摘要：論文主要介紹omron CP1H PLC和臺達DOP-HMI在三并聯(lián)冷庫控制系統(tǒng)的應(yīng)用，給出了控制系統(tǒng)設(shè)計方案，詳細闡述了PLC梯形圖控制程序和HMI組態(tài)程序的實現(xiàn)過程。 關(guān)鍵詞：可編程序控制器；順序功能圖；梯形圖；人機界面 1.引言 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，全國各地區(qū)的冷庫也逐漸增多。不過當(dāng)前仍然有很多冷庫采用傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)，這種控制方法采用純硬件接線來實現(xiàn)各種控制邏輯，接線比較復(fù)雜、功率損耗高、工作可靠性差、使用壽命短，而且其通用性、靈活性較低?？删幊炭刂破鳎ㄒ韵潞喎QPLC）自產(chǎn)生以來，就以其編程簡單、可靠性高、通用性好、功能強大、開發(fā)周期短、體積小、使用方便等優(yōu)點，逐步在各行業(yè)，尤其在工控領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了omron公司較新的PLC產(chǎn)品和臺達的人機界面（Human-Machine Interface，以下簡稱HMI）產(chǎn)品在冷庫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。采用PLC和HMI,以軟件編程代替多數(shù)硬件接線，以人機對話代替大多死板的硬件邏輯，使冷庫的控制和運行達到了較理想的效果，有利于大大減輕工人的勞動強度，使控制系統(tǒng)更可靠、更經(jīng)濟、更人性化。 2.三并聯(lián)冷庫系統(tǒng)的控制要求 2.1 單臺壓縮機的啟動停止過程 三并聯(lián)冷庫的控制的核心是對壓縮機的控制，系統(tǒng)使用了三臺同規(guī)格同型號的壓縮機。壓縮機的啟動停止過程如圖1所示。 壓縮機的啟動臺數(shù)可預(yù)先由HMI設(shè)定，可以只啟動一臺，可以是兩臺，也可三臺均啟動。兩臺或三臺壓縮機的啟動間隔時間為5s。啟動時，運行時間的最短的壓縮機優(yōu)先啟動，運行時間最長的壓縮機最后啟動，見圖2。另外在運行過程中，壓縮機因壓力降低而逐漸按壓力設(shè)定值停機后，又可按壓力回升的情況逐漸恢復(fù)啟動，見圖3。 2.2 冷庫系統(tǒng)的啟動和停機控制要求 三臺壓縮機的停機有按時間方式停機，也有按壓力方式停機。按時間停機各臺之間也間隔5s，運行時間最長的壓縮機優(yōu)先停機，運行時間最短的壓縮機最后停機；按壓力停機時，停第一臺、停第二臺和停第三臺的停機壓力設(shè)定值依次降低，按壓力停機的回氣壓力值可預(yù)先由HMI設(shè)定，見圖3。 [align=center] [/align] 按回氣壓力停機時，各壓縮機之間并非間隔5s停機，而是按壓力下降至設(shè)定值時逐步停機。當(dāng)系統(tǒng)在未關(guān)斷水泵、冷凝風(fēng)扇及壓縮機模塊電源前，回氣壓力回升至啟動壓力值時，會重新啟動壓縮機。三臺壓縮機都可以單獨急停，也可單獨復(fù)位啟動。 2.3 冷庫系統(tǒng)的保護環(huán)節(jié)及故障的控制要求 系統(tǒng)的模擬量、開關(guān)量保護優(yōu)先級別分為兩級,具體敘述如下： 一級模擬量：高壓保護壓力設(shè)定為19bar，范圍為0～30bar；低壓壓力保護設(shè)定為-0.5bar，范圍是-0.65～10bar（壓力值通過HMI設(shè)定）； 一級開關(guān)量：蒸發(fā)冷水泵過載、油位故障、水流量開關(guān)故障，三臺壓縮機均不得啟動，若在運行中發(fā)生上述故障，三臺壓縮機全部停機，HMI上顯示故障內(nèi)容； 二級開關(guān)量：1#～3#空開跳脫、高壓控制開關(guān)、低壓控制開關(guān)、壓縮機過載、保護模塊故障、油流量不足以及油壓差故障。 