基于PLC控制系统的压力容器气密性测试装置.doc

郑州轻工业学院郑州轻工业学院 本科毕业设计（论文） 题 目 学生姓名 专业班级 班 学 号 院 （系） 指导教师 完成时间 2010 年 06 月 05 日 郑州轻工业学院郑州轻工业学院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 一一 主要工作内容主要工作内容 1收集中外文资料，并进行方案论证。 2设计硬件电路。 3针对所需软件系统，选择组态软件，编写监控程序。 4进行系统调试并撰写毕业论文。 二二 基本要求基本要求 1检索与课题有关的资料，提出自己的设计方案，方案应具有可行性、经济性； 编写 3000 字以上文献综述一份；写出开题报告。 2进行系统的硬件和软件设计。 3对系统的软硬件进行调试，使其能准确显示采集参数值，根据设定值进行输 出控制、报警、界面切换等。 4在毕业设计的基础上撰写毕业论文。 5翻译 3000 字的科技英文资料 6毕业论文的撰写及图纸的绘制，要求认真工整、条理清晰、正确标准。 三三 主要参考资料主要参考资料 现代电气控制及及 PLC 应用技术.2008 北京三维力控科技有限公司.力控 3.62 用户手册，1999 SIMATIC S7-200 可编程序控制器系统手册.03/2000 完完 成成 期期 限：限： 2010 年 6 月 20 日 指导老师签章：指导老师签章： 专业负责人签章：专业负责人签章： 2010 年年 6 月月 24 日日 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 摘 要 本课题主要完成的是基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置的整体设计。 本文首先对课题的提出和要求进行了简介，然后对其控制方案进行了论证。随后从 硬件和上、下位机系统设计进行了介绍。在控制系统硬件设计中，给出了详细的硬 件系统架构图和电气原理图，并对主要设备及元器件进行了选择；软件设计分两大 部分叙述，在下位机控制系统程序设计部分，给出了详细的软件结构，并对典型环 节的程序设计进行了分析讨论；在上位机程序部分，对组态程序画面的程序设计即 实现的功能进行了全方位的介绍。 在系统设计完成后，对其进行了简单的调试，对试验调试过程中出现的问题和 结果进行了分析讨论。结果证明，本设计软硬件系统设计基本合理，能够完成对压 力容器气密性测试的任务。 关键词：电动阀；气密性；可编逻辑控制器；力控 THE PLC-BASED CONTROL SYSTEM PRESSURE VESSEL TIGHTNESS TEST DEVICES ABSTRACT The main issue is the complete PLC control system based on pressure vessels leak test devices overall design. This article first raised the subject and requirements of the profile, then its control program were demonstrated. Then from the hardware and on the lower computer system was introduced. In the control system hardware design, gives a detailed chart of the hardware systems and electrical schematics, and major equipment and components were selected; software design partial description of two parts, the next position control system design part of the program, to out a detailed software architecture, and typical programming session were discussed; in some PC programs on the configuration screen of the programming process to achieve the functionality of the full presentation. In the system design is complete, its for a simple debugging, debugging of the test problems and results are discussed. The results show that the design of hardware and software system design is rational, the pressure to complete the task of testing airtight container KEY WORDS：electric valve，programmable Logic Controller，Force control 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 目 录 中文摘要.I 英文摘要II 1 绪论1 1.1 压力容器测试系统的设计特点.1 1.2 课题设计背景简介.1 1.3 本课题完成的主要工作2 2 系统方案论证及总体设计3 21 系统方案论证3 2.1.1 系统的设计要求.3 2.1.2 系统方案选择.4 2.2 系统总体设计.6 3 硬件系统设计8 3.1 系统 I/O 分析8 3.2 硬件系统主要设备及元器件选择.9 3.2.1 S7-200PLC CPU 及扩展模块的选用.9 3.2.2 电动阀的选用10 3.2.3 压力传感器的选用.11 3.3 硬件系统设计12 4 下位机系统程序设计.13 