基于ABB-AC500 PLC和组态王的酸奶生产监控系统的设计

分类：技术教程日期：2013-10-28 00:00:00 来源：西部工控网

　　酸奶生产是一个压力、温度、液位控制系统，以发酵罐为主反映器，具体过程就是把新鲜原奶和发酵剂(乳酸菌)加入混合罐，通过监控混合罐的液位控制原料的注入量，经搅拌充分混合后注入到发酵罐，通过监控严格控制发酵罐温度，发酵完成后即可获得成品酸奶。

　　PLC控制系统以其运行可靠、使用维护方便、抗干扰能力强、适合新型高速网络结构等显著的优点，在小型工业控制系统和机械设备中，通常采用PLC单机控制模式实现顺序控制和传动控制，并确保生产效率。为了提高酸奶生产系统的经济性、可靠性和可维护性，目前酸奶生产系统都倾向于采用先进、实用、可靠的PLC来进行控制，同时在上位机利用亚控公司的组态软件“组态王”设计一个人机界面(HMI)，通过RS485与可编程控制器通信，对控制系统进行全面监控，从而使用户操作更方便。总体上包括的技术路线：硬件设计，软件编程，组态设计[1]。

　　1. PLC选型与I/O分配[2]

　　1.1 系统控制要求

　　酸奶生产控制方式主要分为继电器控制系统、DDC(直接数字式控制器)控制系统和PLC控制系统等几种形式。采用传统的继电器控制系统来实现酸奶生产控制，由于机械接触点很多，导致接线复杂、参数调整不方便、功耗高等明显的缺点，而且机械接触点的工作频率低、故障率高、容易损坏、可靠性差，所以继电器控制系统已逐渐被淘汰。采用DDC控制系统虽然可以减少接线，使得可靠性有所提高，但是由于其本身的抗干扰能力差、不易联网、信息集成度不高和分级分步式结构的局限性，因此，越来越不能满足复杂多变的智能控制要求。

　　采用PLC来控制酸奶生产，不仅可以通过编程实现复杂的逻辑控制，而且可以在很大程度上简化硬件接线，提高控制系统可靠性，操作界面友好，信息集成度高，便于实现智能控制。该酸奶生产控制系统主要是根据模拟量输入发酵罐压力、混合罐液位和发酵罐温度控制2阀(原牛奶阀1、发酵罐阀2)和一泵(混合泵)的启停。

　　系统控制要求如下:

　　1.能过在上位机HMI通过或在在现场启停控制系统。

　　2.系统上电后原牛奶阀1打开，发酵剂罐中压力大于25Mpa时，发酵剂阀2打开，此时原牛奶和发酵剂在混合罐中混合，当混合罐液位大于5m时，混合泵打开(否则关闭)。

　　3.检测发酵罐温度，当其温度低于36度时，混合泵关闭。

　　图1 系统设计框图

　　1.2 PLC及编程软件的选择

　　美国ABB公司生产的AC500-ECO PLC。AC500-ECO PLC由于其技术领先、功能前大、价格合理，在冶金、石油、化工、水利、电力等行业有广泛的应用。AC500-ECO PLC可满足各种小型控制任务的要求:结构紧凑、扩展性强、应用简单、配置灵活、维护便捷。考虑到酸奶生产监控系统总的I/O点数不多，本文我们选用 AC500-ECO PLC作为控制器,而编程软件我们采用ABB的PS501 Control Builder。

　　AC500-ECO PLC具有以下特点：

　　1.CPU数据备份可靠，无需电池;2.CPU模块上集成了IO，扩展IO模块更容易;3.程序容量:128KB，集成数据容量:10KB(保持数据可靠)4.兼容性高:所有的I/O模块均可自由连接5.I/O模块接线端子(弹簧和螺钉)可插拔，接线更简单6.与AC500同一个产品平台，并使用同一个编程软件和工具7.CPU单元可支持2个串口，用于编程和通讯

　　PS501 Control Builder适用于AC500系列的所有CPU的编程工具，是可编程逻辑控制器PLC 的完整开发环境它支持IEC61131-3标准IL 、ST、 FBD 、LD、 CFC、 SFC 六种PLC编程语言，用户可以在同一项目中选择不同的语言编辑子程序，功能模块等。并具有以下特点:1.可对整个系统进行组态(包括现场总线和通讯接口);2.强大的诊断功能报警处理;3.集成可视化和开放的软件接口;

　　1.3 IO的分配与选择

　　表1 酸奶生产控制系统IO分配

　　表2 IO模块型号选择表

　　综上，酸奶生产监控系统共需要1点DI、3点DO和3点AI，而AC500-ECO PLC的CPU集成了8DI+6DO，能够满足系统需要，故不需要额外的IO模块。

　　2. PLC主程序设计

　　2.1 硬件组态

　　通过I/O BUS添加AI模块，添加如下图所示：

　　图2 系统IO模块组态

　　2.2 I/O地址映射及变量声明

　　PS501 Control Builder是一个完整的用于逻辑控制器的开发系统，易于进行程序的开发，具有高级语言编程系统的开发环境，可为编辑器的操作和调试功能设置模式。

　　在POUs中，Main(PRG)即相当于汇编的主程序，在PROGRAM MAIN VAR与END_VAR中定义系统所需变量，在ABB PLC的语言编辑器的说明语句部分里设置输入输出端子的地址，相当于定义变量及类型。变量通常有AI,AO,DI,DO，DI和DO为BOOL型;AI和AO为INT或REAL型;

　　当完成PLC配置后，配置出对应的硬件扩展模块，接着就要对这些扩展模块进行编程，即可编程。在编程中，扩展的模块地址通过专用的定义表示，有两种方法：

　　变量声明:

