基于PLC控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置.doc

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1、 鄭州輕工業(yè)學(xué)院鄭州輕工業(yè)學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 班 學(xué) 號(hào) 院 （系） 指導(dǎo)教師 完成時(shí)間 2010 年 06 月 05 日 鄭州輕工業(yè)學(xué)院鄭州輕工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 一一 主要工作內(nèi)容主要工作內(nèi)容 1收集中外文資料，并進(jìn)行方案論證。 2設(shè)計(jì)硬件電路。 3針對(duì)所需軟件系統(tǒng)，選擇組態(tài)軟件，編寫監(jiān)控程序。 4進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試并撰寫畢業(yè)論文。 二二 基本要求基本要求 1檢索與課題有關(guān)的資料，提出自己的設(shè)計(jì)方案，方案應(yīng)具有可行性、經(jīng)濟(jì)性； 編寫 3000 字以上文獻(xiàn)綜述一份；寫出開題報(bào)告。 2進(jìn)行系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。 3對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)

2、行調(diào)試，使其能準(zhǔn)確顯示采集參數(shù)值，根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行輸 出控制、報(bào)警、界面切換等。 4在畢業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上撰寫畢業(yè)論文。 5翻譯 3000 字的科技英文資料 6畢業(yè)論文的撰寫及圖紙的繪制，要求認(rèn)真工整、條理清晰、正確標(biāo)準(zhǔn)。 三三 主要參考資料主要參考資料 現(xiàn)代電氣控制及及 PLC 應(yīng)用技術(shù).2008 北京三維力控科技有限公司.力控 3.62 用戶手冊(cè)，1999 SIMATIC S7-200 可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè).03/2000 完完 成成 期期 限：限： 2010 年 6 月 20 日 指導(dǎo)老師簽章：指導(dǎo)老師簽章： 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽章：專業(yè)負(fù)責(zé)人簽章： 2010 年年 6 月月 24 日日 基于 PL

3、C 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 摘 要 本課題主要完成的是基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置的整體設(shè)計(jì)。 本文首先對(duì)課題的提出和要求進(jìn)行了簡(jiǎn)介，然后對(duì)其控制方案進(jìn)行了論證。隨后從 硬件和上、下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。在控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，給出了詳細(xì)的硬 件系統(tǒng)架構(gòu)圖和電氣原理圖，并對(duì)主要設(shè)備及元器件進(jìn)行了選擇；軟件設(shè)計(jì)分兩大 部分?jǐn)⑹?，在下位機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)部分，給出了詳細(xì)的軟件結(jié)構(gòu)，并對(duì)典型環(huán) 節(jié)的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析討論；在上位機(jī)程序部分，對(duì)組態(tài)程序畫面的程序設(shè)計(jì)即 實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了全方位的介紹。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)單的調(diào)試，對(duì)試驗(yàn)調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題和 結(jié)果

4、進(jìn)行了分析討論。結(jié)果證明，本設(shè)計(jì)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本合理，能夠完成對(duì)壓 力容器氣密性測(cè)試的任務(wù)。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)閥；氣密性；可編邏輯控制器；力控 THE PLC-BASED CONTROL SYSTEM PRESSURE VESSEL TIGHTNESS TEST DEVICES ABSTRACT The main issue is the complete PLC control system based on pressure vessels leak test devices overall design. This article first raised the subject and

5、requirements of the profile, then its control program were demonstrated. Then from the hardware and on the lower computer system was introduced. In the control system hardware design, gives a detailed chart of the hardware systems and electrical schematics, and major equipment and components were se

6、lected; software design partial description of two parts, the next position control system design part of the program, to out a detailed software architecture, and typical programming session were discussed; in some PC programs on the configuration screen of the programming process to achieve the fu

7、nctionality of the full presentation. In the system design is complete, its for a simple debugging, debugging of the test problems and results are discussed. The results show that the design of hardware and software system design is rational, the pressure to complete the task of testing airtight con

8、tainer KEY WORDS：electric valve，programmable Logic Controller，F(xiàn)orce control 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 目 錄 中文摘要.I 英文摘要II 1 緒論1 1.1 壓力容器測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn).1 1.2 課題設(shè)計(jì)背景簡(jiǎn)介.1 1.3 本課題完成的主要工作2 2 系統(tǒng)方案論證及總體設(shè)計(jì)3 21 系統(tǒng)方案論證3 2.1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求.3 2.1.2 系統(tǒng)方案選擇.4 2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).6 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)8 3.1 系統(tǒng) I/O 分析8 3.2 硬件系統(tǒng)主要設(shè)備及元器件選擇.9 3.2.1 S7-

9、200PLC CPU 及擴(kuò)展模塊的選用.9 3.2.2 電動(dòng)閥的選用10 3.2.3 壓力傳感器的選用.11 3.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)12 4 下位機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì).13 4.1 下位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能.13 4.2 系統(tǒng)的框架和工作過程.13 4.3 PLC 系統(tǒng) I/O 地址分配.15 4.4 部分關(guān)鍵程序的設(shè)計(jì).20 4.4.1 模擬量值和 A/D 轉(zhuǎn)換值的轉(zhuǎn)換20 4.4.2 壓力傳感器斷線檢測(cè)程序21 4.4.3 氣密性測(cè)試的 SFC 程序編制22 4.4.4 模擬量值處理程序.23 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 5 上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).24 5.1 上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的的功能.

10、24 5.2 系統(tǒng)的框架和工作過程.25 6 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析.30 6.1 硬件調(diào)試及結(jié)果分析.30 6.2 聯(lián)機(jī)調(diào)試及結(jié)果分析.32 7 結(jié)論.34 致謝35 參考文獻(xiàn)36 附錄37 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 1 緒論 本課題壓力容器氣密性測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)是基于當(dāng)今航空航天領(lǐng)域中對(duì)于航天器 材的耐壓性和密封性檢測(cè)而提出的，特別是在軍事工業(yè)檢測(cè)控制需求的基礎(chǔ)上提出 的。課題起初的提出是為了檢測(cè)戰(zhàn)斗機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射的作動(dòng)筒的耐壓性和密封性，但是 試驗(yàn)證明對(duì)于其它普通器件檢測(cè)也完全能達(dá)到要求，因此它也具有通用性。為了把 壓力元件測(cè)試過程及控制系統(tǒng)的流程更系統(tǒng)全面的展示給大家，特介

11、紹如下。 1.1 壓力容器測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 壓力元件氣密性測(cè)試是一個(gè)綜合性的技術(shù)問題，它與測(cè)試系統(tǒng)的精密測(cè)試、人 身安全、設(shè)備安全、仿真模擬、通用測(cè)試以及 PLC 與組態(tài)的綜合利用等技術(shù)問題有 密切的關(guān)系，也是人們利用力控軟件為實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的一項(xiàng)重要應(yīng)用技術(shù)，具 有理論研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)密切結(jié)合的特點(diǎn)，因而是力控軟件與 PLC 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)安全與經(jīng) 濟(jì)運(yùn)行的基本技術(shù)應(yīng)用。 壓力容器測(cè)試工業(yè)監(jiān)控也一直是電子工作者十分關(guān)注的課題之一，壓力容器測(cè) 試工業(yè)監(jiān)控的設(shè)計(jì)必須與整個(gè)系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，必須 全面考慮其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。隨著 PLC 電子技術(shù)的迅速發(fā)展和工控質(zhì)量要求的提高，