系統(tǒng)發(fā)生故障后，HMI可顯示并查詢故障內(nèi)容，且有報警輸出。HMI可消音停止報警，見圖4。 冷庫系統(tǒng)的故障分為一級故障和二級故障。一級故障出現(xiàn)后，三臺壓縮機全停，延時30s，25%電磁閥也全部斷電。此時系統(tǒng)并未全停，直到按下屏幕停止按鈕后延時30s才將蒸發(fā)冷水泵、蒸發(fā)冷風(fēng)機及壓縮機模塊電源全部斷電。若在按下屏幕停止按鈕前，一級故障已經(jīng)修復(fù)，則可用屏幕上的一級故障復(fù)位按鈕使壓縮機重新按時間順序依次投入運行，見圖5。 二級故障一旦出現(xiàn)，則停相應(yīng)的壓縮機，其它壓縮機繼續(xù)工作，等出現(xiàn)的故障修復(fù)后，所停的壓縮機也可通過二級故障復(fù)位按鈕自動參與運行。見圖6。 2.4 油泵及冷凝風(fēng)扇的啟動和停機控制要求 油泵的啟動須在有壓縮機啟動主交流接觸器工作后方可啟動，即只要有任意一臺壓縮機的主接觸器得電動作了，油泵就會啟動。在油泵允許啟動的條件下，油泵的啟動和停止由系統(tǒng)的高壓排氣壓力決定，控制要求見圖7。 蒸發(fā)冷凝風(fēng)扇的電機為雙速電機：10級和12級。兩級之間應(yīng)互鎖，蒸發(fā)冷凝風(fēng)扇的控制要求見圖8。 蒸發(fā)冷凝風(fēng)扇和油泵在系統(tǒng)啟動后，即按下屏幕啟動鍵后，開始檢測系統(tǒng)高壓排氣壓力，各壓力值均可根據(jù)需要在HMI中設(shè)定。圖中為默認設(shè)定好各壓力值時的情形。系統(tǒng)的模擬量就是回氣壓力（低壓）和排氣壓力（高壓），通過壓力的變化來間接反映溫度的變化。分別由兩個壓力傳感器來檢測。其中壓力傳感器1（規(guī)格為-0.65～10bar、2.93～20mA）用于檢測低壓回氣壓力，控制壓縮機的啟動和停止；壓力傳感器2（規(guī)格為0～30bar、4～20mA）用于檢測高壓排氣壓力，控制蒸發(fā)冷風(fēng)機和油泵的啟動和停止。 2.5 其它控制要求 控制系統(tǒng)要求HMI顯示和設(shè)定系統(tǒng)工作的日期、星期和時間；要求HMI能具體顯示各輸出設(shè)備的狀態(tài)，并簡單動畫演示壓縮機是否工作和動態(tài)顯示壓縮機工作時間；要求HMI實時顯示系統(tǒng)的低壓回氣壓力和高壓排氣壓力值；要求HMI能詳細顯示故障信息并方便查詢故障；要求系統(tǒng)需要設(shè)定的壓力值和時間值都可通過HMI設(shè)定。考慮到最終用戶在拿到并使用產(chǎn)品后，可能未按期如數(shù)支付貨款，產(chǎn)品要求還具有“設(shè)定和取消使用期限限制”的功能。若用戶未能一次付清貨款，可設(shè)定產(chǎn)品使用期限，等用戶支付完貨款后又可取消限制?？刂葡到y(tǒng)所需要的PLC的輸入輸出總點數(shù)見表1： 表1 控制系統(tǒng)需要的輸入輸出 3.PLC的選用及程序設(shè)計 3.1 PLC的選用 根據(jù)以上控制要求，分析控制系統(tǒng)需要的開關(guān)量輸入輸出點數(shù)和模擬量輸入點數(shù)，可以看出，所選用的PLC需要有32個以上開關(guān)量輸入點、32個以上開關(guān)量輸出點、2個以上模擬量輸入點。因此可考慮選用OMRON公司CP系列的CP1HXA40CDR-A型PLC，見圖9。 該CPU單元內(nèi)置輸入24點、輸出16點；內(nèi)置模擬電壓/電流輸入4點，模擬電壓/電流輸出2點；通過擴展CPM1A系列的擴展I/O單元，CP1H整體可以達到最大320點的開關(guān)量輸入輸出。采用該型號PLC實現(xiàn)三并聯(lián)冷庫控制，只需要再購買兩塊符合控制點數(shù)要求的CPM1A系列的擴展I/O單元（可選CPM1A-20EDR和CPM1A-16ER或者選CPM1A-20EDR和CPM1A-8ER兩個數(shù)字量混合輸入輸出擴展單元，見圖10）外，不需要另外購買其它PLC特殊模塊（如單獨的模擬量模塊）。