PSA制氮机的PLC控制系统设计

《工业控制计算机｝２００２年１５卷第４期　５９　ＰＳＡ制氮机的ＰＬＣ控制系统设计　黄永红　刘星桥　刘元清　江苏大学电气信息工程学院（２１２Ｏｌ３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｓ　ｐａｃｅ　ｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｓｉｍｐｌｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　Ｍａｋｉｎｇ—Ｎ２　ｍａｃｈｉｎｅ，ｔｈｅ　ｄｅ—　ｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　Ｐ－Ｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｈｅ　ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ　ｗｉｒｉｎｇ　ｄｉａｇｒａｍ，ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅ—　ｂｕｇｇｅｄ　ｒｅｓｕｌｔ　Ｔｑｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｔｈｅ　ｓｋｉｌｌ　ｔｏ　ｓａｖｅ　ｔｈｅ　ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ　ｎｕｍｂｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐ　ｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｈｏｓｔ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｕｎｉｔ　ｔｏ　ｄｉｓｐｌａｙ　Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐ　ｒｏｖｅｓ　ｔｈｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｔｅａｄｙｉｎｇ．ｃｒｅｄｉｂｌｅ．ｈａｎｄｌｅｄ．ａｐｐｌｉｅｄ　ａｎｄ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｋｅｙ￣ｅｒｄｓ：ＰＬＣ．ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ　ｎｕｍｂｅｒｓ．ｍａｋｉｎｇ　Ｎ２　摘要　本文舟龆了制氟机的工作机理厦简生的工艺流程。ＰＬＣ控制系统设计方案、输八／输出接线图、软件流程囤厦调试结　果。并介绍了设计过程中所用的节省输八／输出点数的技巧和万法厦显示设定单元与主机之间的通讯问题　实际使用证明　谈控制系统性能稳定可靠．操作简使．经济实用且是活性强　关键词：ＰＬＣ．控制系统输八／输出点教．制氟　Ｙ　ＰＳＡ系列制氮机是　空气为原料，以碳分子筛　为吸附剂，运用变压吸附原理、使充满微孔的碳分子　筛对气体分子响选择性的吸附来获得纯度为９８～　９９．９９％的氮气的新型制氮技术。