12、選擇一種有效的壓力容器測(cè)試工業(yè)監(jiān)控應(yīng)經(jīng)成為十分必要的。 1.2 課題設(shè)計(jì)背景簡(jiǎn)介 本課題的提出是為了解決航天軍工中對(duì)于多個(gè)壓力容器在同一壓力值下同時(shí)測(cè) 試和對(duì)同一個(gè)容器進(jìn)行不同壓力值的測(cè)試。具體要求是同時(shí)可以進(jìn)行 5 個(gè)以上的作 動(dòng)筒密封性檢測(cè)；同時(shí)可以進(jìn)行 5 個(gè)以上的產(chǎn)品密封性檢測(cè)；試驗(yàn)進(jìn)行過程具備可 靠的安全保護(hù)功能；能夠精確測(cè)試壓力范圍在 0.135MPa 的各種產(chǎn)品的密封性試 驗(yàn)、耐壓性試驗(yàn)。對(duì)于耐壓性要求氣路系統(tǒng)分別充壓 30Mpa，保壓 10min 檢測(cè)無明 顯泄漏。充壓 15Mpa 0.2Mpa，保壓 24h 檢測(cè)壓力泄漏不大于 1Mpa。 壓力容器氣密性測(cè)試及監(jiān)控的確定是一個(gè)

13、系統(tǒng)工程、不同地區(qū)、工業(yè)控制、不 同發(fā)展階段和不同測(cè)試對(duì)象，考慮的側(cè)重點(diǎn)不同。是針對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)的軍用壓力容器產(chǎn) 品性能測(cè)試要求而設(shè)計(jì)的，它與一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比有幾個(gè)特別之處。其一， 高壓氣源從管道一端流進(jìn)，大約 8 秒鐘測(cè)試完畢一次，要求采集速率為 5 次/秒以上； 其二，由于壓力容器產(chǎn)品眾多，分門別類設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)不太現(xiàn)實(shí)，另行設(shè)計(jì) 一個(gè)通用的測(cè)試平臺(tái)；其三，測(cè)試介質(zhì)壓力極高給設(shè)備選型帶來一定的困難，特別 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 是適合高壓的電控調(diào)節(jié)閥的選型非常困難，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施過程中，把高壓手動(dòng)調(diào) 節(jié)閥改成了電控調(diào)節(jié)閥。 工作人員把需要測(cè)試的閥安裝到測(cè)試平臺(tái)上

14、，調(diào)節(jié)各個(gè)開關(guān)設(shè)置。檢查整個(gè)控 制電路。 檢查 PLC 設(shè)置與力控軟件。輸入密碼或者直接使用，可以根據(jù)用戶要求 選擇。當(dāng)我們確定無誤后，可以執(zhí)行以下操作： (1)打開開始按鈕，進(jìn)入運(yùn)行程序。 (2)若無報(bào)警，調(diào)節(jié)控制閥開度，可以直接由鍵盤輸入。 (3)按下顯示曲線按鈕，生成曲線。 (4)觀察曲線，判斷測(cè)試閥是否合格。 整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，我們把整個(gè)控制系統(tǒng)由 S7-200 PLC 控制，電機(jī)的脈沖控制由按 鈕產(chǎn)生。電機(jī)所轉(zhuǎn)的脈沖經(jīng)過編碼器采集，脈沖數(shù)在程序中有高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。調(diào) 節(jié)目標(biāo)由鍵盤人為輸入控制。組態(tài)系統(tǒng)由力控軟件和自己購(gòu)買的元器件打架結(jié)構(gòu)實(shí) 現(xiàn)。結(jié)合各個(gè)元器件的共同云霞下實(shí)現(xiàn)壓力容器測(cè)試。

15、本系統(tǒng)硬件部分由工控機(jī) （IPC） 、PLC CPU-224 及其他電氣元件組成，全部裝配到一個(gè)電氣控制柜中。系統(tǒng) 需要采集的信號(hào)包括 8 個(gè)模擬量和多個(gè)數(shù)字量，前后壓力變送器及流量計(jì)信號(hào)全部 接入 EM231 中，PLC 完成調(diào)節(jié)閥開度的自調(diào)節(jié)，并且采集一路壓力信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng) 操作靈活，方便。 壓力容器測(cè)試裝置的實(shí)用性和方便性已經(jīng)使廣大的消費(fèi)者既超越了現(xiàn)在所面臨 的經(jīng)濟(jì)和知識(shí)門檻，又享受到了全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的方便和快捷。因此壓力容器測(cè)試 平臺(tái)有著巨大的潛在市場(chǎng)，有待我們進(jìn)一步開發(fā)和培育。因此基于壓力容器測(cè)試工 業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)有效的，方便的，可實(shí)施的系統(tǒng)。下面將提供一個(gè)關(guān)于基于壓力 容器測(cè)試工

16、業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的可行的設(shè)計(jì)方案。 1.3 本課題完成的主要工作 本課題主要完成的任務(wù)是：第一，依照課題的技術(shù)要求對(duì)系統(tǒng)整體方案進(jìn)行論 證，并初步形成一個(gè)總體的設(shè)計(jì)方案。第二，對(duì)方案中的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)、并對(duì) 主要設(shè)備選型，以求達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。第三，對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)程序進(jìn)行設(shè) 計(jì)，編制。第四，對(duì)上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件進(jìn)行再開發(fā)，設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)整體要求 的平臺(tái)。第五，對(duì)已成型的系統(tǒng)進(jìn)行硬件安裝調(diào)試，上位機(jī)和下位機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試，以 期達(dá)到事先希望得到的穩(wěn)定的控制任務(wù)。 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 2 系統(tǒng)方案論證及總體設(shè)計(jì) 對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定是設(shè)計(jì)工作的開始也是整個(gè)系統(tǒng)最重要

17、的一步， 將方案建立之后，下一步就應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)總體流程，各部分之間的連接進(jìn)行一個(gè)總的 設(shè)計(jì)。為本課題樹立一個(gè)主干。以后的各部分就可以順其自然的一點(diǎn)一點(diǎn)的進(jìn)行設(shè) 計(jì)，進(jìn)行完成系統(tǒng)要求的各項(xiàng)指標(biāo)。 21 系統(tǒng)方案論證 設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)完整、經(jīng)濟(jì)高效、性能穩(wěn)定就會(huì)為設(shè)計(jì)的順利完成打下了牢固的 基礎(chǔ)，相反如果選擇了不夠完善的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)過程中會(huì)漏洞百出，甚至導(dǎo)致課 題的玩法完成。 2.1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 測(cè)試設(shè)計(jì)要求同時(shí)可以進(jìn)行 5 個(gè)作動(dòng)筒密封性檢測(cè)；同時(shí)可以進(jìn)行 5 個(gè)產(chǎn)品密 封性檢測(cè)；試驗(yàn)進(jìn)行過程具備可靠的安全保護(hù)功能；能夠精確測(cè)試壓力范圍在 0.135MPa 的各種產(chǎn)品，進(jìn)行產(chǎn)品的密封性試驗(yàn)、