這樣，系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)更加經(jīng)濟、簡潔、方便。 3.2 PLC I/O地址分配 PLC確定好以后，根據(jù)控制系統(tǒng)所需要的開關(guān)量輸入輸出點進行編號，見表2。 表2 三并聯(lián)冷庫控制系統(tǒng)CP1H PLC I/O 定義及編號表 3.3 PLC內(nèi)建模擬量的預(yù)設(shè) PLC內(nèi)建模擬量的讀取必須先在PLC CPU單元以及CXProgrammer編程軟件中進行預(yù)設(shè)，否則控制程序無法按要求正常運行。以下是關(guān)于內(nèi)建模擬量的預(yù)設(shè)情況。首先，根據(jù)控制系統(tǒng)選用的壓力傳感器的規(guī)格要求（壓力傳感器1規(guī)格為-0.65～10bar、2.93～20mA；壓力傳感器2規(guī)格為0～30bar、4～20mA），將內(nèi)置模擬量輸入切換開關(guān)均設(shè)為ON，即電流輸入（實際使用時只需使用模擬輸入1和模擬輸入2兩路），見圖11。然后，在CX-Progammer編程軟件中選定各模擬量的量程為0～20mA，設(shè)定內(nèi)建模擬量的分辨率為6000或12000，本控制程序設(shè)為6000，見圖12。需要注意的是：編程軟件需要CX-Programmer6.1及以上版本方可適用于omron CP1H型PLC，見圖13。 3.4 PLC的控制程序設(shè)計 PLC的控制程序主要有：模擬量采集與比較程序、壓縮機工作時間統(tǒng)計與比較程序、一級故障和二級故障檢測、報警與故障停機程序、冷庫系統(tǒng)及壓縮機正常啟動程序和正常停止程序、壓縮機運行動畫顯示程序以及系統(tǒng)加密違約限制程序等，其中有些程序需要結(jié)合HMI方能更方便地加以實現(xiàn)，見圖14。 為了更容易分析、理解、檢索和修改編制的程序，需要對程序中用到的大多PLC內(nèi)部軟繼電器進行編號和定義，同時還需要對程序中用到的定時器或計數(shù)器，尤其是HMI中需要設(shè)定數(shù)值的定時器進行編號和定義。 4 程序設(shè)計 4.1 模擬量采集程序的設(shè)計 冷庫系統(tǒng)中，溫度的變化是由系統(tǒng)壓力來反映的?？刂葡到y(tǒng)中兩個壓力傳感器正是為了采集系統(tǒng)高壓排氣壓力和低壓回氣（吸氣）壓力的，傳感器將實際壓力轉(zhuǎn)換成電流值送給PLC，PLC內(nèi)建的模擬量模塊則可以將電流值（預(yù)設(shè)為0～20mA）轉(zhuǎn)換成PLC能處理的數(shù)字信號 [4]。圖15為低壓模擬量采集部分程序。 4.2 壓縮機累計工作時間計時程序的設(shè)計 冷庫系統(tǒng)中三臺壓縮機在工作一段時間后，工作時間并不是都一樣的，因為有時是三臺都工作，有時可能是只有兩臺或一臺工作。為了盡可能使三臺壓縮機使用壽命一致，其工作時間也應(yīng)該盡可能始終都接近。這就要求壓縮機在工作過程中，控制程序能對壓縮機的工作情況進行計時，計時的目的是為了讓程序知道哪臺壓縮機工作時間最長，哪臺工作時間最短。最短的在啟動時優(yōu)先投入工作，最長的則在停機時優(yōu)先停止工作。如圖16為壓縮機1工作時間計時部分程序。 4.3 壓縮機故障診斷與控制程序的設(shè)計 系統(tǒng)的故障分為一級故障和二級故障，一級故障針對整個冷庫系統(tǒng)，二級故障則只針對相應(yīng)壓縮機。一級故障中，油位故障和水流量開關(guān)故障的工作情況較特殊。油位故障發(fā)生時并不立即產(chǎn)生一級故障，而是延時一定時間后產(chǎn)生一級故障，延時時間由HMI設(shè)定，見圖17。 水流量開關(guān)跟隨冷凝水泵一起工作，其原始狀態(tài)為常開，隨著水泵工作后也跟隨閉合，水泵打開也跟隨打開，若不隨水泵工作而動作則視為故障，故障超時后產(chǎn)生一級故障，超時時間也由HMI設(shè)定，見圖18。 