基于工控机和PLC的过程装备控制实验系统开发.pdf

2 0 1 1年 6月 第 3 9卷 第 1 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS J u n ．2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 1 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 2 ． 0 3 2 基于工控机和 P L C的过程装备控制实验系统开发 韩军，常瑞丽 1 ．内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 ； 2 ．内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 摘要从教学和工程实际需求出发，基于工控机和P L C设计了一套集过程控制、自动化、测控于一体的过程装备控制 综合实验系统 ，介绍该实验系统的硬件组成和控制台的设计。利用该装置可进行多个专业实验，使学生在学习工程理论的 同时 ，可以亲身感受到过程装备控制的实现和先进技术的应用，激发了学生对专业课程的学习热情，提高了学生的动手能 力和创新思维能力。 关键词过程装备；控制工程；专业实验；实验装置 中图分类号G 6 4 2 ． 4 2 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 2 0 9 83 De v e l o p me n t o n E x p e r i me n t S y s t e m o f P r o c e s s Eq u i p me n t a n d Co n t r o l B a s e d o n I P C an d P LC HAN J u n，CHANG Ru i l i 1 ． Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g S c h o o l ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n e r Mo n g o l i a ， B a o t o u I n n e r Mo n g o l i a 0 1 4 0 1 0，C h i n a；2 ． I n f o r ma t i o n En g i n e e ri n g S c h o o l ，Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n e r Mo n g o l i a ， B a o t o u I n n e r Mo n g o l i a 0 1 4 0 1 0 ，C h i n a Ab s t r a c t B y t h e r e q u i r e me n t o f t e a c h i n g a n d e n g i n e e rin g p r a c t i c e ，b a s e d o n I P C an d P L C，a s u i t o f e x p e ri me n t t e a c h i n g i n s t r u - me n t w a s d e s i g n e d，w h i c h r e l a t e d t o p r o c e s s c o n t r o l ，a u t o ma t i o n ，s u r v e y a n d c o n t r o l a n d c o r r e l a t i v e s p e c i a l t i e s ．T h e d e s i g n s o f h a r d - w a r e s t r u c t u r e a n d c o n s o l e o f t h i s e x p e ri me n t a l s y s t e m w e r e i n t r o d u c e d ．T h e s y s t e m c a n b e u s e d t o C a t T y O U t many s p e c i alt y e x p e r i - m e n t s ．B y t h e i n s t rum e n t ， w h e n l e a r n i n g e n gi n e e ri n g t h e o r y ， s t u d e n t s c a n k n o w t h e a c t u al i z i n g o f p r o c e s s e q u i p me n t c o n t r o l and t h e a p p l i c a t i o n o f a d v a n c e d t e c h n o l o g y ．