18、耐壓性試驗(yàn)。 系統(tǒng)產(chǎn)品測(cè)試出口有 5 個(gè)，可以同時(shí)使用，也可單獨(dú)使用。對(duì)測(cè)試不同壓力下 氣密性的場(chǎng)合，有具體的使用要求。耐壓試驗(yàn)的要求為：氣路系統(tǒng)分別充壓 30Mpa，保壓 10min 檢測(cè)無明顯泄漏。正常氣密性試驗(yàn)：充壓 15Mpa0.2Mpa，保壓 24h 檢測(cè)壓力泄漏不大于 1Mpa。 圖 2-1 氣路系統(tǒng)原理圖 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)必須滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在本系統(tǒng)中要求如下：入口連接 35MPa 氣源，在入口安裝手動(dòng)截止閥，控制整個(gè)氣路系統(tǒng)的總氣源，便于在斷電、 檢修等情況下使用；在手動(dòng)截止閥之后設(shè)置過濾器，以防止氣源中多余物流入系統(tǒng) 從而導(dǎo)致閥

19、門及其它零、部件損壞的現(xiàn)象。該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)設(shè)置充放氣時(shí)間及保 壓時(shí)間，同時(shí)通過工業(yè)計(jì)算機(jī)還可以設(shè)置和檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)的充放氣次數(shù)，該系統(tǒng)氣路 支路分四路：高壓一路（最上側(cè)一路）采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制，由于該路出口壓力為 2735Pa，目前還沒有出口壓力高于 27MPa 的減壓器，所以該支路壓力由氣源直接 提供。當(dāng)測(cè)試壓力為 1027MPa 時(shí)則采用第四支路，即圖 2-1 最下側(cè)支路，該支路 采用電磁減壓器控制，可以很穩(wěn)定的給被測(cè)試產(chǎn)品提供相應(yīng)的壓力。當(dāng)測(cè)試壓力為 110MPa 時(shí)則采用第三支路，該支路采用電磁減壓器兩級(jí)減壓控制，可以很穩(wěn)定 的給被測(cè)試產(chǎn)品提供相應(yīng)的壓力。當(dāng)測(cè)試壓力為 0.11MPa 時(shí)

20、則采用第二支路，該 支路采用電磁減壓器兩級(jí)減壓控制，可以很穩(wěn)定的給被測(cè)試產(chǎn)品提供相應(yīng)的壓力。 考慮到若停電無法操作的問題我們?cè)谙到y(tǒng)出口均安裝了手動(dòng)截止閥（圖 2-1 中 K2K5） ，保證了即使在停電的情況下也可將被測(cè)試件泄壓，既保證了設(shè)備和人身 安全。各單向閥的使用則有效防止了高壓氣體的回流而導(dǎo)致的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的損壞現(xiàn) 象。 2.1.2 系統(tǒng)方案選擇 針對(duì)這些設(shè)計(jì)要求和當(dāng)今比較通用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，我們無非有兩種選擇：一 種是借助功能強(qiáng)大的 NI 公司推出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺(tái)虛擬儀器 LabVIEW，再者就 是利用我們熟悉的 PLC 控制系統(tǒng)。 虛擬儀器 LabVIEW 平臺(tái)實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需

21、求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?；?于圖形化編程和數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)是虛擬儀器 LabVIEW 高速數(shù)據(jù)采集軟件這兩個(gè)特點(diǎn)， LabVIEW 編程語言學(xué)習(xí)起來相對(duì)容易些，可減少開發(fā)時(shí)間。但客觀地講，習(xí)慣了文 本式編程語言的程序員使用圖形表達(dá)程序，還需要一段思維轉(zhuǎn)變和適應(yīng)過程。Lab- VIEW 軟件平臺(tái)盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件?？沙浞?發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。 用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 而且，對(duì)于那些數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算 過程較復(fù)雜的程序，圖形語言就不如文本語言更容易表達(dá)，此類情況，用戶可以選 擇使用 VC 或者 Matlab 等開發(fā)

22、工具將數(shù)學(xué)分析和處理過程編寫為專用的動(dòng)態(tài)鏈接庫， 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 LabVIEW 提供了專門的接口函數(shù)可以調(diào)用之。這樣，可以結(jié)合圖形語言和文本語言 各自的優(yōu)點(diǎn)，更為靈活、高效、易用。缺點(diǎn)是虛擬儀器 LabVIEW 它是一個(gè)投入較 為昂貴的平臺(tái)。 PLC 控制系統(tǒng)是依托于 PLC 來實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制的要求。可編程控 制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能 的原則設(shè)計(jì)。它具有豐富的輸入 /輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但可編 程控制器并不針對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件應(yīng)根據(jù)具體需要進(jìn) 行選配，軟件則根據(jù)實(shí)際的控制

23、要求或生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。具有編程簡(jiǎn)單、 使用方便、通用性強(qiáng)、可靠性高、體積小、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng) 用得十分廣泛。目前已從小規(guī)模的單機(jī)順序控制發(fā)展到過程控制、運(yùn)動(dòng)控制等諸 多領(lǐng)域。而且它可靠性高，能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。具有進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn) 算、PID 調(diào)節(jié)、過程監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)通信、遠(yuǎn)程I/O 和高速數(shù)據(jù)處理能力， PLC 除 了具有 CPU 和存儲(chǔ)器以外，還有豐富的 I/O 接口模塊。對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的不同信 號(hào)，PLC 都有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備直接連接。 PLC 系統(tǒng)與 其他系統(tǒng)相比無論從軟件方面還是從實(shí)際投入的硬件設(shè)備講，投入都較少，質(zhì) 優(yōu)價(jià)廉，性價(jià)比高。

24、因此，無論是老設(shè)備的技術(shù)改造還是新系統(tǒng)的開發(fā)，大多數(shù) 設(shè)計(jì)人員都傾向于采用它來進(jìn)行設(shè)計(jì)。 運(yùn)用兩個(gè)方案均能實(shí)現(xiàn)我們的硬件要求和數(shù)據(jù)采集的需求，雖然虛擬儀器 Lab- VIEW 開發(fā)平臺(tái)靈活，高效，且功能強(qiáng)大，但是 PLC 系統(tǒng)投入明顯較少經(jīng)濟(jì)高效性 價(jià)比較好，同時(shí)運(yùn)用 PLC 系統(tǒng)對(duì)于開發(fā)和調(diào)試也較為方便。因此我選擇了利用 PLC 控制系統(tǒng)開發(fā)本系統(tǒng)。 系統(tǒng)選擇好后，我們就要選擇 PLC 的品牌，因?yàn)槲业脑O(shè)計(jì)是基于航天和軍工產(chǎn) 品測(cè)試的，所以系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求異常的高。綜合多方面因素考慮，這里我選用了 價(jià)格不是很高但穩(wěn)定性最好的西門子公司生產(chǎn)的 PLC 系列及擴(kuò)展模塊。 為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和組態(tài)

25、，接下來便需要去進(jìn)行組態(tài)軟件的選擇。選擇一個(gè) 功能強(qiáng)大、經(jīng)濟(jì)高效的組態(tài)軟件平臺(tái)可以給整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行打上良好的基礎(chǔ)。 對(duì)本設(shè)計(jì)來說目前市場(chǎng)上常見的組態(tài)監(jiān)控都能滿足系統(tǒng)的要求，但是各有各的優(yōu)缺 點(diǎn)。 目前的組態(tài)軟件均是通用工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件，它的主要特點(diǎn)： (1)延續(xù)性和可擴(kuò)充性。用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應(yīng)用程序，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)（包括硬件設(shè) 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）或用戶需求發(fā)生改變時(shí)，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新 和升級(jí)； (2)封裝性（易學(xué)易用） 。通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用 的方法包裝起來，對(duì)于用戶，不需掌握太多的編程語言技術(shù)（甚至不

