S7-1200和G120在SCE-IAI02实训设备中的应用

2021-06-01陈继勋

现代制造技术与装备 2021年4期

陈继勋

（甘肃能源化工职业学院，兰州 730700）

SCE-IAI02是由铝型材桌体、桥式控制盒、电源单元、按钮单元、变频器单元、PLC控制单元、仪表单元、储水箱、水泵、透明容器、加热单元、管路系统、传感器、电动阀和接口模块等组成的一种工业自动化仪表装置。该设备主要由操作平台和部件安装单元、工艺和仪表单元以及配电系统单元等组成，能完成单回路的液位、流量以及压力温度控制，还可完成各种仪器仪表的操作和使用。装置采用工业中最常用的水泵、变频器、调节阀、流量、温度、压力以及液位变送器，具有极强的工业特性。学生可以学习仪器仪表原理、接线、校准以及特性测量等，还可以结合控制器自由组合控制回路，然后进行控制系统调节。

1 SCE-IAI02工业自动化实训设备介绍

1.1 PLC单元

PLC单元采用S7-1200 PLC。S7-1200 PLC是西门子新一代小型PLC，代表了下一代PLC的发展方向，具有模块化、结构紧凑以及功能全面等特点[1]。它完全兼容TIA软件，可以通过以太网与G120和HMI通信。PLC单元配备了CPU1214C DC/DC/DC CPU、SM1223 DI8/DO8数字量扩展模块、SM1234 AI4/AO2模拟量模块以及SB1232AQ模拟量通信板模块。

1.2 变频器单元

变频器单元采用西门子新一代变频器G120。G120变频器可以通过PROFINET、PROFIBUS接口无缝集成到全集成自动化系统。变频器单元可以手动控制水泵抽水，也可以由PLC通过以太网控制变频器达到控制水泵转速的目的，从而调节液位、流量以及压力等参数。

1.3 仪表单元-智能型四回路、四数显、四输出控制变送仪单元

智能型四回路、四数显、四输出控制变送仪是采集、显示以及输出液位、压力、温度信号的仪表。它具有4个通道，分别用于采集管道压力、加热罐液位、透明罐液位以及加热罐温度，并将其处理后输送给PLC。

1.4 加热水罐

加热水罐位于型材桌面上，用不锈钢制品焊接而成，可用于水罐的水加热。由水泵抽上来的水先到达加热水罐，鉴于加热水罐有管路和手动阀门，因此可以将水罐内的水直接排放到水槽或者流向透明水罐。加热水罐和透明水罐之间有3套不同高度的连接管路，可根据需要自行选择安装。加热水罐装有溢出管路，水位过高时可自动溢出到水槽。加热水罐安装有两个数字量液位传感器和一个模拟量液位传感器。当液位过低时，底部的液位传感器接通，此时不能用于加热。当液位过高时，顶部的液位传感器接通，此时不能继续向加热罐抽水。

1.5 透明水罐

透明水罐位于型材桌面上，用有机玻璃板拼接而成。水罐上有刻度，可用于液位指示。水罐有管路和手动阀门，可以将水罐内的水直接排放到水槽或者流向加热水罐。加热水罐和透明水罐之间有3套不同高度的连接管路，可根据需要自行选择安装。透明水罐装有溢出管路，水位过高时可自动溢出到水槽。

1.6 压力变送器

压力变送器用于液位检测和管道压力检测。系统选用3个压力变送器，其中1个用于管道的压力检测，2个用于液位检测[2]。管道检测的压强范围是0～200 kPa，液位检测范围是0～5 kPa。常用压力传感器为4～20 mA的电流输出，而电压与电阻的输出方式接线图与其类似。

1.7 温度传感器

温度传感器用于采集加热罐内温度，并将数据传输给智能型四回路、四数显、四输出控制变送仪，并在仪表上显示温度。

2 SCE-IAI02工业自动化仪器仪表实训装置的特点

装置能自行设计，并进行相关工艺的组合，选择各种仪表和执行器进行装配。它采用模块化设计的理念，可以按照图纸自由组合管路和仪表。它能对整个工艺设备和电器设备进行配电、安装、接线。同时，它配有PLC控制器模块，能实现系统的编程、调试等任务。该系统运行时采用循环水，带有水质过滤器，可防止设备生锈。流量计采用电磁流量计，杜绝发生堵转而无法测量的情况，同时计量精度高，可免于维护。上水箱由两个水箱组成：一个由不锈钢制成，用于加热，使加热水箱容量减少，进而缩短加热时间，节省学生做实验的时间；另一个由透明有机玻璃制成，在做液位实验时用于观察液位的变化[3]。它具有双重防干烧保护，可预防学生做实验失控时干烧而烧坏设备。水泵采用磁力泵隔离机械与叶片隔离，避免通过密封圈的老化而渗水流入电机的绕组破坏绝缘而发生漏电或绕组烧毁，同时降低噪声，提供更好的实验环境。电动调节阀采用开度反馈提高控制精度。仪表采用国内知名品牌，分布领域广。

3 SCE-IAI02工业自动化仪器仪表实训装置的应用

3.1 硬件组态

本实训装置可完成对控制任务的分析、换向阀的选择与应用、典型回路与电气控制回路的基本结构安装、故障检测与分析以及系统的安全保护，同时可以使用仿真软件进行项目管理、建立资料库以及绘制回路图[4]。硬件组态图如图1所示。

图1 SCE-IAI02工业自动化仪器仪表实训装置硬件组态图

3.2 常见故障的排除

在学生训练过程中，可以人为设置一些故障点，让学生自己寻找故障点，从而达到训练的目的，如表1所示。

3.3 模拟量的采集

实际工业应用中，传感器采集压力、温度、速度等非电信号，将这些非电量转换为电量（如电压或电流）信号再传输给PLC系统[5]。这些信号均为模拟量，需对其做进一步加工处理，以便计算、比较以及显示。

表1 故障现象及处理方法

3.3.1 模拟量输入转换

某个压力传感器的量程为0～0.1 MPa，转换成对应的电压信号为0～5 V。设转换后地址IW6中的数值为N。S7-1200 PLC默认的模拟信号输入电压范围是0～10 V，转换成数字信号的范围是0～27 648。因为此压力传感器输出电压范围是0～5 V，转换的数字信号范围是0～13 824，压力传感器的测量范围是0～0.1 MPa，所以可推导公式将电压值还原成以Pa为单位的压强值，并将结果存储于寄存器MD30中。电压转换成数字信号后存入IW64的数值为N，单位为Pa。假设PLC的A/O口外接了一个温度传感器，传感器将测得的温度值转换为一个范围为0～10 V的连续电压信号输入给PLC。模拟量经过PLC内部的A/D转换后转换成了范围0～27 648的数字量，并存储在特定的寄存器中。

3.3.2 编辑程序

编辑变量表如表2所示。通过NORM_X：“标准化”指令和SCALE_X：“缩放”指令可以实现模拟量的采集，程序如图3所示。其中，NORM_X：“标准化”指令为“OUT=(VALUE-MIN)/(MAX-MIN)”，SCALE_X：“缩放”指令为“OUT=VALUE*(MAX-MIN)+MIN”。