PLC和HMI在三并联冷库控制系统中的应用

摘要：论文主要介绍omron CP1H PLC和台达DOP-HMI在三并联冷库控制系统的应用，给出了控制系统设计方案，详细阐述了PLC梯形图控制程序和HMI组态程序的实现过程。关键词：可编程序控制器；顺序功能图；梯形图；人机界面1.引言 随着我国经济的快速发展，全国各地区的冷库也逐渐增多。不过当前仍然有很多冷库采用传统的继电接触器控制系统，这种控制方法采用纯硬件接线来实现各种控制逻辑，接线比较复杂、功率损耗高、工作可靠性差、使用寿命短，而且其通用性、灵活性较低。可编程控制器（以下简称PLC）自产生以来，就以其编程简单、可靠性高、通用性好、功能强大、开发周期短、体积小、使用方便等优点，逐步在各行业，尤其在工控领域获得了广泛的应用。本文介绍了omron公司较新的PLC产品和台达的人机界面（Human-Machine Interface，以下简称HMI）产品在冷库控制系统中的应用。采用PLC和HMI,以软件编程代替多数硬件接线，以人机对话代替大多死板的硬件逻辑，使冷库的控制和运行达到了较理想的效果，有利于大大减轻工人的劳动强度，使控制系统更可靠、更经济、更人性化。2.三并联冷库系统的控制要求2.1 单台压缩机的启动停止过程 三并联冷库的控制的核心是对压缩机的控制，系统使用了三台同规格同型号的压缩机。压缩机的启动停止过程如图1所示。 压缩机的启动台数可预先由HMI设定，可以只启动一台，可以是两台，也可三台均启动。两台或三台压缩机的启动间隔时间为5s。启动时，运行时间的最短的压缩机优先启动，运行时间最长的压缩机最后启动，见图2。另外在运行过程中，压缩机因压力降低而逐渐按压力设定值停机后，又可按压力回升的情况逐渐恢复启动，见图3。2.2 冷库系统的启动和停机控制要求 三台压缩机的停机有按时间方式停机，也有按压力方式停机。按时间停机各台之间也间隔5s，运行时间最长的压缩机优先停机，运行时间最短的压缩机最后停机；按压力停机时，停第一台、停第二台和停第三台的停机压力设定值依次降低，按压力停机的回气压力值可预先由HMI设定，见图3。[align=center][/align] 按回气压力停机时，各压缩机之间并非间隔5s停机，而是按压力下降至设定值时逐步停机。当系统在未关断水泵、冷凝风扇及压缩机模块电源前，回气压力回升至启动压力值时，会重新启动压缩机。三台压缩机都可以单独急停，也可单独复位启动。 2.3 冷库系统的保护环节及故障的控制要求 系统的模拟量、开关量保护优先级别分为两级,具体叙述如下： 一级模拟量：高压保护压力设定为19bar，范围为0～30bar；低压压力保护设定为-0.5bar，范围是-0.65～10bar（压力值通过HMI设定）； 一级开关量：蒸发冷水泵过载、油位故障、水流量开关故障，三台压缩机均不得启动，若在运行中发生上述故障，三台压缩机全部停机，HMI上显示故障内容； 二级开关量：1#～3#空开跳脱、高压控制开关、低压控制开关、压缩机过载、保护模块故障、油流量不足以及油压差故障。 系统发生故障后，HMI可显示并查询故障内容，且有报警输出。HMI可消音停止报警，见图4。 冷库系统的故障分为一级故障和二级故障。一级故障出现后，三台压缩机全停，延时30s，25%电磁阀也全部断电。此时系统并未全停，直到按下屏幕停止按钮后延时30s才将蒸发冷水泵、蒸发冷风机及压缩机模块电源全部断电。若在按下屏幕停止按钮前，一级故障已经修复，则可用屏幕上的一级故障复位按钮使压缩机重新按时间顺序依次投入运行，见图5。 二级故障一旦出现，则停相应的压缩机，其它压缩机继续工作，等出现的故障修复后，所停的压缩机也可通过二级故障复位按钮自动参与运行。见图6。2.4 油泵及冷凝风扇的启动和停机控制要求 油泵的启动须在有压缩机启动主交流接触器工作后方可启动，即只要有任意一台压缩机的主接触器得电动作了，油泵就会启动。