基于S7—200PLC的達岱砂石料加工系統(tǒng)

賈茜

摘要：砂石料加工系統(tǒng)將自動化技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)整個加工過程的自動控制。該文主要介紹了砂石料加工系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝和系統(tǒng)控制要求，本系統(tǒng)下位機采用西門子公司S7-200 PLC，文章主要就系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、PLC硬件配置、軟件設(shè)計進行討論，上位機監(jiān)控界面采用WinCC flexible 2007，實現(xiàn)了砂石料加工的遠程監(jiān)控和自動控制。生產(chǎn)運行效果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，管控實現(xiàn)了一體化，企業(yè)的經(jīng)濟效益得以提高。

關(guān)鍵詞：PLC；砂石料加工；自動控制；WinCC flexible

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）03-0228-02

達岱砂石料加工系統(tǒng)由于工作環(huán)境惡劣，對可靠性、安全性要求較高，并以邏輯控制為主，按照現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的實際要求，遵循先進、可靠、易擴展維護的原則，系統(tǒng)以可編程控制器西門子S7-200PLC作為現(xiàn)場控制中心，連接現(xiàn)場各控制對象。上位機使用以西門子MP277觸摸屏作為人機交互界面，監(jiān)視各設(shè)備的運行情況，并進行控制。系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、處理及邏輯控制，系統(tǒng)中電機起/停、電動機的主回路控制、各種保護、指示、手動干預(yù)功能、PLC與外部輸入開關(guān)/輸出執(zhí)行元件的連接等功能。

1 系統(tǒng)概況

整個砂石料加工系統(tǒng)主要設(shè)備分為破碎設(shè)備、篩分及分級設(shè)備、給料設(shè)備、輸送設(shè)備和其他。其中破碎設(shè)備有鄂式破碎機、高速立式?jīng)_擊破、反擊破各一臺，篩分及分級設(shè)備由三個圓振動篩組成，給料設(shè)備包括棒條給料機一臺和自同步慣性給料機二十臺，輸送設(shè)備是皮帶輸送機（俗稱皮帶），其中1000m的一條，800m的五條，650m的十條，另外還有兩臺電磁除鐵器。

該砂石料加工系統(tǒng)采用三段破碎工藝，系統(tǒng)處理能力為240t/h，生產(chǎn)能力為190t/h。整個工藝流程主要分為粗破和篩分兩個部分：

粗破部分：首先將采集回的原砂石料經(jīng)棒條給料機，通過皮帶輸送機送至鄂式破碎機。接著一部分砂石料再輸送到反擊破加工后，直接進入儲存量為兩萬立方米的半成品堆場；另一部分經(jīng)圓振動篩篩分后進入半成品堆場。最后這些半成品一部分再經(jīng)過自同步慣性給料機加工后由卡車運走，另一部分進入篩分車間。

篩分部分：將在粗破車間加工后的半成品再經(jīng)過兩臺圓振動篩和立式?jīng)_擊破的層層篩分與加工，經(jīng)由皮帶輸送機分別送至80-40mm、40-20mm、20-5mm和常態(tài)砂這四種成品粗骨料堆場中。

系統(tǒng)控制方式分為三種：現(xiàn)地控制（現(xiàn)場手動控制，具有最高優(yōu)先級別）、中控室手動控制（在中控室監(jiān)控畫面上手動控制）和上位機自動控制。根據(jù)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)安全要求，在中控室可對各控制單元實行自動操作控制，或下放控制權(quán)至各個操作站，決定對本控制單元實施遠程自動、手動控制或者不動作；或由操作站再下放控制權(quán)給現(xiàn)場操作箱，在現(xiàn)場對設(shè)備進行啟停操作。整個系統(tǒng)正常運行時，開、停機均采用PLC和計算機自動控制。操作工根據(jù)值班長的指示，選擇設(shè)備組的運行方式（運行期間也可根據(jù)生產(chǎn)的需要變更運行方式）。當(dāng)準(zhǔn)備運行時，上位機首先對該種運行方式下的設(shè)備監(jiān)控參數(shù)進行巡檢，若滿足設(shè)置要求時設(shè)備啟動，不滿足則發(fā)出報警信號要求系統(tǒng)處理，直到監(jiān)控參數(shù)滿足要求時方可啟動下一臺設(shè)備。操作工接到值班長的停機指令后，只需按下自動停機按鈕，計算機根據(jù)程序設(shè)置進行自動停機巡檢，完成停機控制。在砂石料加工系統(tǒng)的自動控制中，開、停機需遵循優(yōu)先啟動加工設(shè)備，后啟動皮帶運輸機的逆料流開機，順料流停機的原則：以給料機為首端，進料倉的皮帶運輸機為末端，開機時優(yōu)先啟動加工設(shè)備，后啟動末端的皮帶運輸機，延時后再按照程序設(shè)定開啟上一級皮帶機；停機時則相反，停機順序依次為給料機，皮帶運輸機，加工設(shè)備。

