純凈水生產(chǎn)線的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史先燾 王世敏

摘 要：本研究利用西門子Smart200系列PLC、西門子觸摸屏，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化程度高并可實(shí)時(shí)監(jiān)控的純凈水生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。其間確定了生產(chǎn)線的工藝要求，配置了系統(tǒng)硬件，進(jìn)行可編程控制器PLC選型、I/O點(diǎn)定義及主要元器件的選型與布置。同時(shí)，分析了系統(tǒng)控制過程，設(shè)計(jì)了人機(jī)界面HMI，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制并將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：純凈水生產(chǎn)線;PLC;WinCC人機(jī)界面;控制

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）02-0031-04

Abstract： Using Siemens Smart200 series PLC and Siemens touch screen， a set of pure water production line control system with high degree of automation and real-time monitoring was designed in this study. In the meantime， the process requirements of the production line were determined， the system hardware was configured， and the PLC selection of the programmable controller， the definition of I/O points， and the selection and arrangement of the main components were performed. At the same time， the system control process was analyzed， and the HMI was designed to realize automatic control and apply it to actual production.

Keywords： purified water production line;PLC;WinCC human-computer interface;control

水是人類的生命之源。在大量生產(chǎn)灌裝水的企業(yè)生產(chǎn)線，若用人工灌裝，則生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低下[1-3]。本文選用西門子Smart200系列PLC、西門子觸摸屏設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化程度高并可實(shí)時(shí)監(jiān)控的純凈水生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)用PLC控制系統(tǒng)來取代原來由單片機(jī)、繼電器等構(gòu)成的控制系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有良好的可移植性和可維護(hù)性，對(duì)提高企生產(chǎn)和管理自動(dòng)水平有很大的幫助[4-6]。同時(shí)，該設(shè)計(jì)又提高了生產(chǎn)線的效率、使用壽命和質(zhì)量，減少了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)，因此具有廣闊的市場前景。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，純凈水雙線自動(dòng)灌裝硬件系統(tǒng)由進(jìn)桶檢測、灌裝、壓蓋、電磁閥和光電傳感器等部分組成，并配備一臺(tái)空壓機(jī)[7-8]。灌裝機(jī)側(cè)視圖如圖2所示。

1.1 進(jìn)桶檢測裝置

如圖3所示，進(jìn)桶檢測采用反射式光電傳感器，它是利用物體對(duì)紅外線光束遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無的，其檢測對(duì)象不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測。反射式光電傳感器實(shí)物圖如圖4所示。

1.2 堵桶裝置

堵桶裝置由二位五通電磁換向閥和雙軸氣缸構(gòu)成，灌裝機(jī)全機(jī)身長期處于潮濕的工作環(huán)境，因此采用特殊材質(zhì)-304不銹鋼制作。堵桶的核心裝置為磁換向閥，該閥由一個(gè)進(jìn)氣口、兩個(gè)出氣口和兩個(gè)排氣口組成。一般來說，電磁閥用來控制氣缸或分割氣路，單電控靠彈簧復(fù)位，雙電控?zé)o自動(dòng)復(fù)位功能。二位五通電磁換向閥和雙軸氣缸如圖5、圖6所示。

使用過程中，當(dāng)線圈6通電時(shí)，閥工作在右閥位，進(jìn)氣由進(jìn)氣口1經(jīng)過閥從出氣口2出去，出氣口4的氣經(jīng)閥從排氣口5排出;當(dāng)線圈7通電時(shí)，閥工作在左閥位，進(jìn)氣由進(jìn)氣口1經(jīng)過閥從出氣口4出去，出氣口2的氣經(jīng)閥從排氣口3排出。

1.3 分桶裝置

分桶裝置由二位五通電磁換向閥和復(fù)動(dòng)氣缸構(gòu)成，如圖5所示，當(dāng)線圈6通電時(shí)，閥工作在右閥位，進(jìn)氣由進(jìn)氣口1經(jīng)過閥從出氣口2流入復(fù)動(dòng)氣缸的進(jìn)氣口，推動(dòng)復(fù)動(dòng)氣缸活塞桿向前運(yùn)動(dòng)，復(fù)動(dòng)氣缸出氣口經(jīng)閥從排氣口5排出。當(dāng)線圈6失電時(shí)，各動(dòng)作復(fù)位。分桶機(jī)構(gòu)如圖4所示，復(fù)動(dòng)氣缸如圖7所示。