26、需要編程技術(shù)） ， 就能很好地完成一個(gè)復(fù)雜工程所要求的所有功能； (3)通用性。每個(gè)用戶根據(jù)工程實(shí)際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設(shè)備 （PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的 I/O Driver、開放式的數(shù)據(jù)庫和 畫面制作工具，就能完成一個(gè)具有動(dòng)畫效果、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、 具有多媒體功能和網(wǎng)絡(luò)功能的工程，不受行業(yè)限制。 三維力控方便、靈活的開發(fā)環(huán)境，提供各種工程、畫面模板、大大降低了組態(tài) 開發(fā)的工作量；高性能實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)庫，快速訪問接口在數(shù)據(jù)庫 4 萬點(diǎn)數(shù)據(jù)負(fù)荷 時(shí)，訪問吞吐量可達(dá)到 20000 次/秒；強(qiáng)大的分布式報(bào)警、事件處理，支持報(bào)警、事 件網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)斷線存

27、儲(chǔ)，恢復(fù)功能；支持操作圖元對(duì)象的多個(gè)圖層，通過腳本可靈活 控制各圖層的顯示與隱藏；強(qiáng)大的 ACTIVEX 控件對(duì)象容器，定義了全新的容器接 口集，增加了通過腳本對(duì)容器對(duì)象的直接操作功能，通過腳本可調(diào)用對(duì)象的方法、 屬性；力控軟件內(nèi)嵌分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫具備良好的開放性和互連功能，可 以與 MES、SIS、PIMS 等信息化系統(tǒng)進(jìn)行基于 XML OPC、ODBC、OLE DB 等接 口方式進(jìn)行互連，保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到以上系統(tǒng)內(nèi)。且它是國(guó)產(chǎn)軟件中的佼 佼者，在相同的系統(tǒng)水平上，它的性價(jià)筆比是很高的，因此它很受一些不是特別大 的系統(tǒng)的青睞。 西門子公司推出的 WINCC 組態(tài)軟件它通用的應(yīng)

28、用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的 解決方案；多語言支持，全球通用 ；可以集成到所有自動(dòng)化解決方案內(nèi)；內(nèi)置所有 操作和管理功能，可簡(jiǎn)單、有效地進(jìn)行組態(tài)；可基于 Web 持續(xù)延展，采用開放性標(biāo) 準(zhǔn)，集成簡(jiǎn)便；集成的 Historian 系統(tǒng)作為 IT 和商務(wù)集成的平臺(tái)；可用選件和附加 件進(jìn)行擴(kuò)展 ；“全集成自動(dòng)化” 的組成部分，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方 案。特別是當(dāng)它用于大型系統(tǒng)時(shí)，它的系統(tǒng)穩(wěn)定性是出類拔萃的，但是 WINCC 監(jiān) 控軟件還無法做到“貧民化”，價(jià)格較為昂貴。在小系統(tǒng)中人們一般會(huì)采用國(guó)內(nèi)較好 的軟件，在大型系統(tǒng)中 WINCC 有較高的市場(chǎng)占有率。 因此，經(jīng)過對(duì)比我們不難發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)的

29、需求來講使用國(guó)產(chǎn)的力控作為上位機(jī)設(shè) 計(jì)平臺(tái)是較為經(jīng)濟(jì)高效的，也完全能滿足系統(tǒng)的要求。 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 氣密性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)由電源供給系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng) I/O 系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、 下位機(jī)控制系統(tǒng) 4 個(gè)子系統(tǒng)組成，四個(gè)系統(tǒng)各自實(shí)現(xiàn)各自的功能，且彼此之間相互 協(xié)調(diào)，共同完成課題的各項(xiàng)指標(biāo)。 壓力傳感器 電動(dòng)減壓閥 其它設(shè)備 西門子 PLC 控制系統(tǒng) 三維力控 電動(dòng)閥 電氣控制系統(tǒng) 圖 2-2 系統(tǒng)原理示意圖 現(xiàn)場(chǎng) I/O 系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)壓力信號(hào)的采集及處理，各個(gè)閥體的控制動(dòng)作；電 源供給系統(tǒng)負(fù)責(zé)給系統(tǒng)中各儀表、傳感器、開關(guān)電源（24VDC）

30、 、電磁閥供電、PLC 控制器和工控機(jī) 220VAC 供電電源。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的信息監(jiān)控主要完成壓力 容器性能測(cè)試的數(shù)據(jù)處理、信息查詢、故障報(bào)警等功能；下位機(jī)控制系統(tǒng) PLC 控制 子系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品性能測(cè)試需要，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)控任務(wù)。 其中上位機(jī)開發(fā)環(huán)境選用三維力控組態(tài)軟件，根據(jù)系統(tǒng)要求，開發(fā)系統(tǒng)檢測(cè)畫 面，確定檢測(cè)的條件，完成權(quán)限登陸、參數(shù)設(shè)定、檢測(cè)狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、 系統(tǒng)報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表打印、數(shù)據(jù)查詢及回放等功能。 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 下位機(jī)控制系統(tǒng) PLC 選用德國(guó)西門子公司的 S7-200 PLC，并配備相應(yīng)擴(kuò)展模 塊。利用 SIEMEN

31、S 的 STEP7 MicroWIN SP6 編譯環(huán)境編寫 PLC 應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)課 題提出的自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一個(gè)系統(tǒng)順利、穩(wěn)定、高效的按照我們?cè)谲浖芯幹频姆桨竿瓿杉榷ǖ娜蝿?wù)是 我們每個(gè)設(shè)計(jì)人員最強(qiáng)烈的希望，但是，要達(dá)成這個(gè)希望首先便需要良好的硬件系 統(tǒng)的支持，一個(gè)良好的硬件系統(tǒng)的選擇給以后的調(diào)試工作會(huì)帶來很多方便。 在本部分內(nèi)容中主要介紹了我在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的過程。首先我對(duì)系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)進(jìn) 行了分析和統(tǒng)計(jì)，然后針對(duì)這一統(tǒng)計(jì)數(shù)字對(duì)電動(dòng)閥、PLC 的 CPU 的型號(hào)、PLC 的 擴(kuò)展模塊的型號(hào)以及壓力傳感器型號(hào)進(jìn)行了選擇。對(duì)于其

32、他諸如電源、導(dǎo)線、繼電 器、工控機(jī)等設(shè)備由于文章篇幅所致，沒有一一進(jìn)行說明。系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖 3-1 所示。 圖 3-1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖 3.1 系統(tǒng) I/O 分析 在本課題硬件設(shè)計(jì)中我們首先要解決的問題就是，計(jì)算好整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)各類 I/O 點(diǎn)的需求。因?yàn)?I/O 在 PLC 接線端子上的地址分配是進(jìn)行 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 對(duì)軟件設(shè)計(jì)來說，I/O 地址分配以后才可以進(jìn)行編程；對(duì)控制柜及 PLC 外圍接線來 說，只有 I/O 地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖，才可以根據(jù)線路圖 和安裝圖安裝控制柜。 再者只有明確了 I/O 分配，才能把系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高效，合理，性價(jià)比較高。因

