触摸屏在井下水泵控制装置中的应用.pdf

第 1 1期 2 0 0 9年 1 1 月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Aut o ma t i on No ．1 1 NO V ． 2 0 0 9 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 1 1 一O 0 8 4 一O 4 触摸屏在井下水泵控制装置中的应用 马 勇 ， 程铁 栋 ， 臧其 亮 ， 史志鹏 1 ． 中国矿业大学信电学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ；2 ． 江西理工大学机电学院， 江西 赣州 3 4 1 0 0 0 摘 要 结合 触摸屏 和 P L C技 术 ， 设计 了一 套煤矿 井 下水 泵控 制 装 置 ， 详 细介 绍 了西 门子触摸 屏和 P L C 在 井下水 泵控 制装 置 中的应 用 ， 阐述 了触摸屏 与 P L C进 行数 据 交换 、 连 接 、 通信 的 方 法， 给 出了触摸 屏 组 态 软 件的编程 步骤 。 关键词 矿 井；水泵控 制 ；触摸屏 ；S 7 3 0 0 P L C 中图分 类号 T D 4 2 2 ／ 6 7 2 文献 标识码 B 0引言 可编程控制器 P L C 被广泛应用于工业控制领 域 ， 但因其本身不具有友好的人机界面交互功能 ， 在 生产过程中的一些过程值需要被现场人员监视和操 作的情况下使用不方便。而使用触摸屏能很大程度 上完善监控系统。触摸屏 HMI 是新一代可编程 人机界面产品， 适于在恶劣的工业环境中应用 ， 在某 些控制中可代替工控机作为人机界面， 具有交互性 好、 可靠性高、 编程简单、 与 P L C连接简便等优点。 笔者结合触摸屏和 P L C技术 ， 设计了一套煤矿井下 水泵控制装置。下面主要介绍触摸屏在井下水泵控 制装置中的应用。 1 控制装 置的硬件 组成 煤矿井下水泵控制装置主要 由 P L C控制器 、 触 摸屏、 电控 阀门和各种监测传感器等组成， 如 图 1 所示 。 真空传感器 l现 幢 芦匝 1 lnm r ] 孤精 徭 温度传感器 H lI测 I卜二 ；r■ l 儿 c卜 状态 反馈 状态反馈 轻l 真 空 阀 卜_ _J ＼ 一 电动闸阀 l 水泵 图 1 煤矿井下水泵控制装 置硬件组成图 收稿 日期 2 0 0 9 0 7 2 1 作者简介 马 勇 1 9 6 3 一 ， 男 ， 副 教授 ， 硕 士 ， 1 9 8 6年毕业 于 中国矿业大学 ， 现主 要从 事控 制 理 论 与 控制 工程 方 面 的 教 学 与 研究工作， 已发表文章十多篇。E - ma i l y s h b o y l 1 6 3 ． c o rn 水位传感器是开停水泵的依据。 压力、 温度和真 空传 感器 用于监 测水泵 启动 和运行参 数 。当水 位达 到开始排水水位后， 通过 P L C控制真空阀、 射流阀， 并接收其反馈的状态信 号， 结合真空、 压力 、 温度等 数值 实现对水 泵和 电动 闸阀的 自动 控制 。 控制装 置 的 P L C选 用 西 门子 S 7 3 0 0系 列 产 品 ， C P U 型号为 3 1 5 2 D P 。3 1 5 2 D P是一 款 带有 中／ k规模 程序 量 和 P r o f i b u s D P主／ 从 接 口的 C P U， 可以组成集中式 I ／ 0结构， 也可组成分 布式 I ／ O 结 构 ， 其 MP I 多 点 接 口 最 多 可 以 同 时 建 立 1 6个 与 S 7 3 0 0 ／ 4 0 0或 与 P G、 P C、 OP 的 通 信 连 接 。触摸 屏选 用西 门子 T P 1 7 7 A， 具有 1个 R S 4 2 2 ／ 4 8 5接 口 I F 1 B ， 通 过 MP I ／ P r o f i b u s D P在 同一 条总线上最多可与 4 个 HMI 设备通信。由于交换 数据量不是很大， 本文采取 MP I网络连接 P L C和 HMI 设 备 。 2触摸 屏在井 下水泵控 制装置 中的应 用 2 ． 1 HM I 与 P LC 的 数 据 交 换 西门子 T P 1 7 7 A HMI 将与 P L C控制器通信的 功能集成 到一个 9针 D 型公 座管 脚排 列 的 R S 4 2 2 ／ 4 8 5接口， 通过调节背部 D I P开关实现其通信功能 的切换 。其硬件接 口如图 2所示。管脚功能如表 1 所示 。 图 2 9针 D型公座管脚硬件接 口图 2 0 0 9年第 1 I 期 马 勇等 触摸屏在井下水泵控制装置中的应用 8 5 表 1 9 针 D型公座管脚通信端 口及功能表 在运行中， HMI 与 P L C的 C P U不断进行数据 交换。