4.1 下位机系统实现的功能.13 4.2 系统的框架和工作过程.13 4.3 PLC 系统 I/O 地址分配.15 4.4 部分关键程序的设计.20 4.4.1 模拟量值和 A/D 转换值的转换20 4.4.2 压力传感器断线检测程序21 4.4.3 气密性测试的 SFC 程序编制22 4.4.4 模拟量值处理程序.23 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 5 上位机系统的设计.24 5.1 上位机系统实现的的功能.24 5.2 系统的框架和工作过程.25 6 系统调试和结果分析.30 6.1 硬件调试及结果分析.30 6.2 联机调试及结果分析.32 7 结论.34 致谢35 参考文献36 附录37 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 1 绪论 本课题压力容器气密性测试装置的设计是基于当今航空航天领域中对于航天器 材的耐压性和密封性检测而提出的，特别是在军事工业检测控制需求的基础上提出 的。课题起初的提出是为了检测战斗机导弹发射的作动筒的耐压性和密封性，但是 试验证明对于其它普通器件检测也完全能达到要求，因此它也具有通用性。为了把 压力元件测试过程及控制系统的流程更系统全面的展示给大家，特介绍如下。 1.1 压力容器测试系统的设计特点 压力元件气密性测试是一个综合性的技术问题，它与测试系统的精密测试、人 身安全、设备安全、仿真模拟、通用测试以及 PLC 与组态的综合利用等技术问题有 密切的关系，也是人们利用力控软件为实际工程设计应用的一项重要应用技术，具 有理论研究与实践经验密切结合的特点，因而是力控软件与 PLC 应用实现安全与经 济运行的基本技术应用。 压力容器测试工业监控也一直是电子工作者十分关注的课题之一，压力容器测 试工业监控的设计必须与整个系统发展的现状和发展规划进行技术经济比较，必须 全面考虑其技术和经济指标。随着 PLC 电子技术的迅速发展和工控质量要求的提高， 选择一种有效的压力容器测试工业监控应经成为十分必要的。 1.2 课题设计背景简介 本课题的提出是为了解决航天军工中对于多个压力容器在同一压力值下同时测 试和对同一个容器进行不同压力值的测试。具体要求是同时可以进行 5 个以上的作 动筒密封性检测；同时可以进行 5 个以上的产品密封性检测；试验进行过程具备可 靠的安全保护功能；能够精确测试压力范围在 0.135MPa 的各种产品的密封性试 验、耐压性试验。对于耐压性要求气路系统分别充压 30Mpa，保压 10min 检测无明 显泄漏。充压 15Mpa 0.2Mpa，保压 24h 检测压力泄漏不大于 1Mpa。 压力容器气密性测试及监控的确定是一个系统工程、不同地区、工业控制、不 同发展阶段和不同测试对象，考虑的侧重点不同。是针对高标准的军用压力容器产 品性能测试要求而设计的，它与一般的数据采集系统相比有几个特别之处。其一， 高压气源从管道一端流进，大约 8 秒钟测试完毕一次，要求采集速率为 5 次/秒以上； 其二，由于压力容器产品众多，分门别类设计相应的测试平台不太现实，另行设计 一个通用的测试平台；其三，测试介质压力极高给设备选型带来一定的困难，特别 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 是适合高压的电控调节阀的选型非常困难，本项目设计实施过程中，把高压手动调 节阀改成了电控调节阀。 工作人员把需要测试的阀安装到测试平台上，调节各个开关设置。检查整个控 制电路。 检查 PLC 设置与力控软件。输入密码或者直接使用，可以根据用户要求 选择。当我们确定无误后，可以执行以下操作： (1)打开开始按钮，进入运行程序。 (2)若无报警，调节控制阀开度，可以直接由键盘输入。 (3)按下显示曲线按钮，生成曲线。 (4)观察曲线，判断测试阀是否合格。 整个设计系统，我们把整个控制系统由 S7-200 PLC 控制，电机的脉冲控制由按 钮产生。电机所转的脉冲经过编码器采集，脉冲数在程序中有高速计数器计数。调 节目标由键盘人为输入控制。组态系统由力控软件和自己购买的元器件打架结构实 现。结合各个元器件的共同云霞下实现压力容器测试。本系统硬件部分由工控机 （IPC） 、PLC CPU-224 及其他电气元件组成，全部装配到一个电气控制柜中。系统 需要采集的信号包括 8 个模拟量和多个数字量，前后压力变送器及流量计信号全部 接入 EM231 中，PLC 完成调节阀开度的自调节，并且采集一路压力信号。整个系统 操作灵活，方便。 压力容器测试装置的实用性和方便性已经使广大的消费者既超越了现在所面临 的经济和知识门槛，又享受到了全自动测试系统的方便和快捷。因此压力容器测试 平台有着巨大的潜在市场，有待我们进一步开发和培育。因此基于压力容器测试工 业监控系统是一个有效的，方便的，可实施的系统。下面将提供一个关于基于压力 容器测试工业监控系统的可行的设计方案。 1.3 本课题完成的主要工作 本课题主要完成的任务是：第一，依照课题的技术要求对系统整体方案进行论 证，并初步形成一个总体的设计方案。第二，对方案中的硬件部分进行设计、并对 主要设备选型，以求达到设计的要求。第三，对下位机系统的控制系统程序进行设 计，编制。第四，对上位机系统监控组态软件进行再开发，设计满足系统整体要求 的平台。第五，对已成型的系统进行硬件安装调试，上位机和下位机联机调试，以 期达到事先希望得到的稳定的控制任务。 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 2 系统方案论证及总体设计 对于一个系统设计方案的确定是设计工作的开始也是整个系统最重要的一步， 将方案建立之后，下一步就应该对系统总体流程，各部分之间的连接进行一个总的 设计。为本课题树立一个主干。以后的各部分就可以顺其自然的一点一点的进行设 计，进行完成系统要求的各项指标。 21 系统方案论证 设计方案结构完整、经济高效、性能稳定就会为设计的顺利完成打下了牢固的 基础，相反如果选择了不够完善的设计方案，设计过程中会漏洞百出，甚至导致课 题的玩法完成。 