4.4 PLC內(nèi)置電池電量不足的處理 PLC具有掉電保持功能的內(nèi)部軟元件靠內(nèi)置電池來保存數(shù)據(jù)，內(nèi)置電池一旦虧電，則不能保證數(shù)據(jù)被正確保存。因此在PLC內(nèi)置電量不足時，需要程序能準(zhǔn)確判斷出，并提出要求更換PLC內(nèi)置電池。判斷程序見圖19。判斷結(jié)果由HMI顯示出來。 PLC內(nèi)置電池的更換不需要拆卸PLC，只要將PLC左上角的電池蓋板掀開，就可清晰看到安裝電池的位置，電池更換示意圖見圖20。 4.5 允許壓縮機運行工作臺數(shù)的程序設(shè)計 冷庫系統(tǒng)需要幾臺壓縮機參與工作，可以預(yù)先在HMI上設(shè)定好，然后再啟動系統(tǒng)，系統(tǒng)就按照預(yù)設(shè)的壓縮機臺數(shù)工作。其梯形圖程序部分見圖21。 4.6 壓縮機工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計 三臺壓縮機除了啟動時刻不同外，其動作過程完全相同。根據(jù)單臺壓縮機的動作過程采用SFC法編制相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換梯形圖作為子程序[5]，以便需要時隨時調(diào)用。圖22是壓縮機2的狀態(tài)轉(zhuǎn)換子程序。 一旦調(diào)用壓縮機狀態(tài)轉(zhuǎn)換子程序，則對應(yīng)壓縮機按照狀態(tài)轉(zhuǎn)換執(zhí)行相應(yīng)動作，其動作部分的梯形圖程序在子程序外另編。 4.7 壓縮機運行動畫顯示PLC控制程序的設(shè)計 由于采用了HMI，壓縮機運行狀態(tài)可以實現(xiàn)動畫顯示，其動畫顯示的原理和網(wǎng)上的FLASH動畫顯示原理相似，是多個HMI做出的畫面在較短的時間交替循環(huán)顯示，以呈現(xiàn)出視覺上的動畫效果。壓縮機的動畫效果可以用PLC梯形圖程序和HMI組態(tài)程序相結(jié)合的方法實現(xiàn)。圖23是壓縮機3動畫顯示的PLC梯形圖程序部分。由于HMI本身就可在數(shù)據(jù)WORD的狀態(tài)圖顯示中設(shè)定狀態(tài)總數(shù)，并且可自動按設(shè)定時間移位，故PLC梯形圖程序中無需使用定時器及移位指令。 4.8 限期使用加密程序的設(shè)計 按控制要求，系統(tǒng)還需具有設(shè)定和解除限期使用的功能。這主要是為了防止用戶未能按期支付產(chǎn)品全部款項，并且無限期拖延支付。這種情況下，只有通過付款期限到時，限制用戶正常使用本產(chǎn)品的方法來解決。本冷庫控制系統(tǒng)在用戶使用一定時間后，若沒有按時支付產(chǎn)品全部款項，則冷庫系統(tǒng)自動停止工作，直到解除限期使用設(shè)定才會恢復(fù)工作。本控制系統(tǒng)通過PLC和HMI共同實現(xiàn)這樣的限制功能。PLC梯形圖程序部分見圖24。 5.HMI的選用及組態(tài)軟件的設(shè)計 控制系統(tǒng)要求有人性化的使用界面，要求有美觀的圖形顯示控制過程及運行狀態(tài)，有詳細的故障診斷及報警顯示，有工作時間的具體顯示，甚至還要求部分的動畫顯示……，怎么辦呢？其實，只要選用適合的人機界面（也稱觸摸屏，常簡稱HMI）產(chǎn)品，并編出相應(yīng)的組態(tài)程序，就能滿足這樣的要求。 5.1 HMI產(chǎn)品選用 本系統(tǒng)選用臺達的DOP-A80THTD1型HMI,見圖25，該HMI采用8寸TFT65536彩色顯示器，其提供的軟元件較豐富，功能完全夠用。其對應(yīng)的人機編輯軟件Screen Editor簡單易用，能圓滿實現(xiàn)控制系統(tǒng)所提的各種控制或其它要求。 