1.4 理蓋機(jī)構(gòu)

理蓋機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)旋轉(zhuǎn)圓盤、下蓋滑道、箱體等組成，理蓋器的作用是通過電機(jī)帶動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)箱體內(nèi)的桶蓋進(jìn)入下蓋滑道，并通過特定機(jī)構(gòu)使其進(jìn)入軌道進(jìn)行洗蓋，最后駛?cè)牖辣M頭。洗蓋噴頭如同8所示，理蓋機(jī)構(gòu)如圖9所示。

1.5 壓蓋及掛蓋裝置

壓蓋由壓蓋氣缸完成。當(dāng)水桶接近送蓋滑道時(shí)，裝滿水后的水桶憑借自身重量，帶動(dòng)桶蓋從滑道口脫落。壓蓋電機(jī)與輸送帶間保持特定間距，最終完成壓蓋。壓蓋及掛蓋機(jī)構(gòu)如圖10所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 灌裝設(shè)備控制要求

桶口統(tǒng)一朝上并按特定的順序排列，三相異步電機(jī)帶動(dòng)鏈條使水桶前進(jìn)。由1只電磁閥控制進(jìn)桶鏈的堵桶氣缸，2只電磁閥分別控制夾桶和分桶裝置。驅(qū)動(dòng)部分有進(jìn)桶輸送、灌裝輸送、出桶輸送、灌裝泵。灌裝流程如圖11所示。

按下操作臺(tái)的啟動(dòng)按鈕，生產(chǎn)線進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)。此時(shí)，PLC首先測進(jìn)桶數(shù)量為零、輸送電機(jī)狀態(tài)、灌裝泵非故障等各種信號(hào)，具備工作條件后，按照以下流程運(yùn)行。

一是堵桶氣缸處于常閉伸出狀態(tài)，在設(shè)備內(nèi)桶數(shù)小于5時(shí)得電縮回，大于5時(shí)失電，堵桶;二是分桶氣缸，配合堵桶氣缸，每當(dāng)堵桶氣缸失電并延時(shí)數(shù)秒后工作一次，切換至灌裝二線線;三是灌裝閥，滿足灌裝條件后，灌裝順序是灌裝開始先開灌裝閥，后開灌裝泵，灌裝結(jié)束先關(guān)灌裝泵，后開灌裝閥，其間灌裝泵由西門子變頻器驅(qū)動(dòng)，上升時(shí)間設(shè)定3 s，下降時(shí)間為7 s，這是為了避免水管內(nèi)水的堆積而產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘現(xiàn)象;四是壓蓋，當(dāng)出桶輸送帶開始工作后，灌滿純凈水的桶子經(jīng)過自動(dòng)套蓋，通過輸送帶送到壓蓋處時(shí)，進(jìn)行壓蓋，每個(gè)工序又進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。整體工藝流程如圖12所示。

2.2 PLC選型

本文選用西門子S7-200 Smart PLC，其具有緊湊、速度快的優(yōu)點(diǎn)，并含有功能強(qiáng)大的以太網(wǎng)接口以及操作簡便的硬件和軟件。

2.3 PLC地址分配

PLC輸入和輸出分別如表1、表2所示。

3 組態(tài)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

3.1 Smart 700IE簡介

西門子觸摸屏是目前市面上占有率較高的人機(jī)界面品牌，它與西門子產(chǎn)品配套使用，具有響應(yīng)迅速、操作簡潔、通信方便等優(yōu)點(diǎn)。Smart 700IE屬西門子系列經(jīng)濟(jì)型人機(jī)界面，能夠滿足初學(xué)者或者簡單的工業(yè)需要，其性能穩(wěn)定、可靠性高。Smart 700IE的外觀及接口如圖13所示。

3.2 工藝畫面設(shè)計(jì)

建立工藝畫面，并完成屬性設(shè)置，如圖14所示。

4 應(yīng)用效果

運(yùn)行效果如圖15、圖16所示。

如圖17所示，本次設(shè)計(jì)調(diào)試在對(duì)比國內(nèi)優(yōu)質(zhì)機(jī)型產(chǎn)量2 000 桶/h情況下，本次采用的雙線灌裝機(jī)最大灌裝速度可達(dá)1 500 桶/h，達(dá)到了前期的計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)。

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