2.1.1 系统的设计要求 测试设计要求同时可以进行 5 个作动筒密封性检测；同时可以进行 5 个产品密 封性检测；试验进行过程具备可靠的安全保护功能；能够精确测试压力范围在 0.135MPa 的各种产品，进行产品的密封性试验、耐压性试验。 系统产品测试出口有 5 个，可以同时使用，也可单独使用。对测试不同压力下 气密性的场合，有具体的使用要求。耐压试验的要求为：气路系统分别充压 30Mpa，保压 10min 检测无明显泄漏。正常气密性试验：充压 15Mpa0.2Mpa，保压 24h 检测压力泄漏不大于 1Mpa。 图 2-1 气路系统原理图 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 对于一个系统必须满足系统的设计目标。在本系统中要求如下：入口连接 35MPa 气源，在入口安装手动截止阀，控制整个气路系统的总气源，便于在断电、 检修等情况下使用；在手动截止阀之后设置过滤器，以防止气源中多余物流入系统 从而导致阀门及其它零、部件损坏的现象。该系统通过计算机设置充放气时间及保 压时间，同时通过工业计算机还可以设置和检测试验时的充放气次数，该系统气路 支路分四路：高压一路（最上侧一路）采用电动调节阀控制，由于该路出口压力为 2735Pa，目前还没有出口压力高于 27MPa 的减压器，所以该支路压力由气源直接 提供。当测试压力为 1027MPa 时则采用第四支路，即图 2-1 最下侧支路，该支路 采用电磁减压器控制，可以很稳定的给被测试产品提供相应的压力。当测试压力为 110MPa 时则采用第三支路，该支路采用电磁减压器两级减压控制，可以很稳定 的给被测试产品提供相应的压力。当测试压力为 0.11MPa 时则采用第二支路，该 支路采用电磁减压器两级减压控制，可以很稳定的给被测试产品提供相应的压力。 考虑到若停电无法操作的问题我们在系统出口均安装了手动截止阀（图 2-1 中 K2K5） ，保证了即使在停电的情况下也可将被测试件泄压，既保证了设备和人身 安全。各单向阀的使用则有效防止了高压气体的回流而导致的电动调节阀的损坏现 象。 2.1.2 系统方案选择 针对这些设计要求和当今比较通用的系统设计方案，我们无非有两种选择：一 种是借助功能强大的 NI 公司推出的数据采集系统平台虚拟仪器 LabVIEW，再者就 是利用我们熟悉的 PLC 控制系统。 虚拟仪器 LabVIEW 平台实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。基 于图形化编程和数据流驱动是虚拟仪器 LabVIEW 高速数据采集软件这两个特点， LabVIEW 编程语言学习起来相对容易些，可减少开发时间。但客观地讲，习惯了文 本式编程语言的程序员使用图形表达程序，还需要一段思维转变和适应过程。Lab- VIEW 软件平台尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。可充分 发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 而且，对于那些数学和逻辑运算 过程较复杂的程序，图形语言就不如文本语言更容易表达，此类情况，用户可以选 择使用 VC 或者 Matlab 等开发工具将数学分析和处理过程编写为专用的动态链接库， 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 LabVIEW 提供了专门的接口函数可以调用之。这样，可以结合图形语言和文本语言 各自的优点，更为灵活、高效、易用。缺点是虚拟仪器 LabVIEW 它是一个投入较 为昂贵的平台。 PLC 控制系统是依托于 PLC 来实现对现场设备进行控制的要求。可编程控 制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能 的原则设计。它具有丰富的输入 /输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编 程控制器并不针对某一具体工业应用。在实际应用时，其硬件应根据具体需要进 行选配，软件则根据实际的控制要求或生产工艺流程进行设计。具有编程简单、 使用方便、通用性强、可靠性高、体积小、易于维护等优点，在自动控制领域应 用得十分广泛。目前已从小规模的单机顺序控制发展到过程控制、运动控制等诸 多领域。而且它可靠性高，能够适应工业现场的恶劣环境。具有进行各种算术运 算、PID 调节、过程监视、网络通信、远程I/O 和高速数据处理能力， PLC 除 了具有 CPU 和存储器以外，还有丰富的 I/O 接口模块。对于工业现场的不同信 号，PLC 都有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备直接连接。 PLC 系统与 其他系统相比无论从软件方面还是从实际投入的硬件设备讲，投入都较少，质 优价廉，性价比高。因此，无论是老设备的技术改造还是新系统的开发，大多数 设计人员都倾向于采用它来进行设计。 运用两个方案均能实现我们的硬件要求和数据采集的需求，虽然虚拟仪器 Lab- VIEW 开发平台灵活，高效，且功能强大，但是 PLC 系统投入明显较少经济高效性 价比较好，同时运用 PLC 系统对于开发和调试也较为方便。因此我选择了利用 PLC 控制系统开发本系统。 系统选择好后，我们就要选择 PLC 的品牌，因为我的设计是基于航天和军工产 品测试的，所以系统稳定性的要求异常的高。综合多方面因素考虑，这里我选用了 价格不是很高但稳定性最好的西门子公司生产的 PLC 系列及扩展模块。 为了对系统进行监控和组态，接下来便需要去进行组态软件的选择。选择一个 功能强大、经济高效的组态软件平台可以给整个系统的稳定运行打上良好的基础。 对本设计来说目前市场上常见的组态监控都能满足系统的要求，但是各有各的优缺 点。 目前的组态软件均是通用工业自动化组态软件，它的主要特点： (1)延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新 和升级； (2)封装性（易学易用） 。