5.2 HMI組態(tài)軟件的設(shè)計 通過臺達HMI設(shè)計的三并聯(lián)冷庫控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件包含7個組態(tài)畫面，分別是：主界面、故障顯示、歷史記錄、用戶設(shè)置、狀態(tài)查詢、歷史與當(dāng)前故障明細和壓縮機工作時間查詢界面,這些畫面中設(shè)計的功能基本包含系統(tǒng)所要求的各種控制和需要。 （1） 主界面的設(shè)計 主界面窗口包含按鈕操作區(qū)、工作狀態(tài)顯示區(qū)（動畫顯示三臺壓縮機工作情況）、環(huán)境狀態(tài)顯示區(qū)（顯示系統(tǒng)高壓排氣壓力和低壓回氣壓力）以及日期時間顯示等區(qū)域。畫面中還隱含了一些報警顯示區(qū)（正常時不顯示）和特殊功能按鈕。見圖26，主界面中共有14個按鈕和其它狀態(tài)顯示區(qū)?！吧湘i”和“開鎖”按鈕是兩個隱藏按鈕。上鎖的目的主要是為了防止非系統(tǒng)正式用戶的誤操作或惡意操作給系統(tǒng)帶來的損害或產(chǎn)生不可預(yù)測的結(jié)果,見圖27。 當(dāng)PLC內(nèi)置電池虧電時，PLC將虧電標(biāo)志信號送HMI顯示出對應(yīng)文字信息，以提醒用戶及時更換電池，見圖28。另外用于配合PLC實現(xiàn)的限期使用HMI提醒功能在約定時刻顯示出提醒文字，見圖29。 （2）故障查詢界面的設(shè)計 如圖30，故障查詢界面顯示完整的9個一級故障和3×7個二級故障信息，同時界面具有1個一級故障復(fù)位和3個二級故障復(fù)位按鈕和1個消音按鈕。 （3） 歷史記錄界面的設(shè)計 歷史記錄界面主要具有5個換畫面查詢按鈕和兩個具有特殊功能的隱藏按鈕。見圖31。 “釋放”按鈕：用于解除限期使用的限制；“重設(shè)”按鈕：用于重新設(shè)定限期使用程序。 （4）用戶設(shè)置界面的設(shè)計 用戶設(shè)置界面見圖32，此界面主要用于對各設(shè)備各參數(shù)值的設(shè)定。 左上角的紅色鎖標(biāo)記（password set table）：屬于本組態(tài)軟件的最高權(quán)限，此處只要用最高權(quán)限密碼就可解開其它所有的權(quán)限密碼，也可用于設(shè)定所有權(quán)限的新密碼。 （5） 狀態(tài)查詢界面的設(shè)計 狀態(tài)查詢界面見圖33，通過狀態(tài)查詢界面可以清楚地看到冷庫系統(tǒng)的具體工作情況，界面可顯示蒸發(fā)冷水泵、油泵、蒸發(fā)冷凝風(fēng)扇（10級和12級）以及各個壓縮機是處于運行狀態(tài)還是處于停機狀態(tài)。 （6） 歷史故障與當(dāng)前故障明細界面的設(shè)計 圖34是歷史故障與當(dāng)前故障明細界面的設(shè)計，此界面主要用于查詢歷史故障，并能實時顯示當(dāng)前故障。 （7） 壓縮機工作時間查詢界面的設(shè)計 此界面的功能主要為實時顯示三臺壓縮機的累計運行時間，并可對運行時間清零。運行時間清零需要和PLC梯形圖程序共同參與實現(xiàn)。見圖35。 6.結(jié)束語 將PLC和HMI應(yīng)用在冷庫控制系統(tǒng)中，使得冷庫的控制獲得了更加穩(wěn)定靈活的控制性能和更人性化的用戶界面，使得人與機器之間的關(guān)系更加“簡單、自然、友好、一致”。 本控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，將應(yīng)用于新疆某企業(yè)的冷庫控制中。經(jīng)多次初步調(diào)試，本控制系統(tǒng)的運行完全正常，能圓滿實現(xiàn)系統(tǒng)所提的各種控制要求，整個控制系統(tǒng)即將發(fā)往新疆。 參考文獻 [1]SYSMAC 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