33、此 對(duì)系統(tǒng)的 I/O 分配分析見表 3-2。 表 3-1 系統(tǒng)的 I/O 分配分析 序號(hào)名稱數(shù)量信號(hào)類型 1電動(dòng)閥 DK1DK151515（2DI/3DO） 2壓力傳感器 P1P818AI 3 電動(dòng)減壓器 DJ1DJ3 13（2DI/3DO） 壓力傳感器 8 路 AI 55 路 DO PLC 及 擴(kuò)展模塊 繼電器 工控機(jī) 電動(dòng)閥 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 4按鈕11DI 5蜂鳴器11DO DI37 DO55 AI8 6I/O 點(diǎn)總計(jì) AO0 從表格可以看出，每個(gè)電動(dòng)閥和減壓器都有上限和下限兩個(gè)數(shù)字量輸入，正轉(zhuǎn)、 反轉(zhuǎn)、剎車三個(gè)數(shù)字量輸出，每個(gè)傳感器有一個(gè)模擬量輸入。這樣計(jì)

34、算下來系統(tǒng)需 要數(shù)字量輸入 37 點(diǎn)，數(shù)字量輸出 55 點(diǎn)，模擬量輸入 8 點(diǎn)。因此我們需要選擇合適 的模塊來包容這些輸入/輸出點(diǎn)。因?yàn)槲疫x用的是西門子的 PLC 系統(tǒng)，而且為了能達(dá) 到在可靠夠用的前提下盡量實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效，我選用了 EM223 模塊（32DI/32DO）、 EM222 模塊（8DO） 、EM231 模塊（4AI） 。 S7-224CN AC/DC/RLY EM222 8 繼 （2） EM231 4AI EM222 8 繼 （4） EM223 32DI/32DO（3 ） EM231 4AI 圖 3-2 模塊排列圖 在這些模塊最大使用程度下，所有 I/O 點(diǎn)加起來為 DI 點(diǎn) 46

35、，DO 點(diǎn) 58，AI 點(diǎn) 8。 因此完全可以滿足系統(tǒng)需求的 I/O 點(diǎn)數(shù)，略有一點(diǎn)冗余。 3.2 硬件系統(tǒng)主要設(shè)備及元器件選擇 硬件主要器件的選擇是整個(gè)系統(tǒng)成功穩(wěn)定運(yùn)行的重要一步，這部分主要介紹了 S7-200 PLC 中 CPU 和擴(kuò)展模塊的選擇，電動(dòng)閥的選擇以及壓力傳感器的選擇。對(duì) 于其他部分的硬件選擇，本文由于篇幅所限沒有進(jìn)行深入的研究。 3.2.1 S7-200PLC CPU 及擴(kuò)展模塊的選用 （1）CPU 的選用 S7-200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：極高的可靠性極豐富的指令集易于掌握 便捷的操作豐富的內(nèi)置集成功能實(shí)時(shí)特性強(qiáng)勁的通訊能力豐富的擴(kuò)展模塊。使用范 圍可覆蓋從替代繼電

36、器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。 S7-200 系列 PLC 可提供 4 個(gè)不同的基本型號(hào)的 8 種 CPU 供您使用。其中 CPU 224 集成 14 輸入/10 輸出共 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)?？蛇B接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 168 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6 個(gè)獨(dú) 立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。1 個(gè) RS485 通訊/編程口，具有 PPI

37、 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。 （2） 數(shù)字量和模擬量擴(kuò)展模塊的選用 數(shù)字量輸入需要 37 點(diǎn)，輸出需要 55 點(diǎn)，而西門子 200 系列 PLC 最大的輸入/輸 出模塊是 EM223 的 32DI/32DO。再加上 CPU224 自帶的 14DI/10DO，所以還需要兩 個(gè) EM222 模塊，這樣才能滿足系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)的需要。為了節(jié)約成本我們選用了 EM222 的繼電器 8 點(diǎn)輸出模塊。 模擬量輸出模塊 EM231 是 24V4 通道模擬量輸入模塊，其功耗為 2W，消耗電 流 20 mA，L+為 60mA，線圈電壓范圍

38、 20.428.8V，LED 燈指示差分輸入。輸入類 型電源狀態(tài)為亮表示電源正常為滅表示電源故障。電壓輸入(單極性)010V 和 05V，電流輸入為 020 mA，數(shù)據(jù)字格式單極性全量程 032000，雙極性，全 量程-3200032000，模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 300s，模擬量輸入響應(yīng)時(shí)間 1.5ms ，共模 抑制 40dB，DC to 60Hz，共模電壓信號(hào)電壓+共模電壓(必須小于等于 12V)，輸入 阻抗不小于 10M，最大輸入電壓 30V，AD 轉(zhuǎn)換器分辨率 12 位，最大輸入電流 30mA。因此，對(duì)于八個(gè)壓力傳感器的八個(gè)模擬量信號(hào)，采用兩個(gè) EM231 模擬量輸 入模塊便可以完全滿足。

39、3.2.2 電動(dòng)閥的選用 電動(dòng)閥通常由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門連接起來，經(jīng)過安裝調(diào)試后成為電動(dòng)閥。電動(dòng)閥 使用電能作為動(dòng)力來接通電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥門，實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)、調(diào)節(jié)動(dòng)作。從 而達(dá)到對(duì)管道介質(zhì)的開關(guān)或是調(diào)節(jié)目的。電動(dòng)閥用于氣體和風(fēng)系統(tǒng)管道介質(zhì)流量的 模擬量調(diào)節(jié)，是 AI 控制。在大型閥門和風(fēng)系統(tǒng)的控制中也可以用電動(dòng)閥做兩位開關(guān) 控制。電動(dòng)閥的驅(qū)動(dòng)一般是用電機(jī)，開或關(guān)動(dòng)作完成需要一定的時(shí)間模擬量的，可 以做調(diào)節(jié)。 電動(dòng)閥的驅(qū)動(dòng)一般是用電機(jī)，比較耐電壓沖擊。電磁閥是快開和快關(guān)的，一般用在 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 小流量和小壓力，要求開關(guān)頻率大的地方電動(dòng)閥反之。電動(dòng)閥閥的開度可

40、以控制， 狀態(tài)有開、關(guān)、半開半關(guān)，可以控制管道中介質(zhì)的流量而電磁閥達(dá)不到這個(gè)要求。 電動(dòng)減壓閥是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在壓力控制領(lǐng)域的典型應(yīng)用。電動(dòng)減壓閥通過調(diào)節(jié)一次側(cè) 流體的動(dòng)壓頭，達(dá)到控制減壓閥后壓力的目的。本類閥門在管道中一般應(yīng)當(dāng)水平安 裝。電動(dòng)減壓閥是減壓設(shè)備、壓力調(diào)節(jié)設(shè)備的一種典型應(yīng)用。電動(dòng)減壓閥廣泛應(yīng)用 于換熱站熱源及生產(chǎn)工藝設(shè)備前蒸汽壓力調(diào)節(jié)。暖通空調(diào)、給排水系統(tǒng)或設(shè)備水力 壓力調(diào)節(jié)。液位控制。電動(dòng)減壓閥特點(diǎn)是：電動(dòng)無級(jí)調(diào)節(jié)，二次壓力穩(wěn)定，控制精 度高。操作簡(jiǎn)便，只需通過控制器修改二次壓力設(shè)定。運(yùn)行平穩(wěn)，使用壽命長(zhǎng)。 DJY 系列電動(dòng)式減壓閥是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在壓力控制領(lǐng)域的典型應(yīng)用。通過調(diào)節(jié)一次