通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用 的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术） ， 就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能； (3)通用性。每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备 （PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的 I/O Driver、开放式的数据库和 画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、 具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。 三维力控方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、大大降低了组态 开发的工作量；高性能实时、历史数据库，快速访问接口在数据库 4 万点数据负荷 时，访问吞吐量可达到 20000 次/秒；强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事 件网络数据断线存储，恢复功能；支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活 控制各图层的显示与隐藏；强大的 ACTIVEX 控件对象容器，定义了全新的容器接 口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、 属性；力控软件内嵌分布式实时数据库，数据库具备良好的开放性和互连功能，可 以与 MES、SIS、PIMS 等信息化系统进行基于 XML OPC、ODBC、OLE DB 等接 口方式进行互连，保证生产数据实时地传送到以上系统内。且它是国产软件中的佼 佼者，在相同的系统水平上，它的性价笔比是很高的，因此它很受一些不是特别大 的系统的青睐。 西门子公司推出的 WINCC 组态软件它通用的应用程序，适合所有工业领域的 解决方案；多语言支持，全球通用 ；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有 操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于 Web 持续延展，采用开放性标 准，集成简便；集成的 Historian 系统作为 IT 和商务集成的平台；可用选件和附加 件进行扩展 ；“全集成自动化” 的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方 案。特别是当它用于大型系统时，它的系统稳定性是出类拔萃的，但是 WINCC 监 控软件还无法做到“贫民化”，价格较为昂贵。在小系统中人们一般会采用国内较好 的软件，在大型系统中 WINCC 有较高的市场占有率。 因此，经过对比我们不难发现本系统的需求来讲使用国产的力控作为上位机设 计平台是较为经济高效的，也完全能满足系统的要求。 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 2.2 系统总体设计 气密性测试试验台控制系统由电源供给系统、现场 I/O 系统、上位机监控系统、 下位机控制系统 4 个子系统组成，四个系统各自实现各自的功能，且彼此之间相互 协调，共同完成课题的各项指标。 压力传感器 电动减压阀 其它设备 西门子 PLC 控制系统 三维力控 电动阀 电气控制系统 图 2-2 系统原理示意图 现场 I/O 系统主要完成系统压力信号的采集及处理，各个阀体的控制动作；电 源供给系统负责给系统中各仪表、传感器、开关电源（24VDC） 、电磁阀供电、PLC 控制器和工控机 220VAC 供电电源。上位机监控系统系统的信息监控主要完成压力 容器性能测试的数据处理、信息查询、故障报警等功能；下位机控制系统 PLC 控制 子系统可以根据实际现场产品性能测试需要，实现自动测控任务。 其中上位机开发环境选用三维力控组态软件，根据系统要求，开发系统检测画 面，确定检测的条件，完成权限登陆、参数设定、检测状态监控、参数实时显示、 系统报警、数据记录、报表打印、数据查询及回放等功能。 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 下位机控制系统 PLC 选用德国西门子公司的 S7-200 PLC，并配备相应扩展模 块。利用 SIEMENS 的 STEP7 MicroWIN SP6 编译环境编写 PLC 应用程序，实现课 题提出的自动测试任务。 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 3 硬件系统设计 一个系统顺利、稳定、高效的按照我们在软件中编制的方案完成既定的任务是 我们每个设计人员最强烈的希望，但是，要达成这个希望首先便需要良好的硬件系 统的支持，一个良好的硬件系统的选择给以后的调试工作会带来很多方便。 在本部分内容中主要介绍了我在系统设计中的过程。首先我对系统的 I/O 点进 行了分析和统计，然后针对这一统计数字对电动阀、PLC 的 CPU 的型号、PLC 的 扩展模块的型号以及压力传感器型号进行了选择。对于其他诸如电源、导线、继电 器、工控机等设备由于文章篇幅所致，没有一一进行说明。系统硬件构成框图如图 3-1 所示。 图 3-1 系统硬件构成框图 3.1 系统 I/O 分析 在本课题硬件设计中我们首先要解决的问题就是，计算好整个系统中对各类 I/O 点的需求。因为 I/O 在 PLC 接线端子上的地址分配是进行 PLC 控制系统设计的基础。 对软件设计来说，I/O 地址分配以后才可以进行编程；对控制柜及 PLC 外围接线来 说，只有 I/O 地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，才可以根据线路图 和安装图安装控制柜。 