基于S7-300PLC的廢沙回收再生控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳寶江

（廣西春茂電氣自動化工程有限公司，廣西 南寧530000）

廢沙為鑄造固體廢棄物的主要成份，約占70%.廢沙的回收利用，不僅能提高資源的利用率，降低生產(chǎn)的成本，而且非常有利于環(huán)境保護(hù)。實(shí)踐證明，廢沙通過搓磨、除雜、高溫焙燒等工藝完全可以實(shí)現(xiàn)再生。

西門子S7-300 PLC為西門子公司中型PLC，其具有運(yùn)行可靠性高、組合靈活、功能強(qiáng)大和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛[1]。TP1200屬于西門子新一代HMI精致面板系列產(chǎn)品，精致面板系列產(chǎn)品具有分辨率高、多種下載方式、組態(tài)更方便、性價(jià)比更高等優(yōu)點(diǎn)。通過對工藝及設(shè)備的分析，選擇西門子S7-300 PLC作為生產(chǎn)線的核心控制器，選用西門子TP1200觸摸屏為主要監(jiān)控設(shè)備，基于TIA平臺開發(fā)出設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制軟件，TIA開發(fā)平臺具有界面友好、操作方便、組態(tài)效率高等優(yōu)點(diǎn)，十分有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)及縮短工程周期[2]。

1 工藝及主要設(shè)備簡介

鑄造廢沙回收再生生產(chǎn)線主要工藝流程為：前處理區(qū)廢沙、濾芯入料破碎、搓磨磁選除雜高溫焙燒冷卻再生。主要的工藝設(shè)備有圓磨破碎機(jī)、主線篩、磁選機(jī)、焙燒爐、沸騰冷卻床、沙庫等。

根據(jù)工藝及設(shè)備的分布，將整個(gè)生產(chǎn)線劃分為廢沙入料段、焙燒給料段、焙燒再生段。廢沙入料段主要功能：將廢沙、濾芯磨細(xì)除掉粗雜質(zhì)，并放入廢沙庫；焙燒給料段主要功能：將已破碎磨細(xì)的廢沙，通過直線篩、振動篩、磁選機(jī)等設(shè)備將雜質(zhì)清楚干凈，再送入焙燒爐。焙燒再生段主要功能：將廢沙進(jìn)行高溫焙燒再生。其中焙燒再生為正生產(chǎn)線的核心工藝，焙燒爐內(nèi)的溫度直接影響再生沙的品質(zhì)。焙燒爐主要靠燃燒天然氣來升溫，一共配有四套燒嘴，每套燒嘴均配有燒嘴控制器及閥門組件。

2 控制系統(tǒng)組成及主要功能

該生產(chǎn)線控制系統(tǒng)由控制柜及現(xiàn)場設(shè)備（如：接近開、熱電偶、壓力變送器、電磁閥、燒嘴控制器、燒嘴等）組成?？刂乒裰饕瓿涩F(xiàn)場設(shè)備信號采集、處理，實(shí)時(shí)動態(tài)顯示生產(chǎn)線的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，通過邏輯運(yùn)算控制現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行，診斷現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，自動生成故障報(bào)警信息，歸檔生產(chǎn)數(shù)據(jù)，自動生成生產(chǎn)報(bào)表，同時(shí)提供曲線功能。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及任務(wù)規(guī)劃

通過分析工藝的要求，設(shè)計(jì)了工藝控制流程圖；編寫了控制方案書，細(xì)化控制任務(wù)；分析主要設(shè)備功能，根據(jù)要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的電氣控制原理圖；根據(jù)電氣控制需求選擇PLC系統(tǒng)的IO模塊并進(jìn)行硬件組態(tài)，編寫控制程序；根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)線布局及操作需求，設(shè)計(jì)HMI畫面；單體設(shè)備調(diào)試，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，優(yōu)化控制程序；總結(jié)及整理項(xiàng)目存檔資料。

2.1.1 系統(tǒng)工藝

根據(jù)客戶提供的資料，對鑄造廢沙回收再生產(chǎn)線的工藝進(jìn)行深入的分析，對生產(chǎn)設(shè)備功能進(jìn)行深入的了解，經(jīng)過與客戶共同仔細(xì)的研究、討論，最終確定整個(gè)產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝流程。最終制定的工藝流程如圖1所示。

圖1 鑄造廢沙回收再生產(chǎn)線工藝流程圖

2.1.2 主要設(shè)備功能及控制

根據(jù)設(shè)備功能及控制任務(wù)，選擇相應(yīng)的控制方案，并設(shè)計(jì)電氣控制原理圖，主要設(shè)備及控制任務(wù)如表1.