根據(jù)生產(chǎn)安全的要求，由于整個砂石料加工系統(tǒng)中主要設(shè)備單機功率都很大，18.5kw以上的設(shè)備需配置啟動柜，提供電源；30kw以上的配置啟動柜，由配電房直接供電，由控制臺直接輸出無源觸點進行控制。啟動方式采用自耦降壓起動，也就是利用自耦變壓器來降低加在電動機定子繞組上的啟動電壓，使得電機在啟動時電流不會太大，等電機啟動運行到一定轉(zhuǎn)速后，利用時間繼電器延時一定的時間后再全壓運行。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

達岱砂石料加工系統(tǒng)主要分為上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)。上位機使用的是西門子公司的WinCC flexible HMI設(shè)備MP277觸摸屏（兩臺），由于在工藝過程日趨復(fù)雜、對機器和設(shè)備功能的要求不斷增加的環(huán)境中，獲得最大的透明性對操作員來說至關(guān)重要。人機界面HMI提供了這種透明性。在270s的眾多系列里，多功能面板MP277代表了對270s的擴展，MP277具有多種應(yīng)用用途和良好的性價比，其配備的PROFIBUS接口可用于連接基于PROFINET的以太網(wǎng)接口，另外還有配有2個USB接口和多達64k顏色的TFT屏幕。在系統(tǒng)運行階段，上位機主要對整個工況進行實時監(jiān)控，完成對系統(tǒng)所有測點、電氣參數(shù)檢測、計算、報警記錄等，是整個系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理中心。并且上位機能對所有設(shè)備進行自動操作。

下位機系統(tǒng)主要由西門子公司S7-200可編程控制器（兩臺）作為監(jiān)控核心。充分利用了可編程控制器能夠適應(yīng)極其惡劣的工作環(huán)境，可靠性高，抗干擾能力強的特點，并且系統(tǒng)的安裝、調(diào)試工作量小，配置相應(yīng)的通訊接口便可與現(xiàn)場設(shè)備通訊。該部分主要是根據(jù)操作員設(shè)定的操作方式，來完成相對應(yīng)不同的功能。

該系統(tǒng)的數(shù)字量輸入信號主要有現(xiàn)地箱事故開關(guān)輸入信號、現(xiàn)地箱現(xiàn)地輸入信號、現(xiàn)地箱集控輸入信號、現(xiàn)地箱現(xiàn)地起停輸入信號168個，現(xiàn)地箱控制電源斷路器輸入信號42個，斷路器輸入信號14個，系統(tǒng)急停1個，全線警鈴1個，逆料啟動2個，順料停機2個，控制臺現(xiàn)地/集控轉(zhuǎn)換輸入信號4個。數(shù)字量輸出信號主要有設(shè)備起停輸出信號42個，事故開關(guān)輸出信號42個，現(xiàn)地箱電源斷路器分合指示輸出信號42個，允許啟動、系統(tǒng)停止、系統(tǒng)起動、閃光蜂鳴器、全線警鈴各2個。根據(jù)以上所述，在下表中給出S7-200PLC的硬件配置。

2.2 通訊方式選擇

S7-200 PLC支持多種通信協(xié)議，比如PPI（點對點接口）、MPI（多點接口）和PROFIBUS（現(xiàn)場總線）。這些協(xié)議都是基于七層開放系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI），并通過一個令牌環(huán)網(wǎng)來實現(xiàn)其功能。它們都是基于字符的異步通信協(xié)議，由起始位、八位數(shù)據(jù)、偶校驗和一個停止位組成。

