PLC和HMI在三並聯冷庫控制系統中的應用

隨著我國經濟的快速發展，全國各地區的冷庫也逐漸增多。不過當前仍然有很多冷庫採用傳統的繼電接觸器控制系統，這種控制方法採用純硬體接線來實現各種控制邏輯，接線比較複雜、功率損耗高、工作可靠性差、使用壽命短，而且其通用性、靈活性較低。可編程控制器(以下簡稱PLC)自產生以來，就以其編程簡單、可靠性高、通用性好、功能強大、開發周期短、體積小、使用方便等優點，逐步在各行業，尤其在工控領域獲得了廣泛的應用。本文介紹了omron公司較新的PLC產品和台達的人機界面(Human-Machine Interface，以下簡稱HMI)產品在冷庫控制系統中的應用。採用PLC和HMI,以軟體編程代替多數硬體接線，以人機對話代替大多死板的硬體邏輯，使冷庫的控制和運行達到了較理想的效果，有利於大大減輕工人的勞動強度，使控制系統更可靠、更經濟、更人性化。

2 三並聯冷庫系統的控制要求

2.1 單台壓縮機的啟動停止過程

三並聯冷庫的控制的核心是對壓縮機的控制，系統使用了三台同規格同型號的壓縮機。壓縮機的啟動停止過程。

單台壓縮機啟動停止過程

壓縮機的啟動台數可預先由HMI設定，可以只啟動一台，可以是兩台，也可三台均啟動。兩台或三台壓縮機的啟動間隔時間為5s。啟動時，運行時間的最短的壓縮機優先啟動，運行時間最長的壓縮機最後啟動，見圖2。另外在運行過程中，壓縮機因壓力降低而逐漸按壓力設定值停機后，又可按壓力回升的情況逐漸恢復啟動。

2.2 冷庫系統的啟動和停機控制要求

三台壓縮機的停機有按時間方式停機，也有按壓力方式停機。按時間停機各台之間也間隔5s，運行時間最長的壓縮機優先停機，運行時間最短的壓縮機最後停機;按壓力停機時，停第一台、停第二台和停第三台的停機壓力設定值依次降低，按壓力停機的回氣壓力值可預先由HMI設定。

三台壓縮機按設定壓力值啟動停機過程

按回氣壓力停機時，各壓縮機之間並非間隔5s停機，而是按壓力下降至設定值時逐步停機。當系統在未關斷水泵、冷凝風扇及壓縮機模塊電源前，回氣壓力回升至啟動壓力值時，會重新啟動壓縮機。三台壓縮機都可以單獨急停，也可單獨複位啟動。

2.3 冷庫系統的保護環節及故障的控制要求

系統的模擬量、開關量保護優先順序別分為兩級,具體敘述如下：

一級模擬量：高壓保護壓力設定為19bar，範圍為0～30bar;低壓壓力保護設定為-0.5bar，範圍是-0.65～10bar(壓力值通過HMI設定);

一級開關量：蒸發冷水泵過載、油位故障、水流量開關故障，三台壓縮機均不得啟動，若在運行中發生上述故障，三台壓縮機全部停機，HMI上顯示故障內容;

二級開關量：1#～3#空開跳脫、高壓控制開關、低壓控制開關、壓縮機過載、保護模塊故障、油流量不足以及油壓差故障。

系統發生故障后，HMI可顯示並查詢故障內容，且有報警輸出。HMI可消音停止報警。

HMI上的故障及報警顯示

冷庫系統的故障分為一級故障和二級故障。一級故障出現后，三台壓縮機全停，延時30s，25%電磁閥也全部斷電。此時系統並未全停，直到按下屏幕停止按鈕后延時30s才將蒸發冷水泵、蒸發冷風機及壓縮機模塊電源全部斷電。若在按下屏幕停止按鈕前，一級故障已經修復，則可用屏幕上的一級故障複位按鈕使壓縮機重新按時間順序依次投入運行。

