0 引言

酸奶生產(chǎn)是一個(gè)壓力、溫度、液位控制系統(tǒng)，以發(fā)酵罐為主反映器，具體過程就是把新鮮原奶和發(fā)酵劑（乳酸菌）加入混合罐，通過監(jiān)控混合罐的液位控制原料的注入量，經(jīng)攪拌充分混合后注入到發(fā)酵罐，通過監(jiān)控嚴(yán)格控制發(fā)酵罐溫度，發(fā)酵完成后即可獲得成品酸奶。

PLC控制系統(tǒng)以其運(yùn)行可靠、使用維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)、適合新型高速網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等顯著的優(yōu)點(diǎn)，在小型工業(yè)控制系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)備中，通常采用PLC單機(jī)控制模式實(shí)現(xiàn)順序控制和傳動(dòng)控制，并確保生產(chǎn)效率。為了提高酸奶生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和可維護(hù)性，目前酸奶生產(chǎn)系統(tǒng)都傾向于采用先進(jìn)、實(shí)用、可靠的PLC來進(jìn)行控制，同時(shí)在上位機(jī)利用亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”設(shè)計(jì)一個(gè)人機(jī)界面（HMI），通過RS485與可編程控制器通信，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，從而使用戶操作更方便?？傮w上包括的技術(shù)路線：硬件設(shè)計(jì)，軟件編程，組態(tài)設(shè)計(jì)[1]。

1. PLC選型與I/O分配[2]

1.1 系統(tǒng)控制要求

酸奶生產(chǎn)控制方式主要分為繼電器控制系統(tǒng)、DDC(直接數(shù)字式控制器)控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)等幾種形式。采用傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)酸奶生產(chǎn)控制，由于機(jī)械接觸點(diǎn)很多，導(dǎo)致接線復(fù)雜、參數(shù)調(diào)整不方便、功耗高等明顯的缺點(diǎn)，而且機(jī)械接觸點(diǎn)的工作頻率低、故障率高、容易損壞、可靠性差，所以繼電器控制系統(tǒng)已逐漸被淘汰。采用DDC控制系統(tǒng)雖然可以減少接線，使得可靠性有所提高，但是由于其本身的抗干擾能力差、不易聯(lián)網(wǎng)、信息集成度不高和分級(jí)分步式結(jié)構(gòu)的局限性，因此，越來越不能滿足復(fù)雜多變的智能控制要求。

采用PLC來控制酸奶生產(chǎn)，不僅可以通過編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，而且可以在很大程度上簡化硬件接線，提高控制系統(tǒng)可靠性，操作界面友好，信息集成度高，便于實(shí)現(xiàn)智能控制。該酸奶生產(chǎn)控制系統(tǒng)主要是根據(jù)模擬量輸入發(fā)酵罐壓力、混合罐液位和發(fā)酵罐溫度控制2閥（原牛奶閥1、發(fā)酵罐閥2）和一泵（混合泵）的啟停。

系統(tǒng)控制要求如下:

1.能過在上位機(jī)HMI通過或在在現(xiàn)場(chǎng)啟?？刂葡到y(tǒng)。
2.系統(tǒng)上電后原牛奶閥1打開，發(fā)酵劑罐中壓力大于25Mpa時(shí)，發(fā)酵劑閥2打開，此時(shí)原牛奶和發(fā)酵劑在混合罐中混合，當(dāng)混合罐液位大于5m時(shí)，混合泵打開（否則關(guān)閉）。
3.檢測(cè)發(fā)酵罐溫度，當(dāng)其溫度低于36度時(shí)，混合泵關(guān)閉。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.2 PLC及編程軟件的選擇

美國ABB公司生產(chǎn)的AC500-ECO PLC。AC500-ECO PLC由于其技術(shù)領(lǐng)先、功能前大、價(jià)格合理，在冶金、石油、化工、水利、電力等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。AC500-ECO PLC可滿足各種小型控制任務(wù)的要求:結(jié)構(gòu)緊湊、擴(kuò)展性強(qiáng)、應(yīng)用簡單、配置靈活、維護(hù)便捷。考慮到酸奶生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)總的I/O點(diǎn)數(shù)不多，本文我們選用  AC500-ECO PLC作為控制器,而編程軟件我們采用ABB的PS501 Control Builder。