T h i s s t i mu l a t e s t h e i r e n t h u s i a s m i n s p e c i alt y c o u r s e s s t u d y a n d e n h an c e s the i r p r a c t i c e c a p a b i l i t y a n d c r e a t i v e t h i n k i n g ． Ke y w o r d s P r o c e s s e q u i p me n t ； C o n tr o l e n gi n e e r i n g ；S p e c i al t y e x p e ri m e n t ； E x p e ri me n t i n s t rum e n t 近年来 ，随着教学改革的不断深入，在各个高校 中各专业 ，特别是工科专业对素质教育的要求越来越 高，但在实际中理论与实践脱节现象非常严重。为 此，作者研究开发了一套过程装备控制综合实验系 统。该系统既可作为一套综合教学实验装置，又可作 为一个科研实验平台，能在装置上进行多个实验 ，减 少了专业实验装置的投资，有效提高了装置的利用 率。在该实验平台上进行设计型和研究型实验 ，有利 于培养学生的动手能力 、创新意识和科研素质。 该实验装置采用多种传感器获取压力、液位、温 度、流量4种基本物理量，并通过智能仪表、数据采 集卡，将测量信号传送到计算机 ，再利用工控组态软 件完成虚拟显示、数据处理和实时控制等功能。完全 采用工业生产中使用的传感器、仪表、执行器等工业 级元件 ，在一个管路循环系统上实现过程控制。可通 过手动按钮 、智能仪表和 P L C进行控制，并可通过 上位 P c机 ，结合 MC G S工控组态软件 ，实现实时监 控。同时从教学实际出发，所有的传感器、仪表、执 行元件、水箱、管路等部件完全可视化，直观集成于 整体实验装置上，结构紧凑、利于观察调试，提高了 学生 的学 习兴趣 。 1 实验系统硬件组成 1 ． 1 系统框 图 设计 的过程装 备与 控制实验系统框图如图 1 所示 ，该 实 验装 置 由 P C 机、仪 表 、P L C 、传 感 器、驱 动板、信号 分路 板以及执行元件等组成 ， 是一套实用性很强 的实 验装置 ，不仅能满足本 l 仪 表 ． P L C ’ ＼t t l驱动 板 H信 号分路 板 I 毒 千 圆需 传 感 器 图 1 系统框图 科生实验教学的要求 ，还为包括系统的结构设计、性 能检测、P L C控制、微机控制在内的多方面的科研工 作提供了硬件及软件平台。实验装置涉及到压力、温 收稿 日期 2 0 1 0 0 62 8 基金项目内蒙古科技大学创新基金项 目 2 0 0 9 N C 0 2 9 作者简介韩军 1 9 7 7 一 ，男，硕士，讲师，主要从事机电一体化、智能机器人的开发与研究工作。电话1 3 1 4 2 6 3 2 2 8 6 ， E ma i lc r 1 2 00 6 1 2 6．c o m 。 第 1 2期 韩军 等基于工控机和 P L C的过程装备控制实验系统开发 9 9 度、液位、流量等物理量 的测试技术、数据采集技 术、过程 P I D控制技术、微机控制技术等 ，是一套典 型的集过程、设备及控制于一体的多学科交叉实验装 置 。 1 ． 2智能仪表 文中所用仪表采用先进的 A S I C芯片及制造技 术 ，将常规仪表的硬件接口电路和多功能模块化仪表 软件高度集成于专业 A S I C之 中，从 而达到可靠性 高、稳定性好 、功耗低的工业级仪表。具有开放式仪 表模块结构、数字调零调幅校准、掉电参数保留、多 重抗干扰等功能。 1 ． 3 S 7_ 2 0 0 PL C P L C由于结构紧凑、功能强大、使用方便而广泛 应用于各种 自动化系统。随着技术的不断发展，P L C 的功能和可靠性不断提高。西门子 P L C产 品在国内 市场推广较早，是国内应用最为广泛的 P L C产品之 一 。s 7 _ 2 0 0 P L C作为西门子 P L C系列产品中的小型 P L C，设计紧凑 、指令功能强大 ，在实际工程中近乎 完美地执行各种小规模控制任务，从而在各行业 自动 化系统中广泛使用。 1 ． 4 模拟控制对象 模拟控制对象由上、中、下 3个水箱、小锅炉及 相应管路组成。上、中两个水箱均采用进 口透明有机 玻璃 ，结实耐用 ，便于直接观测液位的变化。水箱由 3个槽构成 ，分别称缓冲槽 、工作槽和溢水槽。系统 采用模拟锅炉进行温度控制实验 ，锅炉为不锈钢材 料，由加热层 内胆和冷却层 夹套 组成。