壓縮機一級故障停機過程

二級故障一旦出現，則停相應的壓縮機，其它壓縮機繼續工作，等出現的故障修復后，所停的壓縮機也可通過二級故障複位按鈕自動參與運行。

壓縮機二級故障停機過程

2.4 油泵及冷凝風扇的啟動和停機控制要求

油泵的啟動須在有壓縮機啟動主交流接觸器工作後方可啟動，即只要有任意一台壓縮機的主接觸器得電動作了，油泵就會啟動。在油泵允許啟動的條件下，油泵的啟動和停止由系統的高壓排氣壓力決定，控制要求。

油泵的啟動和停止

蒸發冷凝風扇的電機為雙速電機：10級和12級。兩級之間應互鎖，蒸發冷凝風扇的控制要求見圖8。

蒸發冷凝風扇的啟動和停止

蒸發冷凝風扇和油泵在系統啟動后，即按下屏幕啟動鍵后，開始檢測系統高壓排氣壓力，各壓力值均可根據需要在HMI中設定。圖中為默認設定好各壓力值時的情形。

系統的模擬量就是回氣壓力(低壓)和排氣壓力(高壓)，通過壓力的變化來間接反映溫度的變化。分別由兩個壓力感測器來檢測。其中壓力感測器1(規格為-0.65～10bar、2.93～20mA)用於檢測低壓回氣壓力，控制壓縮機的啟動和停止;壓力感測器2(規格為0～30bar、4～20mA)用於檢測高壓排氣壓力，控制蒸發冷風機和油泵的啟動和停止。

2.5 其它控制要求

控制系統要求HMI顯示和設定系統工作的日期、星期和時間;要求HMI能具體顯示各輸出設備的狀態，並簡單動畫演示壓縮機是否工作和動態顯示壓縮機工作時間;要求HMI實時顯示系統的低壓回氣壓力和高壓排氣壓力值;要求HMI能詳細顯示故障信息並方便查詢故障;要求系統需要設定的壓力值和時間值都可通過HMI設定。

考慮到最終用戶在拿到並使用產品后，可能未按期如數支付貨款，產品要求還具有「設定和取消使用期限限制」的功能。若用戶未能一次付清貨款，可設定產品使用期限，等用戶支付完貨款后又可取消限制。

控制系統所需要的PLC的輸入輸出總點數見表1：

表1 控制系統需要的輸入輸出

3 PLC的選用及程序設計

3.1 PLC的選用

根據以上控制要求，分析控制系統需要的開關量輸入輸出點數和模擬量輸入點數，可以看出，所選用的PLC需要有32個以上開關量輸入點、32個以上開關量輸出點、2個以上模擬量輸入點。因此可考慮選用OMRON公司CP系列的CP1H-XA40CDR-A型PLC。

　 OMRON CP1H-XA40CDR-A型PLC CPU單元[1]

該CPU單元內置輸入24點、輸出16點;內置模擬電壓/電流輸入4點，模擬電壓/電流輸出2點;通過擴展CPM1A系列的擴展I/O單元，CP1H整體可以達到最大320點的開關量輸入輸出。採用該型號PLC實現三並聯冷庫控制，只需要再購買兩塊符合控制點數要求的CPM1A系列的擴展I/O單元(可選CPM1A-20EDR和CPM1A-16ER或者選CPM1A-20EDR和CPM1A-8ER兩個數字量混合輸入輸出擴展單元，見圖10)外，不需要另外購買其它PLC特殊模塊(如單獨的模擬量模塊)。這樣，系統控制功能的實現更加經濟、簡潔、方便。

CP1H CPU單元和CPM1A系列擴展I/O單元的連接[1]

3.2 PLC I/O地址分配

PLC確定好以後，根據控制系統所需要的開關量輸入輸出點進行編號，見表2。

表2 三並聯冷庫控制系統CP1H PLC I/O 定義及編號表
3.3 PLC內建模擬量的預設

PLC內建模擬量的讀取必須先在PLC CPU單元以及CX-Programmer編程軟體中進行預設，否則控制程序無法按要求正常運行。以下是關於內建模擬量的預設情況。