为了能连续不断地　厂一　一　一　生产出台格氮气，必须对生产过程中的各个流程进行　自动控制。　ＰＳＡ制氮机控制系统原先采用的是继电接触控　制方法，所用器件多，触点易损，控制单一，体积大，无　法随时检测Ｙ　～Ｙａ电磁阀的好坏。我们选用了无锡华　光公司的ＳＭ一１６Ｔ型ＰＬＣ进行控制。ＰＬＣ控制方法　Ｖ　灵活，不需用时间继电器，可实时显示工作流程并监　　ｌＨ　视工作时间．并具有简单．实用、美观、操作方便的人　图１　制氮机工艺流程简图　机界面　、Ｙ。进入氯气贮罐，此过程即为Ａ塔吸附制氮。与　１　ＰＳＡ制氮系统控制要求分析　此同时，Ｂ吸附塔中吸附的氧分子经由电磁气动控制　ＰＳＡ制氮系统的工艺流程简图如图１所示。　阀　排宅，即Ｂ塔解吸至常压。Ａ、Ｂ两塔交替进行　图１中空气压缩机用来提供足够的气量和相对　连续供氮：当Ａ塔中碳分子筛对氧的吸附量将达到　恒定的输人压力（０　７５－０　８ＭＰａ）的原料气，经冷干机　平衡时．则该塔立即停止吸附。此时Ｙ　、　、Ｙ５、Ｙｅ均　除水，除油、除固态粒子等净化处理后．为了能连续不　处于关闭状态．而Ｙ　、Ｙ。、Ｙｅ、Ｙ　同时处于开启状态，　断地输出恒定的氮气，系统设置Ａ、Ｂ两个吸附塔进　实行Ａ、Ｂ两吸附塔均压，均压后即切换进入Ｂ塔吸　行交替＿Ｔ作　由气源系统来的纯净压缩空气，经电磁　附、Ａ塔解吸状态。此时压缩空气经电气控制阀Ｙ　、　气动控制阀Ｙ　、Ｙ　南吸附塔Ａ下部进人塔体，经吸附　进入Ｂ吸附塔下部，经Ｂ塔中碳分子筛床层吸附。分　塔中碳分子筛床　吸附，并逐步向上推进，在此过程　离出来的氮气经Ｙ　、Ｙｅ进入氯气贮罐，即Ｂ塔吸附制　中，空气中的氧分子被吸附在碳分子筛微孔中，而氮　氮。这样Ａ、Ｂ两塔交替吸附　解吸，即形成连续不断　被浓缩在气相中．由塔上部流出，经电磁气动控制阀　的向氮气贮罐输送氮气。　上Ｙ　～Ｙｅ电气控制阎的动　维普资讯 http://www.cqvip.com

ＰＳＡ制氨机的ＰＬＣ控制系统设计　作顺序、切换时间等全部由ＰＬＣ控制．使二塔连续不　断供应合格氯气。　在正常工作时自动循环过程如下：　按程序启动键—　冷干机启动—　延时Ｘ秒—　空压　示。电磁阀Ｙ　一　的工作电压为直流２４ｖ，功率８Ｗ。　根据一般的设计方法，至少要选带１９点输入点和１９　点输出点的ＰＬＣ，或采用主机加扩展的方式　我们选　用了无锡华光有限公司的ＳＭ一１６Ｔ作为基本单元．　机启动一延时Ｘ秒一进入吸附Ａ一延时Ｘ秒一均压　Ａ：Ｂ＿＋延时Ｘ秒　吸附Ｂ一延时Ｘ秒　均压Ｂ：Ａ　外加Ｌ－１６Ｔ作为扩展单元．并用ＣＬ－０２ＤＳ作为参　数设定和监控单元。ＳＭ一１６Ｔ具有１０个输入点和６　个输出点，采用直流２４Ｖ汇点输入方式，直流２４Ｖ晶　体管（ＮＰＮ型）输出方式。ＳＭ一１６Ｔ本身的工作电压　为交流２２０Ｖ，并带有ＲＳ一４８５和ＲＳ一２３２通讯接　延时Ｘ秒一再次进人吸附Ａ，如此自动循环　按停止　键．系统全部停止工作一　在制氮机ｆ　作过程的各个阶段．阀Ｙ　～Ｙｅ的工作　状态如表１所　Ｉ：Ｚ１．可实现ＣＣＭ协议、无协｝义通讯。ＲＳ２３２接Ｉ：Ｚｌ又兼　表１　系统手动、自动操作时电磁阀工作状态表　作编程Ｉ：Ｚｌ。