再者只有明确了 I/O 分配，才能把系统设计的高效，合理，性价比较高。因此 对系统的 I/O 分配分析见表 3-2。 表 3-1 系统的 I/O 分配分析 序号名称数量信号类型 1电动阀 DK1DK151515（2DI/3DO） 2压力传感器 P1P818AI 3 电动减压器 DJ1DJ3 13（2DI/3DO） 压力传感器 8 路 AI 55 路 DO PLC 及 扩展模块 继电器 工控机 电动阀 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 4按钮11DI 5蜂鸣器11DO DI37 DO55 AI8 6I/O 点总计 AO0 从表格可以看出，每个电动阀和减压器都有上限和下限两个数字量输入，正转、 反转、刹车三个数字量输出，每个传感器有一个模拟量输入。这样计算下来系统需 要数字量输入 37 点，数字量输出 55 点，模拟量输入 8 点。因此我们需要选择合适 的模块来包容这些输入/输出点。因为我选用的是西门子的 PLC 系统，而且为了能达 到在可靠够用的前提下尽量实现经济高效，我选用了 EM223 模块（32DI/32DO）、 EM222 模块（8DO） 、EM231 模块（4AI） 。 S7-224CN AC/DC/RLY EM222 8 继 （2） EM231 4AI EM222 8 继 （4） EM223 32DI/32DO（3 ） EM231 4AI 图 3-2 模块排列图 在这些模块最大使用程度下，所有 I/O 点加起来为 DI 点 46，DO 点 58，AI 点 8。 因此完全可以满足系统需求的 I/O 点数，略有一点冗余。 3.2 硬件系统主要设备及元器件选择 硬件主要器件的选择是整个系统成功稳定运行的重要一步，这部分主要介绍了 S7-200 PLC 中 CPU 和扩展模块的选择，电动阀的选择以及压力传感器的选择。对 于其他部分的硬件选择，本文由于篇幅所限没有进行深入的研究。 3.2.1 S7-200PLC CPU 及扩展模块的选用 （1）CPU 的选用 S7-200 系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性极丰富的指令集易于掌握 便捷的操作丰富的内置集成功能实时特性强劲的通讯能力丰富的扩展模块。使用范 围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域。 S7-200 系列 PLC 可提供 4 个不同的基本型号的 8 种 CPU 供您使用。其中 CPU 224 集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。13K 字节程序和数据存储空间。6 个独 立的 30kHz 高速计数器，2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。1 个 RS485 通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。 （2） 数字量和模拟量扩展模块的选用 数字量输入需要 37 点，输出需要 55 点，而西门子 200 系列 PLC 最大的输入/输 出模块是 EM223 的 32DI/32DO。再加上 CPU224 自带的 14DI/10DO，所以还需要两 个 EM222 模块，这样才能满足系统点数的需要。为了节约成本我们选用了 EM222 的继电器 8 点输出模块。 模拟量输出模块 EM231 是 24V4 通道模拟量输入模块，其功耗为 2W，消耗电 流 20 mA，L+为 60mA，线圈电压范围 20.428.8V，LED 灯指示差分输入。输入类 型电源状态为亮表示电源正常为灭表示电源故障。电压输入(单极性)010V 和 05V，电流输入为 020 mA，数据字格式单极性全量程 032000，双极性，全 量程-3200032000，模数转换时间小于 300s，模拟量输入响应时间 1.5ms ，共模 抑制 40dB，DC to 60Hz，共模电压信号电压+共模电压(必须小于等于 12V)，输入 阻抗不小于 10M，最大输入电压 30V，AD 转换器分辨率 12 位，最大输入电流 30mA。因此，对于八个压力传感器的八个模拟量信号，采用两个 EM231 模拟量输 入模块便可以完全满足。 3.2.2 电动阀的选用 电动阀通常由电动执行机构和阀门连接起来，经过安装调试后成为电动阀。电动阀 使用电能作为动力来接通电动执行机构驱动阀门，实现阀门的开关、调节动作。从 而达到对管道介质的开关或是调节目的。电动阀用于气体和风系统管道介质流量的 模拟量调节，是 AI 控制。在大型阀门和风系统的控制中也可以用电动阀做两位开关 控制。电动阀的驱动一般是用电机，开或关动作完成需要一定的时间模拟量的，可 以做调节。 电动阀的驱动一般是用电机，比较耐电压冲击。电磁阀是快开和快关的，一般用在 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 小流量和小压力，要求开关频率大的地方电动阀反之。电动阀阀的开度可以控制， 状态有开、关、半开半关，可以控制管道中介质的流量而电磁阀达不到这个要求。 电动减压阀是电动调节阀在压力控制领域的典型应用。电动减压阀通过调节一次侧 流体的动压头，达到控制减压阀后压力的目的。本类阀门在管道中一般应当水平安 装。电动减压阀是减压设备、压力调节设备的一种典型应用。电动减压阀广泛应用 于换热站热源及生产工艺设备前蒸汽压力调节。暖通空调、给排水系统或设备水力 压力调节。液位控制。电动减压阀特点是：电动无级调节，二次压力稳定，控制精 度高。操作简便，只需通过控制器修改二次压力设定。运行平稳，使用寿命长。 DJY 系列电动式减压阀是电动调节阀在压力控制领域的典型应用。通过调节一次侧 流体的动压头，达到控制减压阀后压力的目的。 