HMI 与 S 7 3 0 0 P L C使用专用通信 电缆直 接连接后 如图 3所示 ， 设置 HMI 背部的 D I P开 关， 使其工作方式 为“ 与 P L C通信 方式” ， 如图 4 所示 。 E至三三 s 7 训 眦 L 4旦一 ] 图 3 HMI 与 P L C连接示意图 4 1 ， 1 0N 图 4 HMI 与 P L C通信时 D I P开关设置示意图 HMI 通过变 量 、 用 户数 据 区、 网络 3种 方式 同 时进行通信， 以实现不同的功能。使用变量通信 用 于 P L C与 HMI 交换过程值数据。在组态 中， 创建 指 向特定 P L C地址 的变量 ， HMI 从 已定 义 的地 址 读取过程值 ， 然后将其显示出来。操作员还可以在 HMI 中输入要写入相关 P L C地址的值。使用用户 数据 区通信 用户数 据区用 于交换 特殊数据 ， 仅在使 用这 些类 型的数 据时 才会 建立 连 接 ， 如 报 警 、 趋 势 、 设备状态监视等。网络通信 提供 HMI 与 P L C之 间进行通信时所需的不同网络 ， 如 P P I 点对点接 口 、 MP I 、 P r o f i b u s 、 以太 网等。R S 4 8 5 ／ 2 3 2适配器 上 的 D I P设置 如图 5 所示 。 l O 图 5 R S 4 8 5 ／ 2 3 2 适配器上的 D I P设置示意图 由于井下电磁干扰严重 ， 空间上隔开的系统部 件之间存在电位差 ， 可能导致数据电缆上出现均衡 电流从而毁 坏其接 口。这种情况是 由于双方都 采用 了屏蔽电缆 ， 但是在不 同的系统部件处接地 。当系 统连接在 不同 的电源 上 时 ， 电位差 更加 明显 。为 避 免该情况出现， 应采用指定的等电位连接导线进行 等电位电路连接。 2 ． 2 Wi n CC Fl e x i b l e设 计 TP 1 7 7 A HM1支持 wi n C C F l e x i b l e ，wi n C C F l e x i b l e可提供 P P I 、 MP I 、 P r o fi b u s 、 以太网等多种 通信方式支持 HMI 与 S 7 P L C之间的通信。 在组态前 ， 需将 HMI 与 P C正确连接。使用 R S 4 8 5 ／ R S 2 3 2 适 配 器 连 接 HMI和 P C， 如 图 6所 示 ， HMI背 部 的 D I P 开 关 设 置 如 图 7 所 示 ， TP 1 7 7 A此时即被设置为“ 与 P C通信方式” 。对照 P C上组态软件中设置 的通信速率 ， 将适配器上的 DI P开关根据“ 通信速率选择表” 如表 2所示 进行 设置， 其 4到 8位必须设置成 0 如图 5所示 ， 设置 为 1 ． 2 k b i t ／ s ， 保证 HMI 侧与 P C侧信号类型与通 信速率相匹配。 E至三 图 6 HMI 与 P C连接示意图 图 7 HMI 与 P C通信时 D I P开关设置示意图 表 2 适配器 D I P设置速率对照表 比特率／ k b i t s DI P开关 1 D I P开关 2 D I P开关 3 由于Wi n C C F l e x i b l e 中已集成西门子T P 1 7 7 A HMI 的通信驱动程序 ， 在组态时会 自动安装。本文 采取 MP I 通信方式， 在 Wi n C C F l e x i b l e上完成组 态后， 设 置 HMI的 D I P开关 为“ 与 P L C通信 方 式” ， 此时将 HMI 与 P L C硬件连接即可正常运行。 2 6 8 4 2 u 卯 o ； 色 L 8 6 工矿 自动化 2 0 0 9年 1 1月 1 通信连接 正确选择触摸屏型号后 ， 在“ 设备通信连接” 中 新建 通 信 连 接， 选 择 通 信 驱 动 程 序 “ S I MATI C S 7 3 0 0 ／ 4 0 0 ” ， “ 通信连接网络” 设置为 MP I 网络 ， 设 置 HMI 设备站地址 ， 波 特率设 定与 P L C中 C P U 一 致 ， 本装置采用 1 8 7 ． 5 k b i t ／ s 。“ 工作站” 设定为 MP I网络 中的 P L C站点 。 2 变量 选择与 连接 基 于水泵 工作 过 程 如 图 8所 示 所 需 变 量 如 下 ① 工作方式选择信号；② 各传感器和执行装置 状态返回信号；③ 通信状态判断信号 ；④ 各类故 障报警信号。 a 水 泵 启 动 过 程 b 水 泵 停 止 过程 图 8 水泵控制系统工作过程图 组 态时 ， 正 确 建 立 HMI 与 P C的 通信 连 接 后 ， 将以上变量引入“ 项 目通信变量表” ， 设置各变量 的 数据类型和对应 P L C的内部地址， 合理选择扫描时 间 。