PLC自控系统的设计方法*

卢世军

(中国石油玉门油田炼化总厂)

PLC自控系统的设计方法*

卢世军

(中国石油玉门油田炼化总厂)

以S7-200 PLC和一个简单的压缩机控制系统的设计为例，介绍了PLC自控系统设计的基本步骤，并对PLC的组成、工作原理和编程进行了简单的介绍。

PLC自控系统 设计方法 中断指令 EM231模块

PLC自控系统在工业生产中广泛应用，如笔者所在的乍得恩贾梅纳炼油厂，在用的各类PLC系统多达56套之多，大部分为西门子的S7-200和S7-300系统，也有部分S7-400、S7-1200及其他厂家(如欧姆龙)的系统等。作为一名自动化专业的技术人员，对于PLC 系统的维护，除了做好程序的备份，熟悉各类设备、生产工艺和控制过程外，还要熟悉PLC的工作原理、硬件结构及软件编程等，对于一些不太复杂的控制要求，应具备自己设计、编程的能力，以便遇到问题及时解决。西门子的PLC系列中，S7-200相对简单，笔者以一个简单的压缩机自动保护系统设计为例，介绍S7-200 PLC控制系统的设计方法。

1 工艺流程和控制要求

工艺和控制总体流程如图1所示。气体经过压缩机压缩以后，先后经过除油罐、除水罐和储气罐进入用气装置。在压缩机出口处，有出口阀和排气阀，因为压缩机要求零负载启动，故在启动压缩机之前，应先通过排气阀排空汽缸内的气体。在除油罐底部有排油阀，除水罐和储气罐底部有排水阀。电接点压力表B检测压缩机出口的压力，Cu50热电阻测量压缩机汽缸的温度，这些信号均传入PLC中，PLC根据这些信号，对相应的器件做出控制。

图1 工艺和控制的总体流程

本次设计要求是使压缩机自动保护系统具有以下功能：合闸上电后，PLC通电，程序首先检测压力p是不是在0.2MPa以下，若是，则开放气阀V1，关出口阀V2，放气10s后(目的是实现压缩机的零负载启动)，关闭V1，打开V2，同时启动压缩机；若不在0.2MPa以下，则先不启动压缩机，程序继续检测压力，直到检测到压力小于0.2MPa。第1次启动压缩机5s之后，打开电磁阀V3、V4、V5进行排油排水，持续10s后，关闭这3个阀，以后的过程中这3个阀不再打开。一上电，程序就开始进行压力和温度的检测，当检测到温度T达到100℃时，报警并停压缩机；如果检测到压力达到上限0.5MPa，则停压缩机，若15s后压力仍未降下来，则报警。当温度或压力降下来以后，报警灯停止闪烁，但压缩机仍然处于停止状态。直到经过一段时间，程序检测到压力降到下限值0.2MPa后，才又重新启动压缩机(启动之前仍要先放空气缸里的气体，进行零负载启动)。然后直到温度或压力达到上限，停压缩机、报警，如此循环。温度、压力报警灯报警时以1s为间隔闪烁。需要注意的是，在停压缩机后直到压力降到0.2MPa的过程中，压缩机一直是停着的，同样，在启动压缩机后直到压力或温度达到上限的过程中，压缩机一直是开着的。程序在PLC有电的情况下一直进行温度和压力的检测。

2 PLC自控系统的设计

2.1硬件配置

PLC选用S7-200 CPU 224作为整个控制系统的核心。对压缩机的自动控制就是通过对PLC的编程来实现的。S7-200 CPU 224共有14个输入端，10个输出端。本次设计用了其中的两个输入端，8个输出端。两个输入端10.0和10.2分别接入电接点压力表送来的两个开关量信号——压力的上限值和下限值。输出端的分配如下：Q0.0接交流接触器的线圈，Q0.1接压缩机的放气阀，Q0.2接压缩机的出口阀，Q0.3接除油罐的排油阀，Q0.4、Q0.5分别接除水罐、储气罐的排水阀，Q0.7接压力上限报警指示灯，Q1.0接温度报警指示灯。PLC的电源由三相电源提供，从三相电源引出其中一相给PLC供电。PLC输出端一侧的L1、N两个端子为电源端子，外部交流电源即从此接入。在PLC的内部有交-直流变换电路，PLC输入端一侧的M、L+两个端子可向外提供24V(DC)电源，可以作为传感器的电源向外输出，也可以作为输入端的检测电源使用。本次设计中即用此电源作为输入端的检测电源，同时给EM231 RTD 模块供电。

EM231 RTD 模块是一个智能模块，它与一般的模拟量处理模块不同，比一般的模拟量处理模块更高级，用法相对复杂一些。EM231 RTD模块与热电阻配合使用。它为S7-200连接各种型号的热电阻提供了方便的接口，也允许S7-200测量3个不同的电阻范围。在使用此模块时，必须用DIP配置开关选择热电阻的类型、接线方式、温度测量单位和传感器的熔断方向。鉴于此，连接到模块的热电阻必须是相同的类型。

