基于s7—200的小型PLC控制系統(tǒng)改造

摘 要：該文結(jié)合實(shí)際工況，采用s7-200系列小型PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)改造。

關(guān)鍵詞：PLC 控制系統(tǒng) s7-200

中圖分類號(hào)：TG581文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（b）-0108-02

目前，自控行業(yè)主推的控制系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)，該類系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是分散控制、集中管理。清河污水處理廠整體也采用了這類的控制系統(tǒng)。而像移動(dòng)式除砂機(jī)這樣的分布式智能從站也應(yīng)有如下主流的功能特點(diǎn)：獨(dú)立PLC程序、完善的監(jiān)控系統(tǒng)及故障報(bào)警系統(tǒng)、組態(tài)靈活、可靠性高、操作方便等。顯然，清河廠的移動(dòng)式除砂機(jī)自控系統(tǒng)和主流的分布式從站系統(tǒng)還相差較遠(yuǎn)，需改進(jìn)。

因此，本次自控系統(tǒng)開發(fā)的主要內(nèi)容是：（1）電氣自控系統(tǒng)，報(bào)警停機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（2）程序編寫。（3）自控制圖。（4）更換元件，接線、施工、配電箱改造等。

1 可行性研究及效益分析

該系統(tǒng)的研發(fā)主要分為兩方面，一是PLC硬件更換、梯形圖程序重新編寫，二是狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開發(fā)。

目前S7—200系列PLC已在工控行業(yè)廣泛應(yīng)用，其特點(diǎn)是：實(shí)用性強(qiáng)、編程方便、指令功能強(qiáng)大 、結(jié)構(gòu)緊湊 、擴(kuò)展性良好 、價(jià)格低廉、更換方便完全適應(yīng)該設(shè)備的運(yùn)行需要，同時(shí)提供了相對(duì)的可靠性和適應(yīng)性。基于s7-200的tp、op監(jiān)控、診斷系統(tǒng)相關(guān)軟硬件也早已技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于小型自動(dòng)化系統(tǒng)中。

預(yù)計(jì)該項(xiàng)目的完后主要有如下效益：

（1）優(yōu)化控制，降低故障率。

（2）節(jié)約采購、維修成本。

（3）提高故障排除效率，節(jié)約人力成本。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

移動(dòng)式除砂機(jī)安裝在曝氣沉砂池上，曝氣沉砂池的功能是去除污水中比重較大，易沉淀分離的顆粒物質(zhì)。這些物質(zhì)如果進(jìn)入后面的構(gòu)筑物和管道，將給污水廠的運(yùn)轉(zhuǎn)造成困難，并使設(shè)備過度磨損。同時(shí)，又不希望有機(jī)污泥和砂礫一道沉淀，使沉砂難于處置。另外還有一個(gè)功能，就是在除砂的同時(shí)進(jìn)一步去除水中含油物質(zhì)。

移動(dòng)式除砂機(jī)上的氣提泵、空壓機(jī)、電磁閥等設(shè)備由成套的就地控制箱控制。吸砂橋沿池往返運(yùn)行，24 h連續(xù)工作。吸砂橋的等待位置在進(jìn)水側(cè)，啟動(dòng)后從等待的位置出發(fā)，任何時(shí)候停車都會(huì)自動(dòng)返回等待位置。當(dāng)發(fā)出開機(jī)指令，吸砂橋的刮浮渣板處于下降位置，橋以1.1 m/min的速度有進(jìn)水側(cè)向出水側(cè)運(yùn)動(dòng)。到達(dá)出水側(cè)，停留一定時(shí)間，刮浮渣板高抬，橋折返向進(jìn)水側(cè)以1.1 m/min運(yùn)動(dòng)，最后到達(dá)等待位置，停留一定時(shí)間。完成了一個(gè)周期的運(yùn)行，接著再開始下一個(gè)周期。