表1 主要設(shè)備一覽表

2.1.3 整體控制方案設(shè)計(jì)

深入分析生產(chǎn)工藝流程圖以及主要設(shè)備的控制任務(wù)及聯(lián)鎖關(guān)系，選擇將整個(gè)生產(chǎn)線分段管理的控制方案。根據(jù)實(shí)際情況將產(chǎn)線劃分為廢沙入料段、焙燒給料段、焙燒再生段。根據(jù)生產(chǎn)線控制要求，PLC做為核心控制器完全滿足生產(chǎn)線控制要求。根據(jù)設(shè)備的控制任務(wù)及動作的特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的傳感器，并詳細(xì)列出詳細(xì)的I/O需求表，如表2系統(tǒng)I/O需求表，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

表2 控制系統(tǒng)IO需求表

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 PLC系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)對工藝及設(shè)備的分析，選用S7-300系列PLC中的S7-315 2PN/DP CPU作為核心控制器，S7-315 2PN/DP CPU集成有PROFIBUS DP接口及PROFINET接口，無需添加硬件就可以實(shí)現(xiàn)PROFIBUS DP、PROFINET通訊[3]。根據(jù)控制系統(tǒng)IO需要，系統(tǒng)硬件配置如表3所示，并設(shè)PLC系統(tǒng)電氣控制原理圖。

表3 控制系統(tǒng)硬件配置表

2.3 系統(tǒng)主要控制功能

控制系統(tǒng)軟件分為PLC程序和HMI監(jiān)控系統(tǒng)軟件兩部分，采用西門子TIA V13軟件進(jìn)行編程，PLC程序主要實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備控制、信號采集處理、故障診斷及報(bào)警輸出。HMI監(jiān)控軟件主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備、顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)顯示報(bào)警信息、歸檔和存儲生產(chǎn)線數(shù)據(jù)。系統(tǒng)控制流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

2.3.1 物料控制

物料控制為產(chǎn)線基礎(chǔ)控制功能，物料控制的依據(jù)是實(shí)時(shí)料位信號，沙庫的料位信號由料位器檢測；焙燒爐內(nèi)料位采用差壓變送器檢測。根據(jù)料位信號調(diào)整產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，通過改變變頻器運(yùn)行速度，調(diào)整焙燒爐進(jìn)沙出沙速度，保證產(chǎn)線在最高效率下運(yùn)行。如圖4所示。

圖4 焙燒爐料位控制功能圖

2.3.2 爐溫控制

爐溫控制為整個(gè)產(chǎn)線控制的核心功能，爐溫直接影響再生沙的品質(zhì)。使用四個(gè)熱電偶對爐內(nèi)溫度進(jìn)行檢測，采用四個(gè)熱電偶的平均值為當(dāng)前的平均爐溫，將平均爐溫與設(shè)定爐溫進(jìn)行PID運(yùn)算，PID運(yùn)算結(jié)果通過PROFIBUS DP傳送到燒嘴控制器，燒嘴控制器根據(jù)控制系統(tǒng)的給定量，調(diào)節(jié)燃?xì)忾y的開度，從而控制燒嘴火的大小，實(shí)現(xiàn)對爐內(nèi)溫度的控制。如圖5所示。

圖5 爐溫控制功能圖

2.3.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控

該系統(tǒng)采用TP1200面板配2GB的數(shù)據(jù)存儲卡，實(shí)時(shí)動態(tài)顯示生產(chǎn)線運(yùn)行狀況及歸檔存儲運(yùn)行的數(shù)據(jù)。HMI軟件使用TIA V13編程開發(fā)，HMI的主要功能有實(shí)時(shí)動態(tài)顯示生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、提供操作員操作設(shè)備的接口、設(shè)備故障報(bào)警信息提示、運(yùn)行數(shù)據(jù)的歸檔存儲。

3 實(shí)施效果

本項(xiàng)目已于2018年4月28日順利投產(chǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，功能豐富，產(chǎn)品質(zhì)量極高，得到了客戶非常高的評價(jià)，為后續(xù)的合作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該生產(chǎn)線所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如表4（熱法焙燒再生生產(chǎn)線達(dá)到技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表）。

表4 熱法焙燒再生生產(chǎn)線達(dá)到技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語

采用西門子TIA平臺軟件，開發(fā)S7-300 PLC控制系統(tǒng)項(xiàng)目，PLC程序與HMI程序融合程度非常高，變量連接方便快捷，且不容易出錯(cuò)。同時(shí)TIA平臺有十分強(qiáng)大的幫助系統(tǒng)，有助于提高編程調(diào)試的效率，縮短系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間。