程序的存放采用ＦｌａｓｈＲＯＭ，无需后备电　阀号　池；Ｌ一１６Ｔ有１６个输出点，采用直流２４Ｖ晶体管　吸附Ａ　（ＮＰＮ型）输出方式，Ｌ一１６Ｔ与ＳＭ一１６Ｔ之间通过　均　Ａ＝Ｂ　＋　＋　十　＋　ＲＳ一４８５进行通讯；通过ＣＬ一０２ＤＳ液晶式显示设定　单元可进行参数的设定和监控，它与ＳＭ一１６Ｔ之间　吸附Ｂ　十　＋　＋　＋　＋　通过ＲＳ一２３２进行通讯：　均压Ｂ＝Ａ　＋　＋　十　十　２２输入／输出点的编号分配和输入／输出接线图　注：①＋表　该删处于开启状态；ｃ　在均压Ａ＝Ｂ、均压　实际设计中，由于输人信号相对较多，我们同时　Ｂ＝Ａ时　、　要比Ｙ…Ｙ滞后Ｘ秒开启；＠　上延时Ｘ秒均　应在０－９９　９秒１８｛［意设置调节　采用了硬件和软件上的设计技巧，１９个输入信号只　控制要求有手动和自动两种工作方式．并要求在　占用了ＳＭ一１６Ｔ的８个输人点，输出点用了ＳＭ一　手动方式时能进行Ｙ＿一　阀的检查一　１６Ｔ上的３点和Ｌ一１６Ｔ上的１６点（共１９点）。具体　在手动时能起动、停止空压机和冷干机；能　输人／输出编号分配如下：　显示吸附Ａ、均压Ａ＝Ｂ、吸附Ｂ、均压Ｂ＝Ａ四个阶段　１　冷干机按钮、手动操作按钮、　阀检测按钮；　Ｙ＿一　的开启情况；各项操作均应有指示灯显示。自　ｌ卜空压机按钮、自动操作按钮、　阀检测按钮；　动工作时，应能按照自动工艺流程要求工作．并能在　ｌ　吸附Ａ按钮、自动起动按钮、　阀检测按钮；　模拟工艺流程图中显示相应的工作状态。同时对自动　ｌ　均压Ａ＝Ｂ按钮、停止按钮、　阀检测按钮；　运行过程中的各延时时间均要能任意调节　并能实时　ｌ６一吸附Ｂ按钮、Ｙ５阀检测按钮；　显示和查询当前延时设定值。　ｌ７——均压Ｂ＝Ａ按钮、Ｙ６阀检测按钮；　２　ＰＬＣ控制系统　ｌ１Ｏ一阎检测按钮、Ｙ７阄检测按钮；　２　１输人／输出点数的确定与ＰＬＣ的选择　ｌ１１——Ｙ。阀检测按钮：　根据工艺流程和控制要求分析．ＰＳＡ制氮机的　Ｑ０——冷干机中间继电器及指示；　输入信号有１９个．分别是手动操作按钮、自动操作　Ｑ１——空压机中间继电器及指示；　按钮、自动起动按钮、停止按钮　空压机起动按钮、冷　Ｑ２一阀检测指示；　干机起动按钮、吸附Ａ按钮、均压Ａ＝Ｂ按钮、吸附Ｂ　Ｑ２　手动操作指示；　按钮、均压Ｂ＝Ａ按钮、阄检测按钮、Ｙ　一Ｙ　阀检测按　Ｑ２１——自动操作指示；　钮（８个）；阀检测按钮只有在手动方式下起作用，而　Ｑ２２——程序起动指示；　Ｙ．一Ｙｅ阎检测按钮只有在阀检测按钮按下后有阀检　Ｑ２３——程序停止指示；　测指示后才起作用。　Ｑ２４一吸附Ａ工作指示；　输出信号也是１９个．分别是Ｙ　一Ｙ日阀输出（８　Ｑ２　均压Ａ＝Ｂ工作指示；　个）、手动状态指示　自动状态指示、自动起动指示、停　Ｑ２６——吸附Ｂ工作指示；　止指示、空压机工作指示、冷干机工作指示、吸附Ａ　Ｑ２７——均压Ｂ＝Ａ工作指示；　指示、均压Ａ＝Ｂ指示、吸附Ｂ指示、均压Ｂ＝Ａ指示．　Ｑ３０～Ｑ３７——分别控制Ｙ　～Ｙ日阀输出及指示。　阀检测指示。即在每一个输入信号旁边均有相应的指　在输入点中有４点为一点三用，３点为一点二　维普资讯 http://www.cqvip.com