達岱砂石料加工系統(tǒng)采用的是PPI（點對點接口），PPI是主/從協(xié)議，通信網(wǎng)絡(luò)中的S7-200 CPU都作為從站。編程站和HMI是通信網(wǎng)絡(luò)中的主站，在整個網(wǎng)絡(luò)中使用PPI多主站電纜，并且使用STEP 7-Micro/WIN提供給它的地址，兩臺S7-200PLC作為從站。S7-200CPU上有兩個端口，端口0作為編程口與編程計算機連接，端口1與觸摸屏通過PPI多主站電纜通訊，兩臺S7-200CPU之間也可以用網(wǎng)絡(luò)讀寫指令相互讀取數(shù)據(jù)（點對點通信）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為PLC控制程序設(shè)計和上位機監(jiān)控界面設(shè)計兩部分。

3.1 PLC控制程序設(shè)計

該設(shè)計部分是該系統(tǒng)的重要軟件設(shè)計部分，開發(fā)環(huán)境是西門子公司自動化產(chǎn)品系列 STEP7-Micro/WIN 4.0編程軟件，編程方式采用模塊式結(jié)構(gòu)，這種編程方式有效的增強了程序的可讀性，對后續(xù)的調(diào)試維護工作起到事半功倍的效果。

本系統(tǒng)程序主要分為：主程序、通訊子程序、系統(tǒng)條件判斷子程序、邏輯控制子程序以及保護功能子程序。系統(tǒng)條件判斷子程序流程圖如下所示。

圖1 系統(tǒng)條件判斷子程序流程圖

系統(tǒng)的邏輯控制子程序整個流程主要分為手動控制和自動控制。手動控制又分為軟手動與硬手動，在這里指的是軟手動控制，上位機觸摸屏與PLC通信，操作員通過監(jiān)控畫面遠程控制、管理生產(chǎn)過程；自動控制指的是根據(jù)上位機所給定的參數(shù)，自動控制現(xiàn)場設(shè)備的運行。

3.2 上位機監(jiān)控界面設(shè)計

上位機監(jiān)控組態(tài)軟件采用的是西門子WinCC flxible2007組態(tài)軟件進行設(shè)計，主要設(shè)計了起始界面、工藝流程界面、時間設(shè)置界面、數(shù)據(jù)查詢界面以及報警界面主要實現(xiàn)了工況、數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、報警的實時顯示，工藝參數(shù)的修改，報表的生成及打印，手動、自動控制的切換等功能。

其中工藝流程界面由粗破車間界面和篩分車間界面兩部分組成。在集控狀態(tài)下，整個界面可以清晰的動態(tài)顯示出各個設(shè)備起動或者停止的順序，即逆料起動、順料停機的原則；在現(xiàn)地狀態(tài)下，操作員通過設(shè)置參數(shù)來控制哪臺設(shè)備啟動或者停止，在界面中也是一目了然的。

時間設(shè)置界面是設(shè)置設(shè)備起動、停止延時時間的界面，每個設(shè)備通過設(shè)置一個int類型的變量與PLC程序中定時器的PT端口的變量連接，這樣就可以在上位機中設(shè)置時間通過PLC強大處理數(shù)據(jù)的能力去控制現(xiàn)場設(shè)備。

數(shù)據(jù)查詢界面主要包括了事故開關(guān)狀態(tài)、斷路器開合狀態(tài)、設(shè)備起停狀態(tài)以及遠程設(shè)備現(xiàn)地狀態(tài)，操作員可以通過這些狀態(tài)界面完全監(jiān)控整個現(xiàn)場。另外還有一個手動界面，操作員也可以操作各個設(shè)備所關(guān)聯(lián)的按鈕來手動控制現(xiàn)場設(shè)備的起停。

4 結(jié)束語

以S7-200PLC為核心，采用自帶的PPI接口組成小型PLC通訊網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控整個砂石料加工中各設(shè)備的起停、延時、事故狀態(tài)。通過人機交互界面，實現(xiàn)了操作過程的可視化，這種控制技術(shù)對于中小規(guī)模監(jiān)控場合，具有較大的推廣價值。

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