在本课题选择电动阀时，我为了满足军事工业的需要选择了军工产品 3.2.3 压力传感器的选用 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器， 如电阻应变片压力传感 器现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以 及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当 传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果 的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器 长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使 传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。精度是传感器 的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传 感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的 精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器 中选择比较便宜和简单的传感器。如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值， 就需选用精度等级能满足要求的传感器。 因为我们本系统是基于航天军工产品而设计的，所以对设备的精度，稳定要 求较高。最终我们选用了军工产品 701 所生产的AK-2 型应变式压力传感器。 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 3.3 硬件系统设计 底层硬件系统是由西门子的 CPU224、EM222、EM223、EM231、继电器、电动 阀等组成，系统硬件构成框图。 图 3-3 系统硬件构成图 在本系统中，我利用 PLC 电气控制作为整个系统的控制系统，通过对 PLC 的 控制实现对压力传感器模拟信号的处理，通过 PLC 的动来控制继电器的输出，同时 来控制电动阀、电动解压阀的正转、反转、停止。 压力传感器 电动减压阀 CPU 224 电动阀 电气控制系统 现场 I/O 系统 EM2 23 EM2 22 EM2 31 EM2 22 EM2 31 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 4 下位机系统程序设计 下位机系统是实现系统既定控制任务的主要部分，设计一个完整，稳定的 PLC 控制系统需要将系统各方面要求综合考虑，对系统的技术和工艺要求一条一条的对 应设计，最后进行整体考虑形成最终的系统总体初型。 在这部分中我首先对系统各方面的要求进行了逐条审核，对它要求实现的功能 进行了一一过滤，然后针对这些要求进行了逐个的程序编制，最后将所有得单独程 序通篇考虑进行了编制融合，加入主程序中，最后形成了整体的控制程序。 4.1 下位机系统实现的功能 控制程序需要实现的主要功能有： (1)同时可以进行 5 个产品的密封性，耐压性检测； (2)实现模拟量的显示； (3)实现压力传感器的断线检测； (4)实现模拟量的过大过小的处理 (5)能够精确测试压力范围在 0.135MPa 的各种产品的密封性试验、耐压性试 验。 系统可以进行对 5 个以下产品的检测，但是必须是同一压力之下。在检测时需 要将 8 个压力模拟量转化以后显示出来。同时系统还得实现对压力传感器是否断线 进行检测。当模拟量过大或过小时，将其进行处理，超过 20mA 按 20mA 计算。 4.2 系统的框架和工作过程 系统入口连接 35MPa 气源，在入口安装手动截止阀，控制整个气路系统的总气 源，便于在断电、检修等情况下使用；在手动截止阀之后设置过滤器，以防止气源 中多余物流入系统从而导致阀门及其它零、部件损坏的现象。整个气路系统由三大 部分组成，第一部分是气源进气部分，用于为后续部分提供测试压力。第二部分是 4 路压力选择支路：当测试压力为 1027MPa 时采用 DCJY35-27 一级减压；当测试 压力为 110MPa、0.11MPa 时则采用二级减压，通过 DCJY35-27 减压后再通过 DCJY23-10、DCJY23-1 电动减压器分别将压力调节到 110MPa、0.11MPa。第三部 分是 5 条测试支路，属于比较复杂的并发事件，也是整个系统的关键。系统要求五 路功能相同，均用于测试被测件的气密性能。它们可以同时工作，也可以单独工作。 5 条测试支路压力的调节，是通过电动调节阀 DK4DK9 的打开和关闭以及限流孔板 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 共同完成的。压力变送器 P4P8 实时监测各路压力的变化，完成稳压及保压的要求。 电动调节阀 DK9DK13 在保压结束以及系统漏气情况下，进行放气。调节阀，回到初 始状态。 总开始 打开DK1 打开DK2 第 2 路 第 3 路 第 4 路 第1路 4条选择支路 第1路开始 打开DK4，P4到设定值 关闭DK4 第1路稳压 第1路保压 打开DK9进行放气 放气完毕，关闭DK9 第一路结束吗？ 等待 N Y 关闭DK1，进行排气，然后关闭其他电机 总结束 测 试 第 2 路 测 试 第 3 路 测 试 第 4 路 测 试 第 5 路 5条测试支路 测试第1路 图 4-1 程序流程图 测试开始前，首先必须选择被测件的压力等级，即确定 4 路选择支路哪一路有 效。这里假定选择的是 2735MPa 支路，即第 1 支路。按下总开始按钮，电动调节阀 DK1 打开，然后 DK2 打开。DK2 打开后程序处于选择等待状态。当按下第一路开始按 钮后，第一路气密性检测开始。打开 DK4 后，气体通过限流孔缓慢到达 P4 处，当达 到第一路设定的压力值时，关闭 DK4；DK4 到达下限位，开始第一路稳压，稳压完毕 自动开始保压，保压时间到，打开 DK9 进行放气；当 P4 的压力下降到关闭值 （0.2MPa）时，关闭 DK9。第一路一次气密性检测过程结束，重新设定参数后，可 以开始第二次测试。