AC500-ECO PLC具有以下特點(diǎn)：

1.CPU數(shù)據(jù)備份可靠，無需電池;2.CPU模塊上集成了IO，擴(kuò)展IO模塊更容易;3.程序容量:128KB，集成數(shù)據(jù)容量:10KB(保持?jǐn)?shù)據(jù)可靠)4.兼容性高:所有的I/O模塊均可自由連接5.I/O模塊接線端子(彈簧和螺釘)可插拔，接線更簡單6.與AC500同一個(gè)產(chǎn)品平臺(tái)，并使用同一個(gè)編程軟件和工具7.CPU單元可支持2個(gè)串口，用于編程和通訊

PS501 Control Builder適用于AC500系列的所有CPU的編程工具，是可編程邏輯控制器PLC 的完整開發(fā)環(huán)境它支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)IL 、ST、 FBD 、LD、 CFC、 SFC 六種PLC編程語言，用戶可以在同一項(xiàng)目中選擇不同的語言編輯子程序，功能模塊等。并具有以下特點(diǎn):1.可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)(包括現(xiàn)場(chǎng)總線和通訊接口)；2.強(qiáng)大的診斷功能報(bào)警處理；3.集成可視化和開放的軟件接口；

1.3  IO的分配與選擇

表1 酸奶生產(chǎn)控制系統(tǒng)IO分配

表2 IO模塊型號(hào)選擇表

綜上，酸奶生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)共需要1點(diǎn)DI、3點(diǎn)DO和3點(diǎn)AI，而AC500-ECO PLC的CPU集成了8DI+6DO，能夠滿足系統(tǒng)需要，故不需要額外的IO模塊。

2. PLC主程序設(shè)計(jì)

2.1 硬件組態(tài)

通過I/O BUS添加AI模塊，添加如下圖所示：

圖2 系統(tǒng)IO模塊組態(tài)

2.2  I/O地址映射及變量聲明

PS501 Control Builder是一個(gè)完整的用于邏輯控制器的開發(fā)系統(tǒng)，易于進(jìn)行程序的開發(fā)，具有高級(jí)語言編程系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，可為編輯器的操作和調(diào)試功能設(shè)置模式。

在POUs中，Main(PRG)即相當(dāng)于匯編的主程序，在PROGRAM MAIN VAR與END_VAR中定義系統(tǒng)所需變量，在ABB PLC的語言編輯器的說明語句部分里設(shè)置輸入輸出端子的地址，相當(dāng)于定義變量及類型。變量通常有AI,AO,DI,DO，DI和DO為BOOL型；AI和AO為INT或REAL型；
當(dāng)完成PLC配置后，配置出對(duì)應(yīng)的硬件擴(kuò)展模塊，接著就要對(duì)這些擴(kuò)展模塊進(jìn)行編程，即可編程。在編程中，擴(kuò)展的模塊地址通過專用的定義表示，有兩種方法：

變量聲明:

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

[1] 可以在變量聲明里，將地址信息映射，例如

do1 AT %QX4000.0: BOOL; (*將do1寫到第4000個(gè)字節(jié)的第0位*)

turn_on  AT %IX4000.0: BOOL;(*將第4000個(gè)字節(jié)的第0位賦值給turn_on *)

[2] 直接表示。例如

%IX4000.0:=TURE;

2.3 控制程序的編寫[3]

控制系統(tǒng)的主要功能是對(duì)酸奶生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)啟停，顯示壓力、液位、溫度等運(yùn)行參數(shù)，控制電磁閥（原牛奶閥1、發(fā)酵罐閥2）和泵（混合泵）的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)酸奶生產(chǎn)系統(tǒng)的控制。從控制系統(tǒng)的主要功能出發(fā)，為了增加程序可讀性和減少程序代碼，PLC程序采用了主程序調(diào)用功能塊的程序結(jié)構(gòu)。對(duì)于多個(gè)功能塊調(diào)用的變量，采用全局變量聲明。
主程序變量聲明如下：