41、側(cè) 流體的動(dòng)壓頭，達(dá)到控制減壓閥后壓力的目的。 在本課題選擇電動(dòng)閥時(shí)，我為了滿足軍事工業(yè)的需要選擇了軍工產(chǎn)品 3.2.3 壓力傳感器的選用 壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器， 如電阻應(yīng)變片壓力傳感 器現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以 及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問題。當(dāng) 傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果 的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。 傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器 長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境

42、。因此，要使 傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。精度是傳感器 的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳 感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的 精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測(cè)量目的的諸多傳感器 中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。如果是為了定量分析，必須獲得精確的測(cè)量值， 就需選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。 因?yàn)槲覀儽鞠到y(tǒng)是基于航天軍工產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的，所以對(duì)設(shè)備的精度，穩(wěn)定要 求較高。最終我們選用了軍工產(chǎn)品 701 所生產(chǎn)的AK-2 型應(yīng)變式壓力傳感器。 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性

43、測(cè)試裝置 3.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 底層硬件系統(tǒng)是由西門子的 CPU224、EM222、EM223、EM231、繼電器、電動(dòng) 閥等組成，系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖。 圖 3-3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖 在本系統(tǒng)中，我利用 PLC 電氣控制作為整個(gè)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，通過對(duì) PLC 的 控制實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器模擬信號(hào)的處理，通過 PLC 的動(dòng)來控制繼電器的輸出，同時(shí) 來控制電動(dòng)閥、電動(dòng)解壓閥的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止。 壓力傳感器 電動(dòng)減壓閥 CPU 224 電動(dòng)閥 電氣控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng) I/O 系統(tǒng) EM2 23 EM2 22 EM2 31 EM2 22 EM2 31 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 4 下位機(jī)系統(tǒng)

44、程序設(shè)計(jì) 下位機(jī)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)既定控制任務(wù)的主要部分，設(shè)計(jì)一個(gè)完整，穩(wěn)定的 PLC 控制系統(tǒng)需要將系統(tǒng)各方面要求綜合考慮，對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)和工藝要求一條一條的對(duì) 應(yīng)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行整體考慮形成最終的系統(tǒng)總體初型。 在這部分中我首先對(duì)系統(tǒng)各方面的要求進(jìn)行了逐條審核，對(duì)它要求實(shí)現(xiàn)的功能 進(jìn)行了一一過濾，然后針對(duì)這些要求進(jìn)行了逐個(gè)的程序編制，最后將所有得單獨(dú)程 序通篇考慮進(jìn)行了編制融合，加入主程序中，最后形成了整體的控制程序。 4.1 下位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能 控制程序需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有： (1)同時(shí)可以進(jìn)行 5 個(gè)產(chǎn)品的密封性，耐壓性檢測(cè)； (2)實(shí)現(xiàn)模擬量的顯示； (3)實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的斷線檢測(cè)； (4

45、)實(shí)現(xiàn)模擬量的過大過小的處理 (5)能夠精確測(cè)試壓力范圍在 0.135MPa 的各種產(chǎn)品的密封性試驗(yàn)、耐壓性試 驗(yàn)。 系統(tǒng)可以進(jìn)行對(duì) 5 個(gè)以下產(chǎn)品的檢測(cè)，但是必須是同一壓力之下。在檢測(cè)時(shí)需 要將 8 個(gè)壓力模擬量轉(zhuǎn)化以后顯示出來。同時(shí)系統(tǒng)還得實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器是否斷線 進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)模擬量過大或過小時(shí)，將其進(jìn)行處理，超過 20mA 按 20mA 計(jì)算。 4.2 系統(tǒng)的框架和工作過程 系統(tǒng)入口連接 35MPa 氣源，在入口安裝手動(dòng)截止閥，控制整個(gè)氣路系統(tǒng)的總氣 源，便于在斷電、檢修等情況下使用；在手動(dòng)截止閥之后設(shè)置過濾器，以防止氣源 中多余物流入系統(tǒng)從而導(dǎo)致閥門及其它零、部件損壞的現(xiàn)象。整個(gè)氣路系

46、統(tǒng)由三大 部分組成，第一部分是氣源進(jìn)氣部分，用于為后續(xù)部分提供測(cè)試壓力。第二部分是 4 路壓力選擇支路：當(dāng)測(cè)試壓力為 1027MPa 時(shí)采用 DCJY35-27 一級(jí)減壓；當(dāng)測(cè)試 壓力為 110MPa、0.11MPa 時(shí)則采用二級(jí)減壓，通過 DCJY35-27 減壓后再通過 DCJY23-10、DCJY23-1 電動(dòng)減壓器分別將壓力調(diào)節(jié)到 110MPa、0.11MPa。第三部 分是 5 條測(cè)試支路，屬于比較復(fù)雜的并發(fā)事件，也是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。系統(tǒng)要求五 路功能相同，均用于測(cè)試被測(cè)件的氣密性能。它們可以同時(shí)工作，也可以單獨(dú)工作。 5 條測(cè)試支路壓力的調(diào)節(jié)，是通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 DK4DK9 的打開和

47、關(guān)閉以及限流孔板 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 共同完成的。壓力變送器 P4P8 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各路壓力的變化，完成穩(wěn)壓及保壓的要求。 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 DK9DK13 在保壓結(jié)束以及系統(tǒng)漏氣情況下，進(jìn)行放氣。調(diào)節(jié)閥，回到初 始狀態(tài)。 總開始 打開DK1 打開DK2 第 2 路 第 3 路 第 4 路 第1路 4條選擇支路 第1路開始 打開DK4，P4到設(shè)定值 關(guān)閉DK4 第1路穩(wěn)壓 第1路保壓 打開DK9進(jìn)行放氣 放氣完畢，關(guān)閉DK9 第一路結(jié)束嗎？ 等待 N Y 關(guān)閉DK1，進(jìn)行排氣，然后關(guān)閉其他電機(jī) 總結(jié)束 測(cè) 試 第 2 路 測(cè) 試 第 3 路 測(cè) 試 第 4 路 測(cè) 試 第 5

48、 路 5條測(cè)試支路 測(cè)試第1路 圖 4-1 程序流程圖 測(cè)試開始前，首先必須選擇被測(cè)件的壓力等級(jí)，即確定 4 路選擇支路哪一路有 效。這里假定選擇的是 2735MPa 支路，即第 1 支路。按下總開始按鈕，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 DK1 打開，然后 DK2 打開。DK2 打開后程序處于選擇等待狀態(tài)。當(dāng)按下第一路開始按 鈕后，第一路氣密性檢測(cè)開始。打開 DK4 后，氣體通過限流孔緩慢到達(dá) P4 處，當(dāng)達(dá) 到第一路設(shè)定的壓力值時(shí)，關(guān)閉 DK4；DK4 到達(dá)下限位，開始第一路穩(wěn)壓，穩(wěn)壓完畢 自動(dòng)開始保壓，保壓時(shí)間到，打開 DK9 進(jìn)行放氣；當(dāng) P4 的壓力下降到關(guān)閉值 （0.2MPa）時(shí)，關(guān)閉 DK9。第一路一

