基于PLC控制的核仪表系统.pdf

机械研究 与应 用 梅测 与 控 制 基 于 P L C控 制的核 仪表 系统 王花云 ， 武承强 甘肃省机械科学研 究院 ， 甘肃 兰州7 3 0 0 3 0 摘要 研究并设计基于P L C的核仪表控制系统。该 系统采用西门子的 S 72 0 0型 P L C对核仪表探测器发 出的信号 进行运算处理， 得到相应的工艺参数。实验证明， 利 用 P L C控制的核仪表 系统， 大大地降低了核仪表维护成 本， 结构简单， 运行可靠， 易于实现。 关键词 P L C； 核仪表 ； 探测器 中图分类号 T H 8 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 4 4 1 4 2 0 1 0 0 1 0 1 0 5 0 2 Nu c l e a r i n s t r u me n t a t i o H s y s t e ms b a s e d o n PLC W a n g Hu ay u n．W u Ch e n gq i a n g G a n s u a c a d e m y m e c h a n i c a l s c i e n c e s ， 眦．jl D H G a n s u 7 3 0 0 3 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Re s e a r c h i n g a n d d e s i g n i n g a P L C b a s e d c o n t r o l s y s t e m o f n u c l e a r i n s t r u me n t a t i o n ． T h e s y s t e m U S e S S i e me n s s 7 2 0 0 t y p e PL C a n d g e t s t h e c o r r e s p o n d i n g p r o c e s s p a r a me t e r s a c c o r d i n g t o d e a l wi t l l t h e s i g n als o f d e t e c t o r s f o r n u c l e a r i n s t m me n t a t i o n ． 1 1 h e e x p e ri me n t s s h o w tha t u s i n g P L C c o n t rol l e d n u e l e a r i n s t r u me n t s y s t e m g r e a tl y ma y r e d u c e s t h e c o s t of t h e s y s t e m a n d i t s s t r u c t u r e i s s i mp l e ．A t t h e s a me t i me ， i t i s rel i a b l e t o o p e r a t e an d e asy t o i mp l e me n t ． K e y wo r d s P L C；n u c l e a r i n s t r u me n t a ti o n；d e t e c t o r s 1 引 言 目前 ， 中国大多数工矿现场和大型企业 ， 在计量 方面还是使用国产传统的核仪表 ， 即核子秤、 密度计 、 料位开关等 ， 其二次仪表在很多现场使用时出现不同 的问题 ， 大大的缩短 了核仪表的使用寿命 ， 增加了其 维护成本 。且这些 二次仪表类型不同、 一一对应 ， 不 能互换。因此， 采用 P L C来控制计算， 代替传统核仪 表的二次仪表 ， 经过反复的实践 ， 在此方面有了重大 的突破 ， P L C作为二次仪表进行密度、 压力、 流量、 排 量、 重量的测量将是大势所趋 ， 在不久的将来 ， P L C将 代替核仪表的二次仪表 ， 成为新型的控制测量仪表 。 2 传统核仪表的组成和功能u 】 核仪表主要用于工矿现场， 进行物料的重量、 矿 浆的浓度、 液位的高度等很多测量方面的仪表 ， 是基 于窄束 射线穿过被测介质衰减服从指数规律衰减 的原理 ， 对被测介质作非接触 式连续测量 ， 并直接显 示被测工艺参数。 衰减程度与密度的关系式为 ， ／ o e 一 1 衰减程度与皮带单位长度上的物料质量关系的 数学表达式为 1 ／ 0 e 一 2 传统的核仪表由探测器部分和二次仪表部分组 成。探测器是用来采集信号并将信号传给二次仪表 进行处理。二次仪表是由手工焊接制作的印刷电路 板构 成 。在 存 储 和计 算 方 面 采用 可插 拔 的 芯 片 1 2 C 8 8 7和 8 9 C 5 5等芯片 ， 内部处理信号主要是 靠单 片机处理 ， 这样以来它就会受元器件性能的约束 ， 在 现场就会发生元器件使用寿命短 、 电路板焊接焊点不 牢靠、 现场工业用 电电压不稳定烧坏 芯片等诸多 问 题 。造成二次仪表损坏 ， 不能正常工作 ， 大大提高了 仪表 的维护成本 。 传统核仪表在操作方面也有所欠缺 ， 人机对话界 面做 的不够完善 ， 显示内容表达不清楚。按键采用面 膜式的按键 ， 在频繁使用 的场合下， 会出现按键失灵 或者按键按下以后再弹不起来 的故障 ， 使得现场工作 人员不 能 正 常使 用 。