PROGRAM PLC_PRG
VAR
 start AT %IX4000.0: BOOL;  (*啟動(dòng)開關(guān)*)
 stop AT %IX4000.1: BOOL;  (*停止開關(guān)*)
 output: BOOL;                                  (*系統(tǒng)啟動(dòng)狀態(tài)標(biāo)志*)
 value1 AT %QX4000.0: BOOL;  (*原牛奶閥1*)
 AI1 AT %IW0:WORD:=16#7530;  (*發(fā)酵劑罐壓力*)
 AI_yali_ins: AI_FB;  (*發(fā)酵劑罐壓力模擬量輸入模塊*)
 yali_val: REAL;  (*發(fā)酵劑罐壓力工程值*)
 value2 AT %QX4000.1: BOOL;  (*發(fā)酵劑閥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;  (*發(fā)酵罐溫度模擬量輸入模塊*)
 AI3 AT %IW4: WORD:=16#7FF8;  (*發(fā)酵罐溫度*)
 wendu: REAL;  (*發(fā)酵罐溫度工程值*)
 ok: BOOL;
END_VAR
主程序采用LD（梯形圖）作為MAIN POUs的編程語言，主程序如下圖所示：

圖3 系統(tǒng)控制主程序

2.4 子程序（功能塊）的編寫

對(duì)溫度、壓力、液位的線性變換[4]：

所謂線性參數(shù)，指一次儀表測(cè)量值與AD轉(zhuǎn)換結(jié)果有線性關(guān)系，或者說一次儀表是線性刻度的。標(biāo)度變換公式為:

2.5 程序的編譯與下載

PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)置，靈活、合理的規(guī)劃出各部分的內(nèi)存空間是軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和保證。也是整個(gè)PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵所在。編程修改調(diào)試都很方便,大大縮短了調(diào)試時(shí)間，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，降低了硬件的復(fù)雜程度。控制程序編寫完成后，對(duì)程序進(jìn)行編譯。

(1)單擊“project”；

(2)編寫LD或FBD的程序；

(3)單擊“rebuild all”，編譯；

(4)沒有語法錯(cuò)誤時(shí),否則根據(jù)提示修改。單擊“online”，選擇“communication parameter”，參數(shù)設(shè)置如下：Port：COM3； Baudrate：波特率；Parity：奇偶校驗(yàn)；Stop bits：停止位 Motorola byteorder：Yes

(5)單擊“Login”，下載。

3.1 組態(tài)王的通信設(shè)置

在組態(tài)王的設(shè)備COM1中新建設(shè)備，選擇莫迪康MODBUS(RTU)串行，輸入設(shè)備的邏輯名字，選擇COM1，通訊參數(shù)設(shè)置為：波特率9600，無校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位：8，停止位：1。

3.2 數(shù)據(jù)詞典中I/O變量定義

在數(shù)據(jù)詞典中定義所需要的監(jiān)控變量：

圖4  組態(tài)監(jiān)控變量表

3.3 組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)

1. 新建一個(gè)命名為“酸奶生產(chǎn)車間”的畫面，該畫面就是酸奶生產(chǎn)過程中的反應(yīng)車間，該反應(yīng)車間包括原料罐（盛裝原奶）、發(fā)酵劑罐、混合罐、發(fā)酵罐、攪拌電動(dòng)機(jī)、泵、以及若干閥門。其中原料罐關(guān)聯(lián)自身壓力，混合罐關(guān)聯(lián)自身液位，發(fā)酵罐關(guān)聯(lián)自身溫度，電機(jī)開關(guān)關(guān)聯(lián)攪拌電機(jī)開關(guān)。