在油泵允许启动的条件下，油泵的启动和停止由系统的高压排气压力决定，控制要求见图7。 蒸发冷凝风扇的电机为双速电机：10级和12级。两级之间应互锁，蒸发冷凝风扇的控制要求见图8。 蒸发冷凝风扇和油泵在系统启动后，即按下屏幕启动键后，开始检测系统高压排气压力，各压力值均可根据需要在HMI中设定。图中为默认设定好各压力值时的情形。系统的模拟量就是回气压力（低压）和排气压力（高压），通过压力的变化来间接反映温度的变化。分别由两个压力传感器来检测。其中压力传感器1（规格为-0.65～10bar、2.93～20mA）用于检测低压回气压力，控制压缩机的启动和停止；压力传感器2（规格为0～30bar、4～20mA）用于检测高压排气压力，控制蒸发冷风机和油泵的启动和停止。2.5 其它控制要求 控制系统要求HMI显示和设定系统工作的日期、星期和时间；要求HMI能具体显示各输出设备的状态，并简单动画演示压缩机是否工作和动态显示压缩机工作时间；要求HMI实时显示系统的低压回气压力和高压排气压力值；要求HMI能详细显示故障信息并方便查询故障；要求系统需要设定的压力值和时间值都可通过HMI设定。考虑到最终用户在拿到并使用产品后，可能未按期如数支付货款，产品要求还具有“设定和取消使用期限限制”的功能。若用户未能一次付清货款，可设定产品使用期限，等用户支付完货款后又可取消限制。控制系统所需要的PLC的输入输出总点数见表1：表1 控制系统需要的输入输出3.PLC的选用及程序设计3.1 PLC的选用 根据以上控制要求，分析控制系统需要的开关量输入输出点数和模拟量输入点数，可以看出，所选用的PLC需要有32个以上开关量输入点、32个以上开关量输出点、2个以上模拟量输入点。因此可考虑选用OMRON公司CP系列的CP1HXA40CDR-A型PLC，见图9。 该CPU单元内置输入24点、输出16点；内置模拟电压/电流输入4点，模拟电压/电流输出2点；通过扩展CPM1A系列的扩展I/O单元，CP1H整体可以达到最大320点的开关量输入输出。采用该型号PLC实现三并联冷库控制，只需要再购买两块符合控制点数要求的CPM1A系列的扩展I/O单元（可选CPM1A-20EDR和CPM1A-16ER或者选CPM1A-20EDR和CPM1A-8ER两个数字量混合输入输出扩展单元，见图10）外，不需要另外购买其它PLC特殊模块（如单独的模拟量模块）。这样，系统控制功能的实现更加经济、简洁、方便。3.2 PLC I/O地址分配 PLC确定好以后，根据控制系统所需要的开关量输入输出点进行编号，见表2。表2 三并联冷库控制系统CP1H PLC I/O 定义及编号表3.3 PLC内建模拟量的预设 PLC内建模拟量的读取必须先在PLC CPU单元以及CXProgrammer编程软件中进行预设，否则控制程序无法按要求正常运行。以下是关于内建模拟量的预设情况。首先，根据控制系统选用的压力传感器的规格要求（压力传感器1规格为-0.65～10bar、2.93～20mA；压力传感器2规格为0～30bar、4～20mA），将内置模拟量输入切换开关均设为ON，即电流输入（实际使用时只需使用模拟输入1和模拟输入2两路），见图11。然后，在CX-Progammer编程软件中选定各模拟量的量程为0～20mA，设定内建模拟量的分辨率为6000或12000，本控制程序设为6000，见图12。需要注意的是：编程软件需要CX-Programmer6.1及以上版本方可适用于omron CP1H型PLC，见图13。3.4 PLC的控制程序设计 PLC的控制程序主要有：模拟量采集与比较程序、压缩机工作时间统计与比较程序、一级故障和二级故障检测、报警与故障停机程序、冷库系统及压缩机正常启动程序和正常停止程序、压缩机运行动画显示程序以及系统加密违约限制程序等，其中有些程序需要结合HMI方能更方便地加以实现，见图14。 