首先，根據控制系統選用的壓力感測器的規格要求(壓力感測器1規格為-0.65～10bar、2.93～20mA;壓力感測器2規格為0～30bar、4～20mA)，將內置模擬量輸入切換開關均設為ON，即電流輸入(實際使用時只需使用模擬輸入1和模擬輸入2兩路)。然後，在CX-Progammer編程軟體中選定各模擬量的量程為0～20mA，設定內建模擬量的解析度為6000或12000，本控制程序設為6000。需要注意的是：編程軟體需要CX-Programmer6.1及以上版本方可適用於omron CP1H型PLC。

　 CP1H-XA40CDR-A型內置模擬輸入切換開關的設定[1]
CP1H-XA40CDR-A型PLC內建模擬量在CX-Programmer中的設定[2]　
CX-Programmer Version6.1 啟動畫面[3]

3.4 PLC的控制程序設計

PLC的控制程序主要有：模擬量採集與比較程序、壓縮機工作時間統計與比較程序、一級故障和二級故障檢測、報警與故障停機程序、冷庫系統及壓縮機正常啟動程序和正常停止程序、壓縮機運行動畫顯示程序以及系統加密違約限制程序等，其中有些程序需要結合HMI方能更方便地加以實現。

三並聯冷庫控制系統PLC控制程序各個程序段統計[3]

為了更容易分析、理解、檢索和修改編製的程序，需要對程序中用到的大多PLC內部軟繼電器進行編號和定義，同時還需要對程序中用到的定時器或計數器，尤其是HMI中需要設定數值的定時器進行編號和定義。

4 程序設計

4.1 模擬量採集程序的設計

冷庫系統中，溫度的變化是由系統壓力來反映的。控制系統中兩個壓力感測器正是為了採集系統高壓排氣壓力和低壓回氣(吸氣)壓力的，感測器將實際壓力轉換成電流值送給PLC，PLC內建的模擬量模塊則可以將電流值(預設為0～20mA)轉換成PLC能處理的數字信號 [4]。為低壓模擬量採集部分程序。

低壓模擬量採集部分程序

4.2 壓縮機累計工作時間計時程序的設計

冷庫系統中三台壓縮機在工作一段時間后，工作時間並不是都一樣的，因為有時是三台都工作，有時可能是只有兩台或一台工作。為了儘可能使三台壓縮機使用壽命一致，其工作時間也應該儘可能始終都接近。這就要求壓縮機在工作過程中，控制程序能對壓縮機的工作情況進行計時，計時的目的是為了讓程序知道哪台壓縮機工作時間最長，哪台工作時間最短。最短的在啟動時優先投入工作，最長的則在停機時優先停止工作。為壓縮機1工作時間計時部分程序。

壓縮機1工作時間計時部分程序

4.3 壓縮機故障診斷與控制程序的設計

系統的故障分為一級故障和二級故障，一級故障針對整個冷庫系統，二級故障則只針對相應壓縮機。

一級故障中，油位故障和水流量開關故障的工作情況較特殊。油位故障發生時並不立即產生一級故障，而是延時一定時間后產生一級故障，延時時間由HMI設定。

油位開關故障產生一級故障程序

水流量開關跟隨冷凝水泵一起工作，其原始狀態為常開，隨著水泵工作后也跟隨閉合，水泵打開也跟隨打開，若不隨水泵工作而動作則視為故障，故障超時后產生一級故障，超時時間也由HMI設定。

水流量開關故障產生一級故障程序

4.4 PLC內置電池電量不足的處理

PLC具有掉電保持功能的內部軟元件靠內置電池來保存數據，內置電池一旦虧電，則不能保證數據被正確保存。因此在PLC內置電量不足時，需要程序能準確判斷出，並提出要求更換PLC內置電池。判斷程序見圖19。判斷結果由HMI顯示出來。

PLC內置電池電量過低程序

PLC內置電池的更換不需要拆卸PLC，只要將PLC左上角的電池蓋板掀開，就可清晰看到安裝電池的位置，電池更換示意圖。

CP1H PLC更換電池示意圖[1]