模 拟 量输 入 、 输 出只 由 4 2 0 m A信号， 信号单一， 不能适合大型的现代工矿现 场使用 。 3 P LC控制的核仪表系统的组成和功能【 3 J P L C即可编程序控制器， 其 核心部件是 C P U 即 中央处理单元 ， 实际的工艺计算就在 C P U中进行， P L C具有功能强大的指令集、 丰富强大的通讯功能、 编程软件的易用性等诸多功能。在 P L C上还能直接 安装外接存储卡和电池卡， 用以保持数据或者提供数 据保持的电池供 电等。利用 P L C处理信 号 ， 是现代 社会发展 的一个趋势。 该设计选用了西门子的s 7 2 0 0 型 P L C ， 因其本 机自带有两个高速计数口， 两个模拟量输入、 两个模 收稿 日期 2 0 0 91 2一l O 作者简介 王花云 1 9 8 4 一 ， 男， 河南新乡人， 助理工程师， 主要从事核仪表及可编程序控制器设计研究方面的工作。 1 O5 植测 与控 制 机械研究与应用 拟量输出口， 所以不再需要配置其他的扩展模块。 P L C控制的核仪表 系统集密度计、 核子秤 、 料位 开关、 车载密度计与一体， 通过探测器采集信号传人 P L C进 行处 理 、 存储 和显 示。系统 结 构 图如 图 1 所示 。 图 1 系统结构图 4 P L C控制的核仪表系统的软件设计 设计主要是在 西门子编程软 件 S T E P一7一Mi c r o ／ WI N中进行。其使用高级梯形 图编程语言 ， 通俗 易懂。首先要配置 T D 4 0 0 C _ 4 J ， T D 4 0 0 C是一种低成 本的人机界面 ， 使操作员或用户能与应用程序进行交 互。配置需显示 的内容及需要植人 的计算参数。在 配置完 T D 4 0 0 C之后 ， 就要进行编程。 根据式 1 可以推导出所测密度 P 1 I n 争 3 根据式 2 可以推导出皮带单位长度上的物料 质量 W I n 4 ‘ 。 m 在编程过程中将式 3 、 4 写入程序。P L C通 过两个高速计数 口， 将探测器采集到的脉冲信号送人 C P U， C P U经过执行编写好 的程序来进行运算处理 ， 得 到 上 述 参 数 ， 并 把 这 些 参 数 连 续 、 在 线 的 在 T D 4 0 0 C上显 示 。 模拟量输入的处理如压力、 排量等模拟信号l 5 _ ， P L C提供的两个模拟量输 人 口， 一个可 以输入 0 1 0 V中的任意电压信号， 一个可以输入 0 2 0 m A中 的任意电流信号， 选择所需要输入信号的范围只需在 程序中将其对应的数值改动即可。输出信号也提供 了0 5 V的标准输 出信号， 可以直接 接人现场的控 制系统。另外在 P L C中还加入 了上下限报警设置 ， 当所测量的参数超过或低于所设置的上下限参数时， P L C 停止工作， 等待工作人员进行处理。如图2 所示 为几个 T D 4 0 0 C显示界面。 5 P LC控制的核仪表 系统的外部电路设计 P L C的输入／ 输出接 口和内部集成电路是光 电隔 1 0 6 离开的， 所 以外部电压的变动不会影响内部电路。如 图3所示为外部电路接线图。 图2 核子秤、 密度计、 车载密度计显示界面 f 1 U 接 Dc24v 1 报 警 鳇 电器 线 圈 电 菲 负 电 I M l l I v } H l l 叫 f I 1 H l 1 L 1 0 ． 0 f 0 1 } 0 2 f 0 3 1 o 4 f 捌f 2 L f 0 5 f0 6 } 0 7 l l 0 l I l 1 f 0} M i L 1 M Io ． o l o ． 1 j。 2 1 0 3 1o 4 10 5 l o 6 1 o 7 I 2 M { 1 0 I 1 ． 1 【1 _ 2 1 1 3 I 1 _ 4 1 5 f I} I L I I } 离速计数口1 I 图3 外部电路接线图 6总结 该设计基本上解决了二次仪表 出现问题的各种 情况 ， 并且将核仪表的二次仪表部分统一起来 ， 使用 一 个 P L C代替全部的核仪表二次仪表部分。实现 了 对密度、 压力、 排量、 重量等工艺参数 的测量和调节， 提高 了测量精度 ， 降低 了运行成本 ， 具有操作简单 ， 运 行稳定等优点。设计 的外部 电路结构简单 ， 扩展性 强， 能广泛运用于各种工矿现场。 参考文献 [ 1 ] 宁平治， 李磊， 闵德芬． 原子核物理基础[ M] ． 北京 北京高等 教育出版社， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 兰州同位素仪表公司． 密度计、 车载密度计、 核子秤说明书[ Z ] ． 兰州 2 0 0 7 ． [ 3 ] 陈立定 ， 吴玉香， 苏开才． 电气控制与可编程控制器[ M] ． 广州 华 南理工大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 西门子股份有限公司． S I E M E N S文本显示设备 T I 4 0 0 C用户手 册[ z ] ． 2 0 0 6 ． [ 5 ] 胡敏． 深入浅出西门子 S 7 2 0 0 P L C [ M] ． 北京 北京航空航天 大学出版社 。 2 0 0 5 ．