为了更容易分析、理解、检索和修改编制的程序，需要对程序中用到的大多PLC内部软继电器进行编号和定义，同时还需要对程序中用到的定时器或计数器，尤其是HMI中需要设定数值的定时器进行编号和定义。4 程序设计4.1 模拟量采集程序的设计 冷库系统中，温度的变化是由系统压力来反映的。控制系统中两个压力传感器正是为了采集系统高压排气压力和低压回气（吸气）压力的，传感器将实际压力转换成电流值送给PLC，PLC内建的模拟量模块则可以将电流值（预设为0～20mA）转换成PLC能处理的数字信号 [4]。图15为低压模拟量采集部分程序。4.2 压缩机累计工作时间计时程序的设计 冷库系统中三台压缩机在工作一段时间后，工作时间并不是都一样的，因为有时是三台都工作，有时可能是只有两台或一台工作。为了尽可能使三台压缩机使用寿命一致，其工作时间也应该尽可能始终都接近。这就要求压缩机在工作过程中，控制程序能对压缩机的工作情况进行计时，计时的目的是为了让程序知道哪台压缩机工作时间最长，哪台工作时间最短。最短的在启动时优先投入工作，最长的则在停机时优先停止工作。如图16为压缩机1工作时间计时部分程序。4.3 压缩机故障诊断与控制程序的设计 系统的故障分为一级故障和二级故障，一级故障针对整个冷库系统，二级故障则只针对相应压缩机。一级故障中，油位故障和水流量开关故障的工作情况较特殊。油位故障发生时并不立即产生一级故障，而是延时一定时间后产生一级故障，延时时间由HMI设定，见图17。 水流量开关跟随冷凝水泵一起工作，其原始状态为常开，随着水泵工作后也跟随闭合，水泵打开也跟随打开，若不随水泵工作而动作则视为故障，故障超时后产生一级故障，超时时间也由HMI设定，见图18。4.4 PLC内置电池电量不足的处理 PLC具有掉电保持功能的内部软元件靠内置电池来保存数据，内置电池一旦亏电，则不能保证数据被正确保存。因此在PLC内置电量不足时，需要程序能准确判断出，并提出要求更换PLC内置电池。判断程序见图19。判断结果由HMI显示出来。 PLC内置电池的更换不需要拆卸PLC，只要将PLC左上角的电池盖板掀开，就可清晰看到安装电池的位置，电池更换示意图见图20。4.5 允许压缩机运行工作台数的程序设计 冷库系统需要几台压缩机参与工作，可以预先在HMI上设定好，然后再启动系统，系统就按照预设的压缩机台数工作。其梯形图程序部分见图21。4.6 压缩机工作状态转换子程序设计 三台压缩机除了启动时刻不同外，其动作过程完全相同。根据单台压缩机的动作过程采用SFC法编制相应的状态转换梯形图作为子程序[5]，以便需要时随时调用。图22是压缩机2的状态转换子程序。 一旦调用压缩机状态转换子程序，则对应压缩机按照状态转换执行相应动作，其动作部分的梯形图程序在子程序外另编。4.7 压缩机运行动画显示PLC控制程序的设计 由于采用了HMI，压缩机运行状态可以实现动画显示，其动画显示的原理和网上的FLASH动画显示原理相似，是多个HMI做出的画面在较短的时间交替循环显示，以呈现出视觉上的动画效果。压缩机的动画效果可以用PLC梯形图程序和HMI组态程序相结合的方法实现。图23是压缩机3动画显示的PLC梯形图程序部分。由于HMI本身就可在数据WORD的状态图显示中设定状态总数，并且可自动按设定时间移位，故PLC梯形图程序中无需使用定时器及移位指令。4.8 限期使用加密程序的设计 按控制要求，系统还需具有设定和解除限期使用的功能。这主要是为了防止用户未能按期支付产品全部款项，并且无限期拖延支付。这种情况下，只有通过付款期限到时，限制用户正常使用本产品的方法来解决。本冷库控制系统在用户使用一定时间后，若没有按时支付产品全部款项，则冷库系统自动停止工作，直到解除限期使用设定才会恢复工作。本控制系统通过PLC和HMI共同实现这样的限制功能。PLC梯形图程序部分见图24。5.HMI的选用及组态软件的设计 控制系统要求有人性化的使用界面，要求有美观的图形显示控制过程及运行状态，有详细的故障诊断及报警显示，有工作时间的具体显示，甚至还要求部分的动画显示……，怎么办呢？