49、次氣密性檢測(cè)過程結(jié)束，重新設(shè)定參數(shù)后，可 以開始第二次測(cè)試。點(diǎn)擊第一路結(jié)束按鈕，第一路在進(jìn)行完這次試驗(yàn)后自動(dòng)處于等 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 待狀態(tài)。其他幾路工作過程同第一路，它們可以和第 1 路同時(shí)工作，互不影響。當(dāng) 五路都結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)排氣，排氣完畢，關(guān)閉所有電動(dòng)閥。程序梯形圖見附錄 2. 4.3PLC 系統(tǒng) I/O 地址分配 對(duì) PLC 系統(tǒng)來說，要想讓其依據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的方式來處理現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，就必須合理 安排 PLC 的 I/O 地址，把其分配到 PLC 的端口，這樣就確保了 PLC 的輸入輸出與我 們想實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容相對(duì)應(yīng)。 表 3-2 數(shù)字量輸入 DI 0PLC 端口

50、地址輸入點(diǎn)含義 1CPU224(1) 14DI DC24V 20.0I0.0 30.1I0.1 40.2I0.2 50.3I0.3 60.4I0.4 70.5I0.5 80.6I0.6 90.7I0.7急停按鈕信號(hào)輸入 101M輸入信號(hào)公共端（004） 111.0I1.0DJ1 下限（全關(guān)） 121.1I1.1DJ1 上限（全開） 131.2I1.2DJ2 下限（全關(guān)） 141.3I1.3DJ2 上限（全開） 151.4I1.4DJ3 下限（全關(guān)） 161.5I1.5DJ3 上限（全開） 172M外部電源 0V（008） 18EM223(3) 32DI 190.0I2.0DK1 下限（全關(guān)）

51、200.1I2.1DK1 上限（全開） 210.2I2.2DK2 下限（全關(guān)） 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 220.3I2.3DK2 上限（全開） 230.4I2.4DK3 下限（全關(guān)） 240.5I2.5DK3 上限（全開） 250.6I2.6DK4 下限（全關(guān)） 260.7I2.7DK4 上限（全開） 271.0I3.0DK5 下限（全關(guān)） 281.1I3.1DK5 上限（全開） 291.2I3.2DK6 下限（全關(guān)） 301.3I3.3DK6 上限（全開） 311.4I3.4DK7 下限（全關(guān)） 321.5I3.5DK7 上限（全開） 331.6I3.6DK8 下限（

52、全關(guān)） 341.7I3.7DK8 上限（全開） 352.0I4.0DK9 下限（全關(guān)） 362.1I4.1DK9 上限（全開） 372.2I4.2DK10 下限（全關(guān)） 382.3I4.3DK10 上限（全開） 392.4I4.4DK11 下限（全關(guān)） 402.5I4.5DK11 上限（全開） 412.6I4.6DK12 下限（全關(guān)） 422.7I4.7DK12 上限（全開） 433.0I5.0DK13 下限（全關(guān)） 443.1I5.1DK13 上限（全開） 453.2I5.2DK14 下限（全關(guān)） 463.3I5.3DK14 上限（全開） 473.4I5.4DK15 下限（全關(guān)） 483.5

53、I5.5DK15 上限（全開） 493.6 3.7 I5.6 I5.7 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 501M，2M外部電源 0V（008） 表 3-3 數(shù)字量輸出 DO PLC 端口地址輸出點(diǎn) 1CPU224(1) 10DO（Relay） 21L4 點(diǎn)輸出端公共端 30.0Q0.0DK1 正轉(zhuǎn) 40.1Q0.1DK1 反轉(zhuǎn) 50.2Q0.2DK1 剎車 60.3Q0.3DK2 正轉(zhuǎn) 72L3 輸出端公共端 80.4Q0.4DK2 反轉(zhuǎn) 90.5Q0.5DK2 剎車 100.6Q0.6DK3 正轉(zhuǎn) 113L3 輸出端公共端 120.7Q0.7DK3 反轉(zhuǎn) 131.0Q1.0D

54、K3 剎車 141.1Q1.1DK4 正轉(zhuǎn) 15EM222(3) 8DO（Relay） 161L4 輸出端公共端 170Q6.0DK4 反轉(zhuǎn) 181Q6.1DK4 剎車 192Q6.2DK5 正轉(zhuǎn) 203Q6.3DK5 反轉(zhuǎn) 212L4 輸出端公共端 224Q6.4DK5 剎車 235Q6.5DK6 正轉(zhuǎn) 246Q6.6DK6 反轉(zhuǎn) 257Q6.7DK6 剎車 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 26EM223(2) 32DI/32DO（Relay） 271L11 輸出端公共端 280.0Q2.0DK7 正轉(zhuǎn) 290.1Q2.1DK7 反轉(zhuǎn) 310.2Q2.2DK7 剎車 320.

55、3Q2.3DK8 正轉(zhuǎn) 330.4Q2.4DK8 反轉(zhuǎn) 340.5Q2.5DK8 剎車 350.6Q2.6DK9 正轉(zhuǎn) 360.7Q2.7DK9 反轉(zhuǎn) 371Q3.0DK9 剎車 381.1Q3.1DK10 正轉(zhuǎn) 391.2Q3.2DK10 反轉(zhuǎn) 402L11 輸出端公共端 411.3Q3.3DK10 剎車 421.4Q3.4DK11 正轉(zhuǎn) 431.5Q3.5DK11 反轉(zhuǎn) 441.6Q3.6DK11 剎車 451.7Q3.7DK12 正轉(zhuǎn) 462.0Q4.0DK12 反轉(zhuǎn) 472.1Q4.1DK12 剎車 482.2Q4.2DK13 正轉(zhuǎn) 492.3Q4.3DK13 反轉(zhuǎn) 502.4Q4.4

56、DK13 剎車 512.5Q4.5DK14 正轉(zhuǎn) 523L10 輸出端公共端 532.6Q4.6DK14 反轉(zhuǎn) 542.7Q4.7DK14 剎車 553.0Q5.0DK15 正轉(zhuǎn) 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 563.1Q5.1DK15 反轉(zhuǎn) 573.2Q5.2DK15 剎車 583.3Q5.3DK16DJ1 正轉(zhuǎn) 593.4Q5.4DK16DJ1 反轉(zhuǎn) 603.5Q5.5DK16DJ1 剎車 613.6Q5.6 623.7Q5.7 15EM222(4) 8DO（Relay） 161L4 輸出端公共端 170Q7.0DK17DJ2 正轉(zhuǎn) 181Q7.1DK17DJ2 反轉(zhuǎn) 1

57、92Q7.2DK17DJ2 剎車 203Q7.3DK18DJ3 正轉(zhuǎn) 212L4 輸出端公共端 224Q7.4DK18DJ3 反轉(zhuǎn) 235Q7.5DK18DJ3 剎車 246Q7.6蜂鳴器 257Q7.7 表 3-3 模擬量輸入 AI 序號(hào)模塊端口地址備注 EM231(5) 11AIW0壓力變送器 1 22AIW2壓力變送器 2 33AIW4壓力變送器 3 44AIW6壓力變送器 4 EM231(6) 51AIW8壓力變送器 5 62AIW10壓力變送器 6 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 73AIW12壓力變送器 7 84AIW14壓力變送器 8 4.4部分關(guān)鍵程序的設(shè)計(jì) 本