作 温度单回路实验时 ，冷却层的循环水可以使加热层的 热量快速散发 ，使加热层温度快速下降。冷却层和加 热层都有温度传感器检测其温度。 1 ． 5系统执行 装 置 系统执行装置包括水泵 、比例 阀和电磁阀。水泵 用于整个系统的供水，管道式结构安装。循环介质采 用清水，管路直径为 1 0 n l n l ，实验装置采用单级循环 水泵 ，噪声低 、寿命长、使用方便。比例阀是该系统 重要部件 ，将控制模块送来的标准电信号转化为相应 的阀门开度，且阀门开度与输入信号成线性关系，配 合用来控制、调节流量。电磁阀安装在主管道上 ，控 制管路的通断。 1 ． 6 系统检测传感装置 系统检测装置包括涡轮流量传感器、温度传感 器、液位传感器和压力传感器。涡轮流量传感器是一 种速度式流量计。选用 L WG Y 一 1 0型高精度涡轮流量 传感器，具有精度高、动态性能好、可测量脉冲流、 耐高压、压力损失小、使用温度范围宽、测量范围大 等优点。温度测量采用热电阻元件 感温元件 ，利 用导体的电阻值随温度变化而变化的特性进行温度测 量。液位传感器用来对上水箱和中水箱的液位进行检 测，其核心变送器采用进口器件，具有抗过载、冲击 能力强、可靠性高，测量精度高等优点。信号变送输 出按标准的二线制 ，输 出与测量相对应的4～ 2 0 m A 标准信号送给仪表。压力传感器用来对管路的液体流 动压力进行检测 ，采用工业用硅压力变送器，质量 轻、灵敏度高、重复性好、频带宽。 2 控制台设计 控制台由手动控制按钮、智能仪表、P L C控制 、 信号接口、固态继电器控制方式选择、比例阀控制方 式选择等部分组成，整个控制台的设计力求在满足教 学的同时，让老师和学生都深刻体会到工业控制的方 便与快捷。控制台设计如图2所示。 图2 系统控制台设计 1 0 0 机床与液压 第 3 9卷 图中 “ 电压表”为电压表位置，用来显示设备 总电源电压，电压表下面是总电源开关与指示灯，总 电源开关选择钥匙开关 ；“ 内部电源指示灯”显示设 备内部的3个电源是否正常工作 ，与具体控制无关 ； “ 手动” 、“ P L C ” 、“ 采集卡”分别为实验设备的3种 控制方式选择按钮 ，实验时根据需求按下相应的按 钮 ；“ 手动控制 区”为设备执 行机构 手动控 制按钮 和 显示执行机构 正常运行 的指示灯，手动按钮 按到 “ 1 ”位置 ，对应设备通电工作 ，按到 “ 0 ”位置，对 应设备停止 ；“ 温度” 、 “ 液位” 、“ 流量”分别代表 温度 、液位和流量显示仪表，其下面为各个仪表的输 入信号端子，右侧有仪表电源开关 ；仪表开关下面为 驱动电路板的电源开关 ；“ 传感器信号输入”是各个 传感器采集并转换后的电压信号，该信号可以通过导 线连接到仪表、P L C等装置 ，每个传感器信号端子下 面有一个电源开关 ，“ 传感器 电源开关”是各个传感 器的总电源开关，一个仪表只能接入一路传感器信 号 ，而在计算机内部可以看到所有打开传感器采集到 的数据信号。 左侧分别为固态继电器的控制方式选择 、比例阀 控制方式选择及比例阀电源开关等。 自动控制时把 “自动控制输出”下的端子与 “ 输入控制”下的端子 相连 ，仪表 S S R输出时把 “ 仪表 S S R输出”下的端 子与 “ 输入控制”下 的端子相连。使用比例阀时先 将 比例阀开关打开，比例阀控制由采集卡或 P L C的 D ／ A输出信号控制 ，根据情况选择不同的连接方式； “ P L C ”采用西门子 P L C S 7 ． 2 0 0 。 “ P L C模拟量输入” 下面是传感器信号进入 P L C的端子，P L C最多可以 同时进入4路模拟信号。 3 上位机及控制软件系统 该过程控制系统上位计算机可以根据用户的要求 配置不同的组件。软件系统采用 MC G S ，M C G S是一 套基于 Wi n d o w s 平台的、用于快速构建和生成上位机 监控系统 的组 态 软件 系统 ，可 以运 行 于 Mi c r o s o f t Wi n d o w s 9 5 ／ 9 8 ／ N T ／ 2 0 o o ／ x P等操作系统。 4 结束语 该过程装备控制实验装置是开放式系统，每个实 验模块都经过精心设计，在教学过程中，不仅可以作 为教学演示仪器 ，进行一些典型的验证性实验 ，同时 也着重考虑设计型和综合型实验的操作性和扩展性。 如在毕业设计中实现教学与工程实际相结合；教师可 根据实际情况指导学生改变仪表参数、数据处理方 式、程序结构等 ，变实验装置为工业现场，充分激发 学生对专业学习的积极性 ，提高解决实际问题的能 力 ，使他们尽快适应实际工作要求。 参考文献 【 1 】陈秀平 ， 胡小刚． 我校实验教学模式与教学体系改革的 探讨[ 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