4.5 允許壓縮機運行工作台數的程序設計

冷庫系統需要幾台壓縮機參與工作，可以預先在HMI上設定好，然後再啟動系統，系統就按照預設的壓縮機台數工作。其梯形圖程序部分見圖21。

壓縮機運行台數設定梯形圖程序

4.6 壓縮機工作狀態轉換子程序設計

三台壓縮機除了啟動時刻不同外，其動作過程完全相同。根據單台壓縮機的動作過程採用SFC法編製相應的狀態轉換梯形圖作為子程序[5]，以便需要時隨時調用。是壓縮機2的狀態轉換子程序。

壓縮機2狀態轉換子程序

一旦調用壓縮機狀態轉換子程序，則對應壓縮機按照狀態轉換執行相應動作，其動作部分的梯形圖程序在子程序外另編。

4.7 壓縮機運行動畫顯示PLC控制程序的設計

由於採用了HMI，壓縮機運行狀態可以實現動畫顯示，其動畫顯示的原理和網上的FLASH動畫顯示原理相似，是多個HMI做出的畫面在較短的時間交替循環顯示，以呈現出視覺上的動畫效果。壓縮機的動畫效果可以用PLC梯形圖程序和HMI組態程序相結合的方法實現。是壓縮機3動畫顯示的PLC梯形圖程序部分。由於HMI本身就可在數據WORD的狀態圖顯示中設定狀態總數，並且可自動按設定時間移位，故PLC梯形圖程序中無需使用定時器及移位指令。

壓縮機3動畫顯示的PLC梯形圖程序部分

4.8 限期使用加密程序的設計

按控制要求，系統還需具有設定和解除限期使用的功能。這主要是為了防止用戶未能按期支付產品全部款項，並且無限期拖延支付。這種情況下，只有通過付款期限到時，限制用戶正常使用本產品的方法來解決。本冷庫控制系統在用戶使用一定時間后，若沒有按時支付產品全部款項，則冷庫系統自動停止工作，直到解除限期使用設定才會恢復工作。本控制系統通過PLC和HMI共同實現這樣的限制功能。PLC梯形圖程序部分。

限期使用加密功能PLC梯形圖程序部分

5 HMI的選用及組態軟體的設計

控制系統要求有人性化的使用界面，要求有美觀的圖形顯示控制過程及運行狀態，有詳細的故障診斷及報警顯示，有工作時間的具體顯示，甚至還要求部分的動畫顯示……，怎麼辦呢?其實，只要選用適合的人機界面(也稱觸摸屏，常簡稱HMI)產品，並編出相應的組態程序，就能滿足這樣的要求。

5.1 HMI產品選用

本系統選用台達的DOP-A80THTD1型HMI,該HMI採用8寸TFT65536彩色顯示器，其提供的軟元件較豐富，功能完全夠用。其對應的人機編輯軟體Screen Editor簡單易用，能圓滿實現控制系統所提的各種控制或其它要求。

台達DOP系列HMI[6]

5.2 HMI組態軟體的設計

通過台達HMI設計的三並聯冷庫控制系統的組態軟體包含7個組態畫面，分別是：主界面、故障顯示、歷史記錄、用戶設置、狀態查詢、歷史與當前故障明細和壓縮機工作時間查詢界面,這些畫面中設計的功能基本包含系統所要求的各種控制和需要。

(1) 主界面的設計

主界面窗口包含按鈕操作區、工作狀態顯示區(動畫顯示三台壓縮機工作情況)、環境狀態顯示區(顯示系統高壓排氣壓力和低壓回氣壓力)以及日期時間顯示等區域。畫面中還隱含了一些報警顯示區(正常時不顯示)和特殊功能按鈕。主界面中共有14個按鈕和其它狀態顯示區。

「上鎖」和「開鎖」按鈕是兩個隱藏按鈕。上鎖的目的主要是為了防止非系統正式用戶的誤操作或惡意操作給系統帶來的損害或產生不可預測的結果,。

上鎖后的主界面