基于ABB-AC500 PLC和組態王的酸奶生產監控系統的設計

分類：技術教程日期：2013-10-28 00:00:00 來源：西部工控網

　　酸奶生產是一個壓力、溫度、液位控制系統，以發酵罐為主反映器，具體過程就是把新鮮原奶和發酵劑(乳酸菌)加入混合罐，通過監控混合罐的液位控制原料的注入量，經攪拌充分混合后注入到發酵罐，通過監控嚴格控制發酵罐溫度，發酵完成后即可獲得成品酸奶。

　　PLC控制系統以其運行可靠、使用維護方便、抗干擾能力強、適合新型高速網絡結構等顯著的優點，在小型工業控制系統和機械設備中，通常采用PLC單機控制模式實現順序控制和傳動控制，并確保生產效率。為了提高酸奶生產系統的經濟性、可靠性和可維護性，目前酸奶生產系統都傾向于采用先進、實用、可靠的PLC來進行控制，同時在上位機利用亞控公司的組態軟件“組態王”設計一個人機界面(HMI)，通過RS485與可編程控制器通信，對控制系統進行全面監控，從而使用戶操作更方便。總體上包括的技術路線：硬件設計，軟件編程，組態設計[1]。

　　1. PLC選型與I/O分配[2]

　　1.1 系統控制要求

　　酸奶生產控制方式主要分為繼電器控制系統、DDC(直接數字式控制器)控制系統和PLC控制系統等幾種形式。采用傳統的繼電器控制系統來實現酸奶生產控制，由于機械接觸點很多，導致接線復雜、參數調整不方便、功耗高等明顯的缺點，而且機械接觸點的工作頻率低、故障率高、容易損壞、可靠性差，所以繼電器控制系統已逐漸被淘汰。采用DDC控制系統雖然可以減少接線，使得可靠性有所提高，但是由于其本身的抗干擾能力差、不易聯網、信息集成度不高和分級分步式結構的局限性，因此，越來越不能滿足復雜多變的智能控制要求。

　　采用PLC來控制酸奶生產，不僅可以通過編程實現復雜的邏輯控制，而且可以在很大程度上簡化硬件接線，提高控制系統可靠性，操作界面友好，信息集成度高，便于實現智能控制。該酸奶生產控制系統主要是根據模擬量輸入發酵罐壓力、混合罐液位和發酵罐溫度控制2閥(原牛奶閥1、發酵罐閥2)和一泵(混合泵)的啟停。

　　系統控制要求如下:

　　1.能過在上位機HMI通過或在在現場啟停控制系統。

　　2.系統上電后原牛奶閥1打開，發酵劑罐中壓力大于25Mpa時，發酵劑閥2打開，此時原牛奶和發酵劑在混合罐中混合，當混合罐液位大于5m時，混合泵打開(否則關閉)。

　　3.檢測發酵罐溫度，當其溫度低于36度時，混合泵關閉。

　　圖1 系統設計框圖

　　1.2 PLC及編程軟件的選擇

　　美國ABB公司生產的AC500-ECO PLC。AC500-ECO PLC由于其技術領先、功能前大、價格合理，在冶金、石油、化工、水利、電力等行業有廣泛的應用。AC500-ECO PLC可滿足各種小型控制任務的要求:結構緊湊、擴展性強、應用簡單、配置靈活、維護便捷。考慮到酸奶生產監控系統總的I/O點數不多，本文我們選用 AC500-ECO PLC作為控制器,而編程軟件我們采用ABB的PS501 Control Builder。

　　AC500-ECO PLC具有以下特點：

　　1.CPU數據備份可靠，無需電池;2.CPU模塊上集成了IO，擴展IO模塊更容易;3.程序容量:128KB，集成數據容量:10KB(保持數據可靠)4.兼容性高:所有的I/O模塊均可自由連接5.I/O模塊接線端子(彈簧和螺釘)可插拔，接線更簡單6.與AC500同一個產品平臺，并使用同一個編程軟件和工具7.CPU單元可支持2個串口，用于編程和通訊