在吸砂橋運(yùn)行過程中，橋上的空壓機(jī)連續(xù)工作，氣提泵將池底的沉砂混合液氣提到池旁的出砂槽中，然后自流進(jìn)行2個(gè)獨(dú)立砂泵井，將含水砂提升進(jìn)入位于洗砂間的砂水分離器。在自控條件下，除砂泵與除砂橋聯(lián)動(dòng)，并受安裝在除砂池內(nèi)的浮球液位開關(guān)控制和保護(hù)。吸砂橋從進(jìn)水側(cè)運(yùn)行時(shí)，下降的刮浮渣板將池表面的浮渣刮向向下游，進(jìn)入出水側(cè)的浮渣槽，進(jìn)入浮渣井。井中的浮渣由浮渣車定期抽送至廠外處置。

沉砂池出砂經(jīng)出砂槽進(jìn)入洗砂車間內(nèi)的2臺(tái)無軸螺旋式洗砂機(jī)。洗砂機(jī)與吸砂橋車聯(lián)動(dòng)將砂和水分離，出砂進(jìn)入砂斗外運(yùn)，水溢流入廠區(qū)污水管道。在自動(dòng)控制條件下，砂水分離器與砂泵井內(nèi)的除砂泵連鎖運(yùn)行。其工作狀態(tài)和故障信號(hào)送入PLC。

控制原理：當(dāng)工作人員進(jìn)入移動(dòng)式除沙機(jī)，確認(rèn)機(jī)械電氣設(shè)備完好正常時(shí)開啟總電源開關(guān)Q101三相電源供電，主回路得電，電源指示燈亮起，再合上操作回路電源開關(guān)F101、F102、F103、F104使操作部分得電，同時(shí)PLC得電。

PLC上電后，馬上自檢，檢測是否有故障或報(bào)警，若出現(xiàn)上述情況，Q0.4報(bào)警燈開始閃爍。如無故障，當(dāng)工作人員選擇到自動(dòng)位置時(shí)。PLC輸入通道I0.1得電動(dòng)作，程序中自動(dòng)運(yùn)行程序塊開始執(zhí)行，正轉(zhuǎn)輸出通道Q0.0吸合，由電氣原理圖可知，這時(shí)接觸器KM1線圈得電KM1常開觸點(diǎn)變常閉，行走電機(jī)得電，電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)KM1另一對(duì)輔助接點(diǎn)的常開接點(diǎn)變成常閉接點(diǎn)得電供給卷線軸電機(jī)，接觸器線圈得電吸合卷線軸電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)開始卷線軸動(dòng)拖攬動(dòng)作，同時(shí)除砂的鼓風(fēng)機(jī)接觸器線圈得電，鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)開始工作，除砂工作開始進(jìn)行。

當(dāng)行駛到一端的行程限位點(diǎn)時(shí)，光電感應(yīng)限位開關(guān)SP1常開變常閉，PLC輸入通道I0.5得電，PLC收到到達(dá)限位信號(hào)，外部正傳接觸器線圈失電斷開，同時(shí)卷軸電機(jī)接觸器失電斷開，鼓風(fēng)機(jī)接觸器失電斷開，卷軸電機(jī)停止工作，鼓風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，PLC內(nèi)部定時(shí)器T37得電并保持180 s后線圈動(dòng)作，執(zhí)行反轉(zhuǎn)程序段，反轉(zhuǎn)輸出通道Q0.1吸合，給外部反轉(zhuǎn)接觸器線圈KM2送電，反轉(zhuǎn)接觸器KM2得電吸合，行走電機(jī)開始反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)反轉(zhuǎn)接觸器的輔助接點(diǎn)常開變常閉卷軸接觸器吸合開始卷線，鼓風(fēng)機(jī)接觸器得電，鼓風(fēng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。與正轉(zhuǎn)相同，等到達(dá)另一限位位置接近開關(guān)SP2常開變常閉，PLC收到到達(dá)限位信號(hào)，外部正傳接觸器線圈失電斷開，同時(shí)卷軸電機(jī)接觸器失電斷開，鼓風(fēng)機(jī)接觸器失電斷開，卷軸電機(jī)停止工作，鼓風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。PLC內(nèi)部定時(shí)器T38得電并保持30 s后線圈動(dòng)作，使得程序又開始執(zhí)行正轉(zhuǎn)程序段，如此交替運(yùn)行。