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

　　[1] 可以在变量声明里，将地址信息映射，例如

　　do1 AT %QX4000.0: BOOL; (*将do1写到第4000个字节的第0位*)

　　turn_on AT %IX4000.0: BOOL;(*将第4000个字节的第0位赋值给turn_on *)

　　[2] 直接表示。例如

　　%IX4000.0:=TURE;

　　2.3 控制程序的编写[3]

　　控制系统的主要功能是对酸奶生产系统进行自动启停，显示压力、液位、温度等运行参数，控制电磁阀(原牛奶阀1、发酵罐阀2)和泵(混合泵)的开关，实现对酸奶生产系统的控制。从控制系统的主要功能出发，为了增加程序可读性和减少程序代码，PLC程序采用了主程序调用功能块的程序结构。对于多个功能块调用的变量，采用全局变量声明。

　　主程序变量声明如下：

　　PROGRAM PLC_PRG

　　VAR

　　start AT %IX4000.0: BOOL; (*启动开关*)

　　stop AT %IX4000.1: BOOL; (*停止开关*)

　　output: BOOL; (*系统启动状态标志*)

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

　　AI1 AT %IW0:WORD:=16#7530; (*发酵剂罐压力*)

　　AI_yali_ins: AI_FB; (*发酵剂罐压力模拟量输入模块*)

　　yali_val: REAL; (*发酵剂罐压力工程值*)

　　value2 AT %QX4000.1: BOOL; (*发酵剂阀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; (*发酵罐温度模拟量输入模块*)

　　AI3 AT %IW4: WORD:=16#7FF8; (*发酵罐温度*)

　　wendu: REAL; (*发酵罐温度工程值*)

　　ok: BOOL;

　　END_VAR

　　主程序采用LD(梯形图)作为MAIN POUs的编程语言，主程序如下图所示：

　　图3 系统控制主程序

　　2.4 子程序(功能块)的编写

　　对温度、压力、液位的线性变换[4]：

　　所谓线性参数，指一次仪表测量值与AD转换结果有线性关系，或者说一次仪表是线性刻度的。标度变换公式为:

　　2.5 程序的编译与下载

　　PLC数据存储区的统一规划设置，灵活、合理的规划出各部分的内存空间是软件设计的基础和保证。也是整个PLC系统实现控制的关键所在。编程修改调试都很方便,大大缩短了调试时间，提高了系统的自动化程度，降低了硬件的复杂程度。控制程序编写完成后，对程序进行编译。

　　(1)单击“project”;

　　(2)编写LD或FBD的程序;

　　(3)单击“rebuild all”，编译;

　　(4)没有语法错误时,否则根据提示修改。单击“online”，选择“communication parameter”，参数设置如下：Port：COM3; Baudrate：波特率;Parity：奇偶校验;Stop bits：停止位 Motorola byteorder：Yes

　　(5)单击“Login”，下载。

　　3.1 组态王的通信设置

　　在组态王的设备COM1中新建设备，选择莫迪康MODBUS(RTU)串行，输入设备的逻辑名字，选择COM1，通讯参数设置为：波特率9600，无校验，数据位：8，停止位：1。

　　3.2 数据词典中I/O变量定义

　　在数据词典中定义所需要的监控变量：

　　图4 组态监控变量表

　　3.3 组态画面的设计

　　1. 新建一个命名为“酸奶生产车间”的画面，该画面就是酸奶生产过程中的反应车间，该反应车间包括原料罐(盛装原奶)、发酵剂罐、混合罐、发酵罐、搅拌电动机、泵、以及若干阀门。其中原料罐关联自身压力，混合罐关联自身液位，发酵罐关联自身温度，电机开关关联搅拌电机开关。

　　2. 在“反应车间”画面中从“图库”选择四个合适的反应器分别作为原料罐、发酵剂罐、混合罐，发酵罐，并关联自身变量，以液位为例，如下图：

　　图5 变量关联

　　为了使各个变量的实时数值直观的反映出来，可以建立动画连接，以液位为例：选择工具箱中文本，在对应位置写下###，进行变量显示关联。

　　注意：保存主画面。“文件”下“全保存”。运行时，为使该放映车间的画面显示出来，在运行前应在“系统配置”中“设置运行系统”的主画面配置，把“反应车间”设为主画面。运行画面如下：

　　图6 主画面运行效果

　　3. 为了使各个变量的变化趋势直观的反映出来，可以从“工具箱”中添加实时趋势曲线于主画面，并关联需要显示变化趋势的变量。由于之后的工作中还要建立若干不同的画面，我的工程中将做实时报警画面、酸奶配方、趋势画面、历史曲线、XY控件画面、实时报表、退出控件这些画面。为了运行时可以方便地在这些画面中进行切换，可以新建画面，并添加按钮。

　　4.建立实时报警画面，为了当系统中某些量的值超过了所规定的界限时，系统自动产生相应警告信息(指示灯闪烁或者出现报警声音)，表明该量的值已经超限，提醒操作人员。为了方便查看、记录和区别，要将变量产生的报警信息归到不同的组中，即使变量的报警信息属于某个规定的报警组。对相应变量定义报警之后，还需要新建压力报警标志、温度报警标志、液位报警标志，为报警窗口下的按钮、报警灯的关联打下基础。产生新报警时，为了提醒操作员，故添加指示灯以及发出警报声音，从图库中找到合适的指示灯，并进行报警设置。在出现报警后，指示灯将会一直闪烁，添加“报警确认”按钮，设置按钮按下时这样按下“报警确认”按钮后，在出现下次报警指示灯将不再闪烁。