PLC与组态软件的超高压水射流发生装置控制系统设计

吉欣欣，王仲民，邓三鹏，齐永健

（1．天津职业技术师范大学机电工程研究所，天津300222；2．天津市通洁高压泵制造有限公司，天津300385）

0 引言

1 超高压水射流发生装置的构成

超高压水射流发生装置是一种把水加压到一定范围内，给各种执行机构（喷枪、喷头、各式二维和三维旋转喷头等）提供高压水的一种装置［3］，它由供水接口、油水冷热交换器、油压开关、高压柱塞泵、连轴器、电动机、电气控制柜、气动控制柜、安全溢流阀、压力表、安全阀座、水压开关、精过滤器、温度传感器和粗过滤器等零部件组成。该装置是高压水射流技术中的核心设备，其工作的安全性、可靠性及稳定性对于现场作业有着非常关键的作用。

2 控制系统设计

系统采用普通微型计算机作为上位机，选用西门子S7-300PLC［4］作为下位机。PLC不仅实现对整个系统的控制，还要与上位机进行通讯，接受各种控制指令。上位机用于进行工作方式选择、参数设置、设备运行状况监控以及报警信息反馈等，整体控制系统如图1所示。PLC选用S7-300中的CPU315-DP，其自带的DP和MPI接口方便对其进行编程调试及与装有MCGS的PC进行以太网通信。传感器信号及电磁阀控制共需8个AI和12点DI和9点DO，其余变量均选用软件编程中的位储器本系统选用AI8×12Bit、DI16×DC24 V和DO16×DC24 V 3个输入输出模块。

图1 超高压水射流装置控制

2．1 PLC与上位机通信系统设计

采用工业以太网［5-6］进行了通信系统设计，通过工业以太网交换机SCALANCE X005建立的。下位机端的PLC装有CPU315-DP模块，通过通讯处理器模块CP343-1建立至网络的连接。使用以太网时，首先利用ISO协议下载了组态的硬件信息，设置PG／PC接口，利用编程软件组态CPU343-1设置MAC地址，选择使用ISO协议并设置IP地址，用HWConfig软件通过CP343-1下载组态信息。PLC通讯口的设置：子网以太网地址为192．168．0．1；上位机地址设置为192．168．0．2；路由器地址为192．168．0．3。通信选用标准的二线屏蔽双绞线通信电缆和专用RJ45接头，采用直通连接。主站与从站地址必须惟一，同时要保证软件组态地址与硬件实际地址一致。如果更改硬件或位置变换时，需重新组态，否则将造成通信错误。上位机中，MCGS利用西门子设备中的CP443-1以太网与S7-300建立通信。设置本地IP为192．168．0．2，远程IP为192．168．0．1，最小采样周期设为200。打开设备调试，若通信值为0，表明通信成功。

2．2 PLC的I／O分配与程序设计

西门子S7-300系列PLC具有丰富的编程指令及库指令，可采用梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和指令表（STL）等基本编程语言或高级语言进行编程，该编程软件可方便地在 Windows环境下对PLC编程、调试和监控［7］。在PLC编程中，控制程序的I／O分配表如表1所示。主程序OB1调用自动控制程序FC1、手动控制程序FC2、报警程序FC3和模拟量处理程序FB1，如图2所示。

表1 PLC的I／O分配表

图2 主程序OB1

手动程序用于设备的现场调试和维护；自动程序实现对装置的自动化控制；报警程序定义了超高压泵头处的油温油压、出水口水压、进水口水压、电机过载和过滤器堵塞等报警信息，及断电重新使能时报警程序；模拟量处理程序FB1采用西门子库中Standard Library／TI-S7 Converting Blocks 中 的FC105，以泵头处油压为例，其程序为：

A M8．0

＝ L0．0

BLD 103

一系列的实践经验证明，大口井运用一定时间后，会有不同程度的淤塞，从而出水量会大大降低。众多水文地质学家已经通过大量的理论探讨和工作时间证明：大口径辐射井技术可以用于增加单井出水量。大口井辐射井是以传统的大口井为基础，在井下部的井筒中增加了多个集水管，并将其整个径向延伸到蓄水层中，使地下水流入集水管中并最终进入取水井中。

CALL“Read Analog Value 464-2”

IN：＝PIW256

HI_LIM：＝1．000000e＋000

LO_LIM：＝0．000000e＋000

BIPOLAR：＝L0．0

RET_VAL：＝MW12

OUT：＝DB1．DBD2

NOP 0

利用OB100完成系统的初始化，通过OB82，OB86，OB122对调用SFC20来判断通信错误出现的位置。以OB86为例，其程序为：

CALL“BLKMOV”SFC20

SRCBLK：＝P＃L0．0BYTE 20

RET_VAL：MW90

DSTBLK：DB86

3 MCGS监控系统设计

图3 监控系统主界面

在上位机中利用MCGS嵌入式组态软件设计组态系统，实现了对该装置的实时监控。组态系统包括主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和用户策略等5部分［8］。图3是监控系统的主界面，为用户窗口中的主窗口，设计步骤为：在“用户窗口”中点击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”，又单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，将名称置为“超高压水射流发生装置监控界面”。双击“超高压水射流发生装置监控界面”窗口进入主界面中，利用工具箱或自创元件，分别进行组态属性设置、单元属性设置和标准按钮构件属性设置等，并建立界面图形对象与实时数据库数据变量之间的关系，实现对系统的操作和监控。其他画面如参数设置、手动操作、用户管理、历史曲线和报警显示的功能依照主界面的设计进行组态，最终完成组态主界面的设计。

4 结束语

讨论了基于PLC和组态软件MCGS的超高压水射流发生装置控制系统的设计，具有操作简单、实时监控和动画显示等功能，有效提高了超高压水射流技术的自动化水平。PLC充分发挥了其配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点，MCGS充分发挥了实时监控、安全可靠、操作简单方便和结构清晰等优点，保证了该装置的高效性、安全性与可靠性。

［1］ 徐依吉．超高压水射流理论与应用基础研究［D］．成都：西南石油学院，2004．

［2］ 袁秀英．组态控制技术［M］．北京：电子工业出版社，2003．

［3］ 唐建新，贾剑青，胡国忠，等．钻孔中煤体割缝的高压水射流装置设计及试验［J］．岩土力学，2007，（07）：1501-1504．

［4］ 罗向阳．基于PLC及WinCC的控制系统在化工污水处理中的应用［J］．机械与电子，2010，（S1）：296-297．

［5］ 朱小松，刘金刚，姚正治．基于PLC和工业以太网的道岔融雪系统［J］．微计算机信息，2009，（4）：13-15．

［6］ 丁信忠．基于工业以太网的总线型交流伺服系统关键技术研究［D］．济南：山东大学，2012．

［7］ 蒋焕新．基于PLC和MCGS的全自动酥皮机控制系统［J］．制造业自动化，2012，（2）：24-26．

［8］ 张永建，等．基于 MCGS的矿用主通风机在线监测与控制系统［J］．机械设计与制造，2009，10（10）：129-131．