其实，只要选用适合的人机界面（也称触摸屏，常简称HMI）产品，并编出相应的组态程序，就能满足这样的要求。5.1 HMI产品选用 本系统选用台达的DOP-A80THTD1型HMI,见图25，该HMI采用8寸TFT65536彩色显示器，其提供的软元件较丰富，功能完全够用。其对应的人机编辑软件Screen Editor简单易用，能圆满实现控制系统所提的各种控制或其它要求。5.2 HMI组态软件的设计 通过台达HMI设计的三并联冷库控制系统的组态软件包含7个组态画面，分别是：主界面、故障显示、历史记录、用户设置、状态查询、历史与当前故障明细和压缩机工作时间查询界面,这些画面中设计的功能基本包含系统所要求的各种控制和需要。（1） 主界面的设计 主界面窗口包含按钮操作区、工作状态显示区（动画显示三台压缩机工作情况）、环境状态显示区（显示系统高压排气压力和低压回气压力）以及日期时间显示等区域。画面中还隐含了一些报警显示区（正常时不显示）和特殊功能按钮。见图26，主界面中共有14个按钮和其它状态显示区。“上锁”和“开锁”按钮是两个隐藏按钮。上锁的目的主要是为了防止非系统正式用户的误操作或恶意操作给系统带来的损害或产生不可预测的结果,见图27。 当PLC内置电池亏电时，PLC将亏电标志信号送HMI显示出对应文字信息，以提醒用户及时更换电池，见图28。另外用于配合PLC实现的限期使用HMI提醒功能在约定时刻显示出提醒文字，见图29。（2）故障查询界面的设计 如图30，故障查询界面显示完整的9个一级故障和3×7个二级故障信息，同时界面具有1个一级故障复位和3个二级故障复位按钮和1个消音按钮。（3） 历史记录界面的设计 历史记录界面主要具有5个换画面查询按钮和两个具有特殊功能的隐藏按钮。见图31。 “释放”按钮：用于解除限期使用的限制；“重设”按钮：用于重新设定限期使用程序。（4）用户设置界面的设计 用户设置界面见图32，此界面主要用于对各设备各参数值的设定。 左上角的红色锁标记（password set table）：属于本组态软件的最高权限，此处只要用最高权限密码就可解开其它所有的权限密码，也可用于设定所有权限的新密码。（5） 状态查询界面的设计 状态查询界面见图33，通过状态查询界面可以清楚地看到冷库系统的具体工作情况，界面可显示蒸发冷水泵、油泵、蒸发冷凝风扇（10级和12级）以及各个压缩机是处于运行状态还是处于停机状态。（6） 历史故障与当前故障明细界面的设计 图34是历史故障与当前故障明细界面的设计，此界面主要用于查询历史故障，并能实时显示当前故障。（7） 压缩机工作时间查询界面的设计 此界面的功能主要为实时显示三台压缩机的累计运行时间，并可对运行时间清零。运行时间清零需要和PLC梯形图程序共同参与实现。见图35。6.结束语 将PLC和HMI应用在冷库控制系统中，使得冷库的控制获得了更加稳定灵活的控制性能和更人性化的用户界面，使得人与机器之间的关系更加“简单、自然、友好、一致”。 本控制系统设计完成后，将应用于新疆某企业的冷库控制中。经多次初步调试，本控制系统的运行完全正常，能圆满实现系统所提的各种控制要求，整个控制系统即将发往新疆。参考文献[1]SYSMAC CP系列CP1H CPU单元操作手册.上海欧姆龙自动化系统有限公司,2007.[2]SYSMAC CP系列CP1H编程手册.上海欧姆龙自动化系统有限公司,2007.[3]CX-Programmer 6.1 中文操作手册.上海欧姆龙自动化系统有限公司,2007.[4]宋伯生.PLC编程实用指南.北京:机械工业出版社,2007.[5]谢克明,夏路易.可编程控制器原理与程序设计. 北京:电子工业出版社,2002.[6]DELTA DOP系列人机界面使用手册.中达电通股份有限公司,2007.作者简介赵 安 教师，现就职于江苏泰州职业技术学院。