在 运 行 时 ， 即可 显 示 对 应地 址 数 据 ， 修 改 相 关 P L C地址 的值 。 2 ． 3数 据 显 示 与 设 定 在 P L C与 HMI间 ， 很 多开 关量 数 据 和模 拟 量 数据需不断交换 。需要交换 的开关量数据有 真空 阀、 射流阀、 电动闸阀、 电机的启停控制信号和状态 反馈信号等； 需要交换的模拟量数据有真空值、 压力 值 、 温度值 、 电流值等。 无论 是 开关 量还 是模 拟 量 ， 在引 入相 应 的显 示 或控制组 件后 ， 只需在 “ 变 量 选项 ” 中选 择 要 显示 或 控制的变量所对应的 D B块、 内存 M 区或输入输 出 寄存区， 并选择相应的位 ， 即可实现对这些开关量和 模拟量 的显示和 控制 。 1 显示 数据 由于 HMI中没 有 直 接 的 小 数 功 能 ， 所 以要 在 P L C中通过加减 乘除运算 出不带小数点 的数， 在 HMI 界面上 定义小 数点 的位置 即可 。 如需要显示压力值 ， 压力在 P L C上的模拟输入 量为 P I W0 ， 假设压力最大值为 1 MP a ， 对应 P L C上 的值为 2 7 6 4 8 ， 那 么对于任一压力输入 P I W0 ， 要在 HMI 上显示 带 2 位 小数 点 ． X MP a的形式 ， 则 在 P L C上做如下 计算 P I W0 1 0 0 ／ 2 7 6 4 8 一DB 1 ． DBW0 为了防止数值计算溢出， 上述计算应在双字节 或浮点运算中进行， 先进行乘法运算以减小误差 ， 这 样 在 HMI 上 直 接 显 示 DB 1 ． D B W0并 将 小 数 点 显 示 位数定 为 2即可 。 2 设定 数据 设定模拟量数值情况同上述显示数据的方法反 向。例 如设 定 真 空 值 为 一0 ．1 0 MP a并 存 放 在 DB 1 ． D B W2中， 故 D B 1 ． D B W2 一一1 0 ， 对应值放在 DB 1 ． DB W4中， 则 在 P L C上做 如下计算 DB 1 ． DBW 2 2 7 6 4 8 ／ 1 0 0 一DB1 ． DBW 4 D B 1 ． DB W4即 为 P L C 中 对 应 一 0 ．1 0 MP a 的值 。 3 界 面设计 根据 水泵 控 制过 程 ， 将 变 量分 别 引入 对 应 I ／ O 域 ， 设置各数据报警数值， 建立报警画面。对温度 、 电流 、 真空 、 压力 、 水位等 实时监测 ， 判断 流程完 整性 并累计其工作时间。HMI 主界面如图 9所示。 图 9 HMI 主 界 面 T P 1 7 7 A HMI 画 面采 用 Wi n C C F l e x i b l e软 件 设计 ， 在组态 时可将 Wi n C C F l e x i b l e与 S e t p 7集 成 ， 这样可 以使用 S I MAT I C管理器作为 中心来创 建 、 处理 以及 管 理 S t e p 7和 Wi n C C F l e x i b l e项 目。 当创建wi n C C F l e x i b l e 项 目时， P L C的通信 参数被 第 1 1期 2 0 0 9年 1 1 月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n N0 ． 1 1 NO V ．2 0 0 9 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 1 1 --0 0 8 7 0 4 矿用低功耗存储型数字压力计的设计与实现 王成 义 ， 崔建 明。 ， 郭 秀梅 1 ． 山东农业大学信息科学与工程学院， 山东 泰安2 7 1 0 1 8 ； 2 ． 山东科技大学信息科学与工程学院， 山东 青岛2 6 6 5 1 0 摘要 介 绍 了一种低 功耗矿用数 字压力计 的设计 方 法， 详 细阐述 了数 字压力计 的 工作原 理 、 硬 件 电路及 软件的低功耗设计。该压力计通过选用集成度高、 低功耗的微控制器， 对各部分电路进行电源管理以及软件 的低功耗设计 ， 降低了整机功耗， 延长了电池的寿命 。 关键词 矿 用数 字压 力计 ； 数 据处理 ；存储 ；显示 ； 低 功耗 ；电源 管理 中图分 类号 T D 3 2 6 文献标识码 B De s i g n o f M i n e u s e d Di gi t a l Pr e s s ur e M e t e r wi t h Lo w‘‘ p o we r a n d St o r a g e a n d I t s I mp l e me n t a t i o n W ANG Ch e n g Yi ， CUI J i a n Mi n g ， GUO Xi u Me i 1 。 