点击第一路结束按钮，第一路在进行完这次试验后自动处于等 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 待状态。其他几路工作过程同第一路，它们可以和第 1 路同时工作，互不影响。当 五路都结束后，系统自动排气，排气完毕，关闭所有电动阀。程序梯形图见附录 2. 4.3PLC 系统 I/O 地址分配 对 PLC 系统来说，要想让其依据我们设计的方式来处理现场信号，就必须合理 安排 PLC 的 I/O 地址，把其分配到 PLC 的端口，这样就确保了 PLC 的输入输出与我 们想实现的内容相对应。 表 3-2 数字量输入 DI 0PLC 端口地址输入点含义 1CPU224(1) 14DI DC24V 20.0I0.0 30.1I0.1 40.2I0.2 50.3I0.3 60.4I0.4 70.5I0.5 80.6I0.6 90.7I0.7急停按钮信号输入 101M输入信号公共端（004） 111.0I1.0DJ1 下限（全关） 121.1I1.1DJ1 上限（全开） 131.2I1.2DJ2 下限（全关） 141.3I1.3DJ2 上限（全开） 151.4I1.4DJ3 下限（全关） 161.5I1.5DJ3 上限（全开） 172M外部电源 0V（008） 18EM223(3) 32DI 190.0I2.0DK1 下限（全关） 200.1I2.1DK1 上限（全开） 210.2I2.2DK2 下限（全关） 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 220.3I2.3DK2 上限（全开） 230.4I2.4DK3 下限（全关） 240.5I2.5DK3 上限（全开） 250.6I2.6DK4 下限（全关） 260.7I2.7DK4 上限（全开） 271.0I3.0DK5 下限（全关） 281.1I3.1DK5 上限（全开） 291.2I3.2DK6 下限（全关） 301.3I3.3DK6 上限（全开） 311.4I3.4DK7 下限（全关） 321.5I3.5DK7 上限（全开） 331.6I3.6DK8 下限（全关） 341.7I3.7DK8 上限（全开） 352.0I4.0DK9 下限（全关） 362.1I4.1DK9 上限（全开） 372.2I4.2DK10 下限（全关） 382.3I4.3DK10 上限（全开） 392.4I4.4DK11 下限（全关） 402.5I4.5DK11 上限（全开） 412.6I4.6DK12 下限（全关） 422.7I4.7DK12 上限（全开） 433.0I5.0DK13 下限（全关） 443.1I5.1DK13 上限（全开） 453.2I5.2DK14 下限（全关） 463.3I5.3DK14 上限（全开） 473.4I5.4DK15 下限（全关） 483.5I5.5DK15 上限（全开） 493.6 3.7 I5.6 I5.7 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 501M，2M外部电源 0V（008） 表 3-3 数字量输出 DO PLC 端口地址输出点 1CPU224(1) 10DO（Relay） 21L4 点输出端公共端 30.0Q0.0DK1 正转 40.1Q0.1DK1 反转 50.2Q0.2DK1 刹车 60.3Q0.3DK2 正转 72L3 输出端公共端 80.4Q0.4DK2 反转 90.5Q0.5DK2 刹车 100.6Q0.6DK3 正转 113L3 输出端公共端 120.7Q0.7DK3 反转 131.0Q1.0DK3 刹车 141.1Q1.1DK4 正转 15EM222(3) 8DO（Relay） 161L4 输出端公共端 170Q6.0DK4 反转 181Q6.1DK4 刹车 192Q6.2DK5 正转 203Q6.3DK5 反转 212L4 输出端公共端 224Q6.4DK5 刹车 235Q6.5DK6 正转 246Q6.6DK6 反转 257Q6.7DK6 刹车 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 26EM223(2) 32DI/32DO（Relay） 271L11 输出端公共端 280.0Q2.0DK7 正转 290.1Q2.1DK7 反转 310.2Q2.2DK7 刹车 320.3Q2.3DK8 正转 330.4Q2.4DK8 反转 340.5Q2.5DK8 刹车 350.6Q2.6DK9 正转 360.7Q2.7DK9 反转 371Q3.0DK9 刹车 381.1Q3.1DK10 正转 391.2Q3.2DK10 反转 402L11 输出端公共端 411.3Q3.3DK10 刹车 421.4Q3.4DK11 正转 431.5Q3.5DK11 反转 441.6Q3.6DK11 刹车 451.7Q3.7DK12 正转 462.0Q4.0DK12 反转 472.1Q4.1DK12 刹车 482.2Q4.2DK13 正转 492.3Q4.3DK13 反转 502.4Q4.4DK13 刹车 512.5Q4.5DK14 正转 523L10 输出端公共端 532.6Q4.6DK14 反转 542.7Q4.7DK14 刹车 553.0Q5.0DK15 正转 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 563.1Q5.1DK15 反转 573.2Q5.2DK15 刹车 583.3Q5.3DK16DJ1 正转 593.4Q5.4DK16DJ1 反转 603.5Q5.5DK16DJ1 刹车 613.6Q5.6 623.7Q5.7 15EM222(4) 8DO（Relay） 161L4 输出端公共端 170Q7.0DK17DJ2 正转 181Q7.1DK17DJ2 反转 192Q7.2DK17DJ2 刹车 203Q7.3DK18DJ3 正转 212L4 输出端公共端 224Q7.4DK18DJ3 反转 235Q7.5DK18DJ3 刹车 246Q7.6蜂鸣器 257Q7.7 表 3-3 模拟量输入 AI 序号模块端口地址备注 EM231(5) 11AIW0压力变送器 1 22AIW2压力变送器 2 33AIW4压力变送器 3 44AIW6压力变送器 4 EM231(6) 51AIW8压力变送器 5 62AIW10压力变送器 6 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 73AIW12压力变送器 7 84AIW14压力变送器 8 4.4部分关键程序的设计 本系统的程序是一个较为庞大的系统，某些程序段是本设计中特有的且某些程 序段在本程序整体设计中占有很重要的地位，甚至起到至关重要的作用，通过把这 些子程序有机的组还在一起从而形成了整个 PLC 系统的程序部分。 