(diǎn)數(shù)分別為4點(diǎn)輸入,2點(diǎn)輸出。

3.2 PLC控制電路

控制電路由主回路和控制回路組成。主回路實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)及水泵的控制;控制回路通過對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取溫度、濕度及水位參數(shù),通過PLC模擬量輸入/輸出模塊進(jìn)行參數(shù)變換并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)主回路相應(yīng)設(shè)備的控制。

主回路及控制回路連接電路如圖2所示。

圖2 主回路及控制回路

PLC接線如圖3所示。

圖3 PLC接線圖

I/O地址分配如表2所示。

表2 PLCI/O分配表

4 程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

陣地溫濕度控制原理實(shí)驗(yàn)裝置的PLC控制程序功能如下:

(1) 結(jié)合模擬量控制模塊,進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)參數(shù)的模擬量數(shù)據(jù)變換;

(2) 結(jié)合除濕機(jī)、風(fēng)機(jī)和水泵實(shí)際使用的順序控制要求,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)電動(dòng)機(jī)的順序控制;

(3) 利用組態(tài)軟件,設(shè)置變量,搭建遠(yuǎn)程控制界面及系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視界面;

(4) 調(diào)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)控制功能。

系統(tǒng)程序的流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

該實(shí)驗(yàn)裝置中,環(huán)境溫度、濕度、水箱水位作為控制程序的輸入量,通過溫濕度變送器和液位變送器獲得后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,之后才能應(yīng)用到PLC程序中,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。

4.1 數(shù)據(jù)處理算法

S7-200 SMART CPU內(nèi)部用數(shù)值表示外部的模擬量信號(hào),兩者之間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系,其換算關(guān)系如下[5]:

(1)

其中:Ov——換算結(jié)果;

Iv——換算對(duì)象;

Osh——換算結(jié)果的高限;

Osl——換算結(jié)果的低限;

Ish——換算對(duì)象的高限;

Isl——換算對(duì)象的低限。

在S7-200 SMART CPU內(nèi)部,0～20 mA對(duì)應(yīng)于數(shù)值范圍0～27468;4～20 mA對(duì)應(yīng)于數(shù)值范圍5530～27468。

根據(jù)系統(tǒng)中溫濕度變送器及液位變送器的技術(shù)手冊(cè)可知溫度、濕度及水位測(cè)量的量程及輸出信號(hào),如表3所示[3-4]。

表3 傳感器測(cè)量參數(shù)的量程及輸出信號(hào)

結(jié)合PLC的內(nèi)部用數(shù)值與外部模擬量之間的換算關(guān)系,可以得到溫度、濕度及水位的模擬量輸入輸出的關(guān)系分別為

(2)

(3)

(4)

4.2 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括遠(yuǎn)程控制界面、系統(tǒng)運(yùn)行過程實(shí)時(shí)監(jiān)控界面兩部分。

遠(yuǎn)程控制界面能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和設(shè)定參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置,可設(shè)置的參數(shù)主要包括:環(huán)境溫度設(shè)定值、環(huán)境濕度設(shè)定值、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、水塔水位設(shè)定值、水塔水位、啟動(dòng)停止按鈕狀態(tài)指示。

系統(tǒng)運(yùn)行過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),包括管路中制冷劑的流動(dòng)狀態(tài)、風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制界面的設(shè)定及運(yùn)行過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能均通過WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)。

遠(yuǎn)程控制及參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示,系統(tǒng)運(yùn)行過程遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)界面如圖6所示。

圖5 遠(yuǎn)程控制及參數(shù)設(shè)置界面

5 教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用

陣地溫濕度控制原理實(shí)驗(yàn)裝置可用于教學(xué)實(shí)踐中,既可用于原理展示,也可用于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)。利用該實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有:

(1) 溫濕度傳感器的輸入-輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系的計(jì)算;

(2) 液位傳感器輸入-輸出關(guān)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系的計(jì)算;

(3) 順序控制電路故障的檢測(cè)與排除;

(4) 系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制界面運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整與計(jì)算;

(5) 除濕機(jī)運(yùn)行故障的檢測(cè)與排除。

通過這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,能夠幫助學(xué)員進(jìn)一步理解和掌握溫濕度控制系統(tǒng)中關(guān)鍵元部件的選擇、控制電路的工作原理以及控制系統(tǒng)工作原理等內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)了綜合實(shí)訓(xùn)課程對(duì)專業(yè)課程的教學(xué)反饋,同時(shí)促進(jìn)了理論課程和實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)效果的提高。

6 結(jié)語

陣地溫濕度控制原理實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了其預(yù)期功能,試運(yùn)行效果良好,可用于教學(xué)實(shí)踐。本次實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)實(shí)踐,使學(xué)員熟悉了“設(shè)計(jì)需求分析→系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)→系統(tǒng)元件選擇→系統(tǒng)硬件搭建→系統(tǒng)程序編寫→系統(tǒng)功能調(diào)試”實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)流程,鍛煉了學(xué)員分析問題、解決問題的能力,提高了學(xué)員的實(shí)踐操作能力,培養(yǎng)了學(xué)員的崗位任職技能,實(shí)現(xiàn)了綜合實(shí)踐課程的教學(xué)目標(biāo)。