58、系統(tǒng)的程序是一個(gè)較為龐大的系統(tǒng)，某些程序段是本設(shè)計(jì)中特有的且某些程 序段在本程序整體設(shè)計(jì)中占有很重要的地位，甚至起到至關(guān)重要的作用，通過把這 些子程序有機(jī)的組還在一起從而形成了整個(gè) PLC 系統(tǒng)的程序部分。 4.4.1 模擬量值和 A/D 轉(zhuǎn)換值的轉(zhuǎn)換 在本氣密性臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有對(duì)多個(gè)壓力值的控制。這些壓力值都是模擬 量值，無法用控制數(shù)字量的方法來對(duì)它們進(jìn)行控制。這就需要我們把模擬量轉(zhuǎn)化為 數(shù)字量，即用 A/D 轉(zhuǎn)換來解決這一問題。 在這里假設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是 A0Am（如：420mA） ，A/D 轉(zhuǎn)換后數(shù)值 為 D0Dm（如：640032000） ，設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是 A，A/D

59、 轉(zhuǎn)換后的相應(yīng) 數(shù)值為 D，由于是線性關(guān)系，函數(shù)關(guān)系 Af（D）可以表示為數(shù)學(xué)方程： A（DD0）（AmA0）（DmD0）A0 （4-1） 根據(jù)該方程式，可以方便地根據(jù) D 值計(jì)算出 A 值。將該方程式逆變換，得出函 數(shù)關(guān)系 Df（A）可以表示為數(shù)學(xué)方程： D（AA0）（DmD0）（AmA0）D0 （4-2） 在壓力容器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，測(cè)試用的壓力變送器，當(dāng)壓力達(dá)到滿量程 60MPa 時(shí)，壓力變送器的輸出電流是 20mA，AIW2 的數(shù)值是 32000。可見，每毫安對(duì)應(yīng)的 A/D 值為 32000/20，測(cè)得當(dāng)壓力為 0MPa 時(shí)，壓力變送器的電流應(yīng)為 4mA，A/D 值 為（32000/20

60、）46400。由此得出，AIW0 的數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際壓力值（單位為 KPa）的計(jì)算公式為： 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 圖 4-2 模擬量顯示 VW2 的值(AIW2 的值6400)(600)/(320006400)0 （4-3） 即： VW2 的值60* (AIW2 的值6400) /25600 （4-4） 4.4.2 壓力傳感器斷線檢測(cè)程序 在系統(tǒng)測(cè)試中很大部分依賴于壓力傳感器的準(zhǔn)確、穩(wěn)定的測(cè)量，因此對(duì)壓力傳 感器的正常工作與否顯得至關(guān)重要。在程序中當(dāng)壓力信號(hào)小于 2mA 且持續(xù) 5s 后， 我們就認(rèn)為它已經(jīng)斷線，需要我們斷電檢查。圖 4-3 是以壓力傳感器 1 的斷線為

61、例 來說明程序編制方法的。 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 圖 4-3 壓力傳感器 1 斷線檢測(cè) 4.4.3 氣密性測(cè)試的 SFC 程序編制 氣密性測(cè)試的中心是對(duì)容器進(jìn)行氣密性各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)，在這部分我使用了 SFC 的編程語言，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的測(cè)試是一個(gè)順序控制的過程，因此順序功能圖的編 程方式對(duì)這部分來說是非常適合的。 使用 SFC 編程，可以將整個(gè)順序控制過程分為若干個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)與狀態(tài)之間由 轉(zhuǎn)移條件分開。SFC 編程的關(guān)鍵是找出各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移條件。一旦轉(zhuǎn)移條件明 確后，只需將狀態(tài)和轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的程序語言符號(hào)即可。但是西門子編程軟 件雖然基于 IEC61131-3，

62、但是你只能先畫出順序控制圖然后再轉(zhuǎn)化為梯形圖（如圖 4-4）才能被軟件識(shí)別，這一點(diǎn)確實(shí)比較麻煩。它使用的主要指令是 SCR（順序狀態(tài) 開始） 、SCRT（順序狀態(tài)轉(zhuǎn)移） 、SCRE（順序狀態(tài)結(jié)束） 。 基于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 圖 4-4 SFC 語言編程圖 4.4.4 模擬量值處理程序 在系統(tǒng)測(cè)試中，有時(shí)候?yàn)榱朔奖闱€的形成，和保證測(cè)試范圍內(nèi)值的轉(zhuǎn)化。我 們將在 2mA 到 4 mA 之間的信號(hào)統(tǒng)一按 4mA 處理，對(duì)大于 20mA 的信號(hào)統(tǒng)一按 20mA 來處理。如圖 4-5 所示，是壓力傳感器 1 的模擬值過大或過小處理程序。 圖 4-5 模擬量 1 的處理程序 基

63、于 PLC 控制系統(tǒng)的壓力容器氣密性測(cè)試裝置 5 上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 組態(tài)軟件是一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。它們處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控 層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自 動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。 本設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)部分選用的是力控 6.1 監(jiān)控組態(tài)軟件，它是目前國(guó)內(nèi)同類產(chǎn) 品中的領(lǐng)跑者。該產(chǎn)品主要定位于國(guó)內(nèi)高端自動(dòng)化市場(chǎng)及應(yīng)用，是企業(yè)信息化的 有力數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。 力控系列軟件以計(jì)算機(jī)為基本工具，為實(shí)施數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、生產(chǎn)控制提 供了基礎(chǔ)平臺(tái)，它可以和檢測(cè)、控制設(shè)備構(gòu)成任意復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)，在過程監(jiān)控中 發(fā)揮了核心作用，可以幫助企業(yè)消除

64、信息孤島，降低運(yùn)作成本，提高生產(chǎn)效率，加 快市場(chǎng)反應(yīng)速度。力控為滿足企業(yè)的管控一體化需求提供了完整、可靠的解決方案。 上位機(jī)監(jiān)控界面主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控和數(shù)據(jù)顯示、處理及存儲(chǔ)，本系統(tǒng)采 用力控監(jiān)控組態(tài)軟件 Force control V6.1，人性化的人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整 個(gè)系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)采集、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢及故障報(bào)警等任務(wù)。 5.1 上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的的功能 1全集成自動(dòng)化 高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）和 PLC 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的數(shù)據(jù)采 集、執(zhí)行器控制、狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。 2實(shí)現(xiàn)全部測(cè)試功能 根據(jù)甲方提出的氣密性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng) 完成全部測(cè)試任務(wù)。 在調(diào)試過程中，對(duì)用戶提出的關(guān)于控制功能方面的進(jìn)一步修改意見，只要不涉 及硬件方面的變更，則可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，最大限度的滿足用戶要求。 3系統(tǒng)安全性 在上位機(jī)軟件中增加可靠性設(shè)計(jì)。 4系統(tǒng)精度 在傳感器的精度選擇上高于系統(tǒng)要求；程序設(shè)計(jì)