　　PS501 Control Builder適用于AC500系列的所有CPU的編程工具，是可編程邏輯控制器PLC 的完整開發環境它支持IEC61131-3標準IL 、ST、 FBD 、LD、 CFC、 SFC 六種PLC編程語言，用戶可以在同一項目中選擇不同的語言編輯子程序，功能模塊等。并具有以下特點:1.可對整個系統進行組態(包括現場總線和通訊接口);2.強大的診斷功能報警處理;3.集成可視化和開放的軟件接口;

　　1.3 IO的分配與選擇

　　表1 酸奶生產控制系統IO分配

　　表2 IO模塊型號選擇表

　　綜上，酸奶生產監控系統共需要1點DI、3點DO和3點AI，而AC500-ECO PLC的CPU集成了8DI+6DO，能夠滿足系統需要，故不需要額外的IO模塊。

　　2. PLC主程序設計

　　2.1 硬件組態

　　通過I/O BUS添加AI模塊，添加如下圖所示：

　　圖2 系統IO模塊組態

　　2.2 I/O地址映射及變量聲明

　　PS501 Control Builder是一個完整的用于邏輯控制器的開發系統，易于進行程序的開發，具有高級語言編程系統的開發環境，可為編輯器的操作和調試功能設置模式。

　　在POUs中，Main(PRG)即相當于匯編的主程序，在PROGRAM MAIN VAR與END_VAR中定義系統所需變量，在ABB PLC的語言編輯器的說明語句部分里設置輸入輸出端子的地址，相當于定義變量及類型。變量通常有AI,AO,DI,DO，DI和DO為BOOL型;AI和AO為INT或REAL型;

　　當完成PLC配置后，配置出對應的硬件擴展模塊，接著就要對這些擴展模塊進行編程，即可編程。在編程中，擴展的模塊地址通過專用的定義表示，有兩種方法：

　　變量聲明:

　　Symbol AT %Array prefix Format Address: Datatype:= init.value;(*Comment*)

　　[1] 可以在變量聲明里，將地址信息映射，例如

　　do1 AT %QX4000.0: BOOL; (*將do1寫到第4000個字節的第0位*)

　　turn_on AT %IX4000.0: BOOL;(*將第4000個字節的第0位賦值給turn_on *)

　　[2] 直接表示。例如

　　%IX4000.0:=TURE;

　　2.3 控制程序的編寫[3]

　　控制系統的主要功能是對酸奶生產系統進行自動啟停，顯示壓力、液位、溫度等運行參數，控制電磁閥(原牛奶閥1、發酵罐閥2)和泵(混合泵)的開關，實現對酸奶生產系統的控制。從控制系統的主要功能出發，為了增加程序可讀性和減少程序代碼，PLC程序采用了主程序調用功能塊的程序結構。對于多個功能塊調用的變量，采用全局變量聲明。

　　主程序變量聲明如下：

　　PROGRAM PLC_PRG

　　VAR

　　start AT %IX4000.0: BOOL; (*啟動開關*)

　　stop AT %IX4000.1: BOOL; (*停止開關*)

　　output: BOOL; (*系統啟動狀態標志*)

　　value1 AT %QX4000.0: BOOL; (*原牛奶閥1*)

　　AI1 AT %IW0:WORD:=16#7530; (*發酵劑罐壓力*)

　　AI_yali_ins: AI_FB; (*發酵劑罐壓力模擬量輸入模塊*)

　　yali_val: REAL; (*發酵劑罐壓力工程值*)

　　value2 AT %QX4000.1: BOOL; (*發酵劑閥2*)

　　AI_yewei_ins: AI_FB; (*混合罐液位*)

　　AI2 AT %IW1: WORD:=16#61A8; (*混合罐液位*)

　　yewei: REAL; (*混合罐液位工程值*)

　　beng AT %QX4000.2: BOOL; (*混合泵*)

　　AI_wendu_ins: AI_FB; (*發酵罐溫度模擬量輸入模塊*)

　　AI3 AT %IW4: WORD:=16#7FF8; (*發酵罐溫度*)

　　wendu: REAL; (*發酵罐溫度工程值*)

　　ok: BOOL;