2. 在“反應(yīng)車間”畫面中從“圖庫”選擇四個(gè)合適的反應(yīng)器分別作為原料罐、發(fā)酵劑罐、混合罐，發(fā)酵罐，并關(guān)聯(lián)自身變量，以液位為例，如下圖：

圖5 變量關(guān)聯(lián)

為了使各個(gè)變量的實(shí)時(shí)數(shù)值直觀的反映出來，可以建立動(dòng)畫連接，以液位為例：選擇工具箱中文本，在對(duì)應(yīng)位置寫下###，進(jìn)行變量顯示關(guān)聯(lián)。

注意：保存主畫面。“文件”下“全保存”。 運(yùn)行時(shí)，為使該放映車間的畫面顯示出來，在運(yùn)行前應(yīng)在“系統(tǒng)配置”中“設(shè)置運(yùn)行系統(tǒng)”的主畫面配置，把“反應(yīng)車間”設(shè)為主畫面。運(yùn)行畫面如下：

圖6 主畫面運(yùn)行效果

3. 為了使各個(gè)變量的變化趨勢(shì)直觀的反映出來，可以從“工具箱”中添加實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線于主畫面，并關(guān)聯(lián)需要顯示變化趨勢(shì)的變量。由于之后的工作中還要建立若干不同的畫面，我的工程中將做實(shí)時(shí)報(bào)警畫面、酸奶配方、趨勢(shì)畫面、歷史曲線、XY控件畫面、實(shí)時(shí)報(bào)表、退出控件這些畫面。為了運(yùn)行時(shí)可以方便地在這些畫面中進(jìn)行切換，可以新建畫面，并添加按鈕。

4.建立實(shí)時(shí)報(bào)警畫面，為了當(dāng)系統(tǒng)中某些量的值超過了所規(guī)定的界限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)警告信息（指示燈閃爍或者出現(xiàn)報(bào)警聲音），表明該量的值已經(jīng)超限，提醒操作人員。為了方便查看、記錄和區(qū)別，要將變量產(chǎn)生的報(bào)警信息歸到不同的組中，即使變量的報(bào)警信息屬于某個(gè)規(guī)定的報(bào)警組。對(duì)相應(yīng)變量定義報(bào)警之后，還需要新建壓力報(bào)警標(biāo)志、溫度報(bào)警標(biāo)志、液位報(bào)警標(biāo)志，為報(bào)警窗口下的按鈕、報(bào)警燈的關(guān)聯(lián)打下基礎(chǔ)。產(chǎn)生新報(bào)警時(shí)，為了提醒操作員，故添加指示燈以及發(fā)出警報(bào)聲音，從圖庫中找到合適的指示燈，并進(jìn)行報(bào)警設(shè)置。在出現(xiàn)報(bào)警后，指示燈將會(huì)一直閃爍，添加“報(bào)警確認(rèn)”按鈕，設(shè)置按鈕按下時(shí)這樣按下“報(bào)警確認(rèn)”按鈕后，在出現(xiàn)下次報(bào)警指示燈將不再閃爍。
 

圖7 實(shí)時(shí)報(bào)警畫面運(yùn)行效果

結(jié)束語

 本文將ABB AC500-ECO PLC和組態(tài)王6.5相結(jié)合應(yīng)用于酸奶生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng),有效提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度、可靠性和通訊能力，實(shí)踐表明，該方案具有很好的應(yīng)用前景，極具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：1、新疆維吾爾自治區(qū)教育廳重點(diǎn)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：XJEDU2010T11）

作者簡介：

鄭建軍（1988.4），男，在讀研究生，新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，主要研究方向：檢測(cè)技術(shù)與智能系統(tǒng)開發(fā)。Email:carl15809915306@163.com

陳志軍（1967.5），男，教授，碩士生導(dǎo)師，新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，主要研究方向：智能信息處理和智能控制與系統(tǒng)開發(fā)，（Email）chenzj1110@163.com

通訊作者:鄭建軍

電話：15809915306

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通信地址：烏魯木齊市延安路62號(hào)新疆大學(xué)南校區(qū)電氣工程學(xué)院2011級(jí)研究生

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