《工业控制计算￣Ｌ｝２００２年１５卷第４期　６１　用．为了判别在某・时刻是哪个输人信号起作用，我　们用了ＳＭ一１６Ｔ的三个输出信号点Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５．作　为一点三用的各输人信号公共端，同时利用软件控制　使得Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５循环接通，通过软件和硬件上的配　合，使得输人信号减少一半多。具体主机部分的输　人／输出信号接线图如图２所示。　２　３软件殴计及技巧　对于输人点的・点三用或二用，在硬件上用了　Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５作为它们不同的公共端，但在某一时划　到底是的哪个信号起作用呢．这时可用软件的方法配　合判别．具体做法见　３所示的梯形图。在圉３中，　用了一个计数器Ｃ０让０３、０４、０５在不同时刻接　通，由０３、Ｑ４、０５所带的常开接点和ＰＬＣ的直接输　人接点的“与”来判断到底是哪一个信号起作用，并用　内部线圈来表示不同的输人信号。图３中以『２输入　点为例画图，其它输人点的做法类似。　图３实现“一点三用　的部分梯形图　软件编程采用华光公司编程软件Ｄｉｒｅｃｔ—　３调试及结果　Ｓ０ＦＴ２　３进行梯彤图设计和通讯参数的确定　Ｄ　在梯形图程序和人机接１３程序调试成功，写人　ｒｅｃｔＳＯＦＴ２　３是Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下的ＰＬＣ编程软件，　ＰＬＣ后，即可进行系统调试。在断电情况下，将扩展　利用它可进行程序设计、编程实现、编写注释说明文　单元Ｌ一１６Ｔ通过ＲＳ一２３２接口连接到主机ＳＭ一　档、语法检查及与ＰＬＣ进行通讯等。　１６Ｔ，人机接口单元ＣＬ一０２ＤＳ通过ＲＳ一４８５连接到　ＳＭ一１６Ｔ。同时连接好输入信号回路和输出　信号回路。上电后，ＰＬＣ即处于运行状况，　这时可通过ＣＬ一０２ＤＳ设定时问参数和监　视参数的变化　也可执行每一步操作，所有　操作均可在我们所做的流程图显示板上有　相应的显示。　４结束语　ＰＳＡ制氮机的ＰＬＣ控制系统经多家用　图２　ＳＭ一１６７Ｔ主机的输入／输出搔线图　户使用证明：它具有简单、直观、方便、控制灵活、可靠　根据流程图３．用Ｄ『ｒｅｃｌＳ０ＦＴ２　３软件进行梯形　等优点，由于同时采用了硬件和软件上的设计技巧，　图设计调试、语法检查后，可将程序下传写人ＳＭ一　节省＿ｒ一半以上的输入点数．因此整个系统的性价比　１６Ｔ，这时ＰＬＣ可进行模拟运行，在运行之前．必须　较高：这种方法也可用到其它ＰＬＣ的控制系统设计　正确设置ＲＳ一２３２接１３和ＲＳ一４８５接口的通讯参　中　数。我们均选用９６。。ＢＰＳ、ＣＣＭ通讯　汉、８位数据　位奇校验方式　另外，工作流程各阶段的延时时问参　参考文献　数的设定由ＣＬ一０２ＤＳ人机接口单元完成，先将ＣＬ一　１　Ｓ系列可编程宁控制器ＳＭ一１６／２４用户手册华光电子工　０２ＤＳ通过ＲＳ一２３２接口与计算机通讯，采用ＣＬ一　业有限公司　０２ＤＳ软件编程，确定设定延时时问参数所用的寄存　２　ｎｒ编程序控制器液晶式显币设定单元ＣＬ一０２ＤＳ使用手册　器号和监控时间参数所用的寄存器号，另外也可设定　华光电子工业有限公司　报警画面。编好程序后．再通过ＲＳ一２３２口下载给　３　Ｄｉ　ｒｅｃｔＳＯＦＴ　Ｐｒｏｇ　ｒａｍｍｉｎｇ　Ｆｏｒ　ＰＬＣ华光电子工业有限公司　ＣＬ一０２ＤＳ。这样ＣＬ一０２ＤＳ就町以通过ＲＳ一２３２口　４冯济缨，黄明琪可编程序控制器应用基础重庆大学出版　与主机ＳＭ一１６Ｔ通讯。　社，１９９８　收稿日期：２００１．１１　７］