程序設(shè)有多重保護(hù)，如KM1、KM2的互鎖、限位開關(guān)故障報(bào)警、脈沖傳感器防啃軌報(bào)警、鼓風(fēng)機(jī)報(bào)警、非正常停機(jī)報(bào)警等。保證當(dāng)出現(xiàn)上述等故障時(shí)，能及時(shí)報(bào)警停機(jī)，避免設(shè)備故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于s7-200CPU224的小型PLC，采用西門子Step7-Micro/win進(jìn)行設(shè)計(jì)編程，以下是具體步驟。

2.2.1 根據(jù)控制要求確定符號(hào)表及PLC點(diǎn)號(hào)表

首先在軟件中確定PLC中的符號(hào)及地址表如表1。

2.2.2 運(yùn)行控制程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制流程較為簡單，左行、右行分別與空壓機(jī)運(yùn)行連鎖，上電后PLC系統(tǒng)首先自檢，當(dāng)無報(bào)警時(shí)，手自動(dòng)操作有效，可正常啟停設(shè)備。根據(jù)運(yùn)行及設(shè)計(jì)需求參照符號(hào)地址表開始編寫程序如下：系統(tǒng)自檢、自動(dòng)運(yùn)行控制、手動(dòng)運(yùn)行控制程序段。

2.2.3 故障停機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

故障停機(jī)系統(tǒng)，是設(shè)計(jì)編程的重點(diǎn)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或運(yùn)行于非正常狀態(tài)，故障停機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)，將設(shè)備停下來并發(fā)出報(bào)警信息將故障損失降低到最小，是至關(guān)重要的。故障停機(jī)程序編寫如下：報(bào)警停機(jī)實(shí)現(xiàn)、急停報(bào)警、接觸器故障報(bào)警、限位開關(guān)故障報(bào)警、非正常停機(jī)報(bào)警、脈沖報(bào)信報(bào)警。

2.3 系統(tǒng)整體測試及施工

編程及WinCC系統(tǒng)完成后，采取車間內(nèi)整體調(diào)試好后，再配電箱整體更換的辦法，保證停機(jī)時(shí)間低于4 h，不影響工藝運(yùn)行。

在車間內(nèi)調(diào)試時(shí)，將配電箱組裝好，將PLC及各電器元件在柜內(nèi)安裝完畢，配線完畢，臨時(shí)接上限位開關(guān)、脈沖傳感器、連入筆記本電腦模擬上位機(jī)，進(jìn)行系統(tǒng)整體模擬測試。首先模擬設(shè)備正常運(yùn)行過程，測試結(jié)果正常，無論手動(dòng)、自動(dòng)設(shè)備均能按照設(shè)計(jì)流程進(jìn)行工作。之后進(jìn)行了故障模擬及診斷系統(tǒng)測試，模擬各種故障測試系統(tǒng)是否能夠及時(shí)停機(jī)保護(hù)及故障診斷系統(tǒng)是否能準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)，效果也較好，當(dāng)發(fā)生故障且不能自動(dòng)復(fù)位的時(shí)候，系統(tǒng)能立即停機(jī)并且在診斷系統(tǒng)通能進(jìn)行常規(guī)故障的診斷，給予檢修人員必要的信息。

測試完畢后，在現(xiàn)場進(jìn)行了施工，將現(xiàn)場配電箱整體進(jìn)行了更換，新的控制系統(tǒng)在安裝后運(yùn)行良好，故障率大大降低，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化控制系統(tǒng)，提高設(shè)備可靠性的目的。

3 結(jié)語

本次目標(biāo)是通過自控改造更新清河污水處理廠移動(dòng)式除砂機(jī)自控系統(tǒng)，克服以往系統(tǒng)的弊端?？傮w看來，系統(tǒng)具有如下優(yōu)越性：

（1）將智能繼電器更換為西門子PLC，硬件故障率大大降低。

（2）重新編寫了控制程序，使設(shè)備運(yùn)行更符合現(xiàn)場實(shí)際且更滿足工藝需要。

（3）在程序中加入大量停機(jī)保護(hù)措施，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)停機(jī)，避免損失擴(kuò)大。

（4）整體更換了電氣、自控系統(tǒng)，更換了全新的電氣元件，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性。

（5）所有設(shè)計(jì)、編程、制圖、施工自主完成節(jié)約了資金。

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