4.4.1 模拟量值和 A/D 转换值的转换 在本气密性台控制系统设计中，有对多个压力值的控制。这些压力值都是模拟 量值，无法用控制数字量的方法来对它们进行控制。这就需要我们把模拟量转化为 数字量，即用 A/D 转换来解决这一问题。 在这里假设模拟量的标准电信号是 A0Am（如：420mA） ，A/D 转换后数值 为 D0Dm（如：640032000） ，设模拟量的标准电信号是 A，A/D 转换后的相应 数值为 D，由于是线性关系，函数关系 Af（D）可以表示为数学方程： A（DD0）（AmA0）（DmD0）A0 （4-1） 根据该方程式，可以方便地根据 D 值计算出 A 值。将该方程式逆变换，得出函 数关系 Df（A）可以表示为数学方程： D（AA0）（DmD0）（AmA0）D0 （4-2） 在压力容器控制系统设计中，测试用的压力变送器，当压力达到满量程 60MPa 时，压力变送器的输出电流是 20mA，AIW2 的数值是 32000。可见，每毫安对应的 A/D 值为 32000/20，测得当压力为 0MPa 时，压力变送器的电流应为 4mA，A/D 值 为（32000/20）46400。由此得出，AIW0 的数值转换为实际压力值（单位为 KPa）的计算公式为： 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 图 4-2 模拟量显示 VW2 的值(AIW2 的值6400)(600)/(320006400)0 （4-3） 即： VW2 的值60* (AIW2 的值6400) /25600 （4-4） 4.4.2 压力传感器断线检测程序 在系统测试中很大部分依赖于压力传感器的准确、稳定的测量，因此对压力传 感器的正常工作与否显得至关重要。在程序中当压力信号小于 2mA 且持续 5s 后， 我们就认为它已经断线，需要我们断电检查。图 4-3 是以压力传感器 1 的断线为例 来说明程序编制方法的。 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 图 4-3 压力传感器 1 断线检测 4.4.3 气密性测试的 SFC 程序编制 气密性测试的中心是对容器进行气密性各项指标的检测，在这部分我使用了 SFC 的编程语言，因为本系统的测试是一个顺序控制的过程，因此顺序功能图的编 程方式对这部分来说是非常适合的。 使用 SFC 编程，可以将整个顺序控制过程分为若干个状态，状态与状态之间由 转移条件分开。SFC 编程的关键是找出各个状态之间的转移条件。一旦转移条件明 确后，只需将状态和转移条件转换成相应的程序语言符号即可。但是西门子编程软 件虽然基于 IEC61131-3，但是你只能先画出顺序控制图然后再转化为梯形图（如图 4-4）才能被软件识别，这一点确实比较麻烦。它使用的主要指令是 SCR（顺序状态 开始） 、SCRT（顺序状态转移） 、SCRE（顺序状态结束） 。 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 图 4-4 SFC 语言编程图 4.4.4 模拟量值处理程序 在系统测试中，有时候为了方便曲线的形成，和保证测试范围内值的转化。我 们将在 2mA 到 4 mA 之间的信号统一按 4mA 处理，对大于 20mA 的信号统一按 20mA 来处理。如图 4-5 所示，是压力传感器 1 的模拟值过大或过小处理程序。 图 4-5 模拟量 1 的处理程序 基于 PLC 控制系统的压力容器气密性测试装置 5 上位机系统的设计 组态软件是一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控 层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自 动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。 本设计的监控系统部分选用的是力控 6.1 监控组态软件，它是目前国内同类产 品中的领跑者。该产品主要定位于国内高端自动化市场及应用，是企业信息化的 有力数据处理平台。 力控系列软件以计算机为基本工具，为实施数据采集、过程监控、生产控制提 供了基础平台，它可以和检测、控制设备构成任意复杂的监控系统，在过程监控中 发挥了核心作用，可以帮助企业消除信息孤岛，降低运作成本，提高生产效率，加 快市场反应速度。力控为满足企业的管控一体化需求提供了完整、可靠的解决方案。 上位机监控界面主要负责系统运行的监控和数据显示、处理及存储，本系统采 用力控监控组态软件 Force control V6.1，人性化的人机交互界面的设计，实现了整 个系统的控制及数据采集、显示、数据存储、历史数据查询及故障报警等任务。 5.1 上位机系统实现的的功能 1全集成自动化 高性能的工业控制计算机（IPC）和 PLC 控制系统实现现场仪器仪表的数据采 集、执行器控制、状态监控和数据处理等任务。 2实现全部测试功能 根据甲方提出的气密性测试试验台控制系统的要求，设计硬件系统和软件系统 完成全部测试任务。 在调试过程中，对用户提出的关于控制功能方面的进一步修改意见，只要不涉 及硬件方面的变更，则可根据现场情况，最大限度的满足用户要求。 3系统安全性 在上位机软件中增加可靠性设计。 4系统精度 在传感器的精度选择上高于系统要求；程序设计