　　END_VAR

　　主程序采用LD(梯形圖)作為MAIN POUs的編程語言，主程序如下圖所示：

　　圖3 系統控制主程序

　　2.4 子程序(功能塊)的編寫

　　對溫度、壓力、液位的線性變換[4]：

　　所謂線性參數，指一次儀表測量值與AD轉換結果有線性關系，或者說一次儀表是線性刻度的。標度變換公式為:

　　2.5 程序的編譯與下載

　　PLC數據存儲區的統一規劃設置，靈活、合理的規劃出各部分的內存空間是軟件設計的基礎和保證。也是整個PLC系統實現控制的關鍵所在。編程修改調試都很方便,大大縮短了調試時間，提高了系統的自動化程度，降低了硬件的復雜程度。控制程序編寫完成后，對程序進行編譯。

　　(1)單擊“project”;

　　(2)編寫LD或FBD的程序;

　　(3)單擊“rebuild all”，編譯;

　　(4)沒有語法錯誤時,否則根據提示修改。單擊“online”，選擇“communication parameter”，參數設置如下：Port：COM3; Baudrate：波特率;Parity：奇偶校驗;Stop bits：停止位 Motorola byteorder：Yes

　　(5)單擊“Login”，下載。

　　3.1 組態王的通信設置

　　在組態王的設備COM1中新建設備，選擇莫迪康MODBUS(RTU)串行，輸入設備的邏輯名字，選擇COM1，通訊參數設置為：波特率9600，無校驗，數據位：8，停止位：1。

　　3.2 數據詞典中I/O變量定義

　　在數據詞典中定義所需要的監控變量：

　　圖4 組態監控變量表

　　3.3 組態畫面的設計

　　1. 新建一個命名為“酸奶生產車間”的畫面，該畫面就是酸奶生產過程中的反應車間，該反應車間包括原料罐(盛裝原奶)、發酵劑罐、混合罐、發酵罐、攪拌電動機、泵、以及若干閥門。其中原料罐關聯自身壓力，混合罐關聯自身液位，發酵罐關聯自身溫度，電機開關關聯攪拌電機開關。

　　2. 在“反應車間”畫面中從“圖庫”選擇四個合適的反應器分別作為原料罐、發酵劑罐、混合罐，發酵罐，并關聯自身變量，以液位為例，如下圖：

　　圖5 變量關聯

　　為了使各個變量的實時數值直觀的反映出來，可以建立動畫連接，以液位為例：選擇工具箱中文本，在對應位置寫下###，進行變量顯示關聯。

　　注意：保存主畫面。“文件”下“全保存”。運行時，為使該放映車間的畫面顯示出來，在運行前應在“系統配置”中“設置運行系統”的主畫面配置，把“反應車間”設為主畫面。運行畫面如下：

　　圖6 主畫面運行效果

　　3. 為了使各個變量的變化趨勢直觀的反映出來，可以從“工具箱”中添加實時趨勢曲線于主畫面，并關聯需要顯示變化趨勢的變量。由于之后的工作中還要建立若干不同的畫面，我的工程中將做實時報警畫面、酸奶配方、趨勢畫面、歷史曲線、XY控件畫面、實時報表、退出控件這些畫面。為了運行時可以方便地在這些畫面中進行切換，可以新建畫面，并添加按鈕。

　　4.建立實時報警畫面，為了當系統中某些量的值超過了所規定的界限時，系統自動產生相應警告信息(指示燈閃爍或者出現報警聲音)，表明該量的值已經超限，提醒操作人員。為了方便查看、記錄和區別，要將變量產生的報警信息歸到不同的組中，即使變量的報警信息屬于某個規定的報警組。對相應變量定義報警之后，還需要新建壓力報警標志、溫度報警標志、液位報警標志，為報警窗口下的按鈕、報警燈的關聯打下基礎。產生新報警時，為了提醒操作員，故添加指示燈以及發出警報聲音，從圖庫中找到合適的指示燈，并進行報警設置。在出現報警后，指示燈將會一直閃爍，添加“報警確認”按鈕，設置按鈕按下時這樣按下“報警確認”按鈕后，在出現下次報警指示燈將不再閃爍。