所用器件列表见表1，V1～ V5即代表各个电磁阀。

表1 器件列表

为方便说明，电磁阀直接接到PLC的输出端，不通过继电器控制。输入/输出点分配情况见表2。

表2 输入/输出点分配表

另外，对于扩展的温度模块，它测得的信号传入PLC中的变量寄存器VW100中。

端子接线和硬件的整体接线如图2所示。

需要说明的是，对于EM231 RTD测温模块，如果有一个热电阻输入通道没有使用，应在没有使用的输入通道接入一个电阻器，这样可以避免由于悬浮输入所造成的有效输入通道阻塞的错误。

图2 PLC端子和硬件整体接线

2.2程序设计

根据控制要求，首先画出程序的设计框图，然后在此基础上编制程序。设计的程序框图如图3所示。

图3 程序设计流程

在了解了S7-200编程软件Step 7和各种指令的使用方法后，就可以根据设计好的程序流程框图编制程序了。程序分为3部分：一个主程序，一个子程序，一个中断程序。在主程序中完成各种控制要求；在子程序中建立中断事件与中断程序的连接，设置中断事件发生的间隔时间，并允许中断；EM231 RTD模块将测得的信号传送到PLC的输入映像寄存器中(由于使用的是第1路输入通道，故信号存储在映像寄存器AIW0中)，中断程序的作用就是将寄存器AIW0中的值定期地传送到内部变量寄存器中，用于程序的处理。具体的程序如图4、5所示。

图4 主程序

图5 子程序和中断程序

需要说明的是，程序中的13160是Cu50热电阻在100℃时对应的数字量，算法为：

27648∶150=x∶71.40

解得x=13160。其中，150为通过EM231 RTD模块的拨码开关设定的阻值范围，71.40是Cu50热电阻在100℃时的阻值，27648是热电阻阻值为150Ω时对应的数字量。EM231 RTD测温模块相较于一般的模拟量处理模块，用法相对复杂一些，需要通过模块底部的配置开关设定热电阻的类型、温度测量单位及接线方式等，在设定了热电阻类型后，如何处理数字量与温度之间的关系也非常重要，该模块具体的用法要参考使用说明。

对程序中使用的中断指令进行以下说明。中断指令使系统暂时中断现在正在执行的程序，而转到中断服务程序去处理那些急需处理的事件，处理后再返回原程序执行。中断可分为3类：通信口中断、I/O中断和时基中断。本次设计中，用了时基中断中的定时中断0。它对应的事件号是10，因此在程序中应该先用ATCH指令建立中断程序与10号事件的连接。程序中设定的中断周期时间为0.2s，因为用的是定时中断0，故应将设定的时间值写入寄存器SMB34中，这是通过数据传送指令来实现的。这些准备工作都做完后，中断事件就按设定的周期时间不停地发生，而一旦发生中断事件，就会执行与它连接的中断程序(本次设计中，中断程序是用来将输入映像寄存器AIW0中的值传送到内部变量寄存器VW100中的，即是用来采集温度的)。

在程序中，还用到了几个寄存器，需要说明一下。M0.0、M0.1、M0.2是内部标志位寄存器，它们是用来存放中间操作状态的。程序中用M0.0的状态(触点)来控制压缩机的启停等。SM0.0和SM0.3是两个特殊标志位存储器，SM0.0用于RUN监控，它在RUN方式下，状态总为“1”，SM0.3在PLC上电进入RUN方式时，接通一个扫描周期。本次设计中，SM0.0用于子程序和中断程序中，因为它在RUN方式下的状态总为“1”,这就保证了只要调用子程序或中断程序，其中的内容就一定会被执行到。SM0.3用作主程序调用子程序的条件，因为它只在PLC上电进入RUN方式时，接通一个扫描周期，故可以用它做到只调用一次子程序(子程序的作用是初始化,没必要一直调用)。

3 结束语

要设计一个符合要求的PLC控制系统，首先要对控制对象进行分析，明确设计要求，在此基础上对系统的硬件进行配置，包括PLC机型的选择、输入/输出模块的选择、其他器件的选择以及画出输入/输出端子的接线图等，然后根据控制要求，设计程序框图，编制出相应的程序，最后将编译通过的程序下载到PLC中，并进行调试，直到调试成功。

2017-05-15，

2017-06-15)

(Continued from Page 950)

The concept of LabVIEW and the working principle of virtual instrument were introduced; and analyzing overall composition of the temperature detection system was implemented, including the description of the graph of temperature parameters and the way of receiving data from serial port and the construction of a LabVIEW-based temperature auto-detecting system. Through combination with LabVIEW technology, the structure design and software design for the principle and slave computers of the temperature detection system were carried out. This temperature detection system can realize uninterrupted detection and collection of electrical signals.

temperature detection system, virtual instrument, LabVIEW

卢世军(1983-),工程师，从事化工仪表的维护工作，249205320@qq.com。

TH865

B

1000-3932(2017)10-1006-05