Sc ho o l of I n f o r ma t i o n Sc i e n c e a n d En g i ne e r i n g o f S ha n d on g Agr i c u l t u r a l Un i v e r s i t y Ta i a n 27 1 01 8，Chi n a．2． Sc ho o l o f I n f o r ma t i on Sc i e n c e a nd En gi ne e r i n g o f S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Qi n g d a o 2 6 6 5 1 0 ，C h i n a Ab s t r a c t The pa pe r i n t r o du c e d a d e s i g n me t h o d o f mi n e - us e d d i g i t a l p r e s s u r e me t e r wi t h l o w- p o we r a n d s t o r a g e ，a n d d e s c r i b e d wo r k i n g p r i n c i p l e ，l o w p o we r d e s i g n o f h a r d wa r e c i r c u i t a n d s o f t wa r e o f t h e me t e r i n d e t a i l s．The me t e r s u c c e s s f ul l y r e d u c e s p o we r c o ns u m p t i on of t h e wh ol e c i r c u i t t hr o u gh s e l e c t i o n o f hi g h i n t e gr a t i on a n d l o w po we r mi c r oc o nt r o l l e r ，ma na gi ng p o we r s u pp l y of e v e r y c i r c u i t a nd l o w p o we r s o f t wa r e d e s i g n ，wh i c h p r o l o n g s t h e l i f e o f b a t t e r y． 收稿日期 2 0 0 9 0 7 1 2 作者简介 王成 义 1 9 7 0 一 ， 男 ， 硕 士， 副教授 ， 1 9 9 8年毕业 于 山东科技大学， 研究方向为自动控制 、 检测技术 、 嵌入式系统的应用， 已发表文章十余篇 。E ma i l c y wa n g s d a u ． e d u ． c n 预分配 ， 当S t e p 7 中发生更改 时将 在 Wi n C C F l e x i b l e 中 自动更新 参数 。在 S t e p 7集成 期 间 ， 由系统创 建 的连接参数、 网络参数和 HMI 及 P L C参数被预先 分配， 利于程序下载和集中管理 ， 防止地址冲突。 4结语 在实际应用中， 将触摸屏用于水泵控制装置中 获 得了用 户的广泛好 评 。触摸屏 能清晰直观地 反映 设备实时运行情况 ， 同时更加方便现场工作人员在 出现故障时查找故障并在第一时间排除故障， 从而 保证了生产的正常运行 ， 提高了水泵控制系统的可 靠性 。 自投运 以来 ， 该 装髭运行稳 定可靠 ， 实现了可 靠 的实 时数据监控 。 参考文献 E 1 3 廖常初． S 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技 术E M] ． 北京 机械 工业 出版社， 2 0 0 8 ． E 2 3 廖常初． 西门子 人机 界 面 触 摸屏 组 态 与应 用技 术 E M] ． 2版． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 西门子 中国 有 限公 司． 深入 浅 出西 门子人 机界 面 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 9 ． E 4 ] 薛迎成． P L C与触 摸屏控 制[ M] ． 北京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ] 李方园． 人机 界面 设计 与 应 用 [ M3 ． 北京 化学 工 业 出版社 ， 2 0 0 8 ．