基于S7-200 SMART PLC控制的四料倉布料系統(tǒng)

薛洪劍,張向宇,仲維亮,石曉光,賁艷英,馬龍海

（中國-阿拉伯化肥有限公司，河北 秦皇島 066000）

1 引言

中阿公司有4條成品包裝線A/B/C/D，其中倉位A/B是兩個(gè)相鄰的散料倉，當(dāng)料倉A滿料后會(huì)溢流方式為B倉布料（溢流倉），倉位C/D布料方式類同，分為布料倉和溢流倉。每個(gè)料倉都有高料報(bào)警。為滿足多品種小批量產(chǎn)品的包裝需求，增設(shè)兩套翻板閥，將原有的溢流倉改為獨(dú)立倉位，采用PLC模塊化編程的方法，優(yōu)化操作步驟，利用原有雙向皮帶機(jī)，依托PLC 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四料倉獨(dú)立選擇性布料單元。目前，PLC技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于“過程自動(dòng)化”和“制造自動(dòng)化”等多個(gè)領(lǐng)域，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)操作步驟和PLC 控制系統(tǒng)模塊化編程等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)操作的柔性化和布料系統(tǒng)故障的可視化[1]。本文簡要介紹了S7-200 SMART控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例。

2 布料系統(tǒng)流程及控制要求

2.1 原布料工藝流程

四料倉雙向布料系統(tǒng)單元原流程見圖1，成品散裝料經(jīng)斗提機(jī)14Q240 皮帶機(jī)和篩分機(jī)14S201 等設(shè)備輸送至可逆帶式輸送機(jī)14Q206，由操作人員人工控制皮帶機(jī)運(yùn)行方向，可逆輸送機(jī)南行為A/B 倉同時(shí)布料，北行時(shí)為C/D 倉布料。每個(gè)料倉都有高料檢測報(bào)警，出現(xiàn)高料報(bào)警時(shí)，由操作人員關(guān)閉散裝庫上料系統(tǒng)單元，根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)等待設(shè)備內(nèi)物料倒空后再關(guān)閉四料倉布料系統(tǒng)。

2.2 新制工藝流程

四料倉自動(dòng)布料控制系統(tǒng)單元需要新增兩臺電動(dòng)翻板閥14Q210A和14Q210B，與原布料系統(tǒng)控制單元差異如下：

由操作人員自由選擇一個(gè)或多個(gè)料倉布料，可逆帶式輸送機(jī)14Q206根據(jù)操作人員選擇自動(dòng)布料，當(dāng)某個(gè)料倉高料報(bào)警時(shí)自動(dòng)停止為該倉布料，繼續(xù)為其他選中料倉布料，直至被選擇料倉全都高料或由操作人員手動(dòng)關(guān)停布料系統(tǒng)。

2.3 控制要求

2.3.1 就地模式

操作臺模式開關(guān)選擇“就地”位，布料系統(tǒng)所屬三臺設(shè)備都可以在現(xiàn)場自主啟停，相互間沒有任何約束，主要用于設(shè)備就地調(diào)試檢修，如調(diào)節(jié)翻板閥倉位接近開關(guān)位置，防止翻板閥閥板過度伸縮；測試雙向皮帶機(jī)運(yùn)行實(shí)際狀態(tài)與模擬盤運(yùn)行指示對應(yīng)狀況。

出于人身安全考量，皮帶機(jī)自身有低速和拉繩保護(hù)，確保在任何模式下拉繩保護(hù)都可以立即關(guān)停皮帶機(jī)，低速打滑檢測僅僅用于報(bào)警提示[2]。

2.3.2 遙控模式

操作臺模式開關(guān)選擇“遙控”位，布料系統(tǒng)所屬三臺設(shè)備都由PLC程序自動(dòng)控制。操作人員首先選中布料料倉（一個(gè)或幾個(gè)），然后將“復(fù)位/啟動(dòng)”選擇開關(guān)（自動(dòng)回位）先旋轉(zhuǎn)至“復(fù)位”，而后旋轉(zhuǎn)至“啟動(dòng)”兩位，四料倉自動(dòng)布料系統(tǒng)單元立即在PLC程序控制下開始運(yùn)行。

2.3.3 料倉切換要求

四個(gè)料倉全都選中時(shí)，自動(dòng)按照“A-B-C-D-A”順次布料，按照時(shí)間間隔（10min）進(jìn)行切換，翻板閥做出對應(yīng)切換，保障物料順利布料至對應(yīng)料倉。例如，A倉布料階段，翻板閥向A 位切換，待翻板到達(dá)A 位后皮帶機(jī)Q206自動(dòng)啟動(dòng)南行，布料計(jì)時(shí)開始。

實(shí)現(xiàn)料倉有效性實(shí)時(shí)判斷，當(dāng)料倉被選中且沒有高料報(bào)警時(shí)，待切換條件滿足時(shí)會(huì)為該料倉布料。

未被選中的料倉編號自動(dòng)被屏蔽越過，如C 倉未選中，自動(dòng)按照“A-B-D-A”順次布料。

被選中料倉自動(dòng)順次布料時(shí)，若某個(gè)料倉突然高料報(bào)警，比如B倉高料，則B倉會(huì)立刻停止布料并順次轉(zhuǎn)向下一個(gè)料倉D。

當(dāng)高料倉位料位下降時(shí)高位報(bào)警自動(dòng)復(fù)位，在下一個(gè)布料順序中該倉位會(huì)自動(dòng)加入布料隊(duì)列。

在布料運(yùn)行中，操作人員可以自由改選料倉，被關(guān)閉的倉位布料立刻停止并按照布料順序自動(dòng)切換到下一個(gè)倉位，新選倉位自動(dòng)加入布料序列。如關(guān)閉D倉和選中C倉，自動(dòng)布料順序會(huì)更新為“A-B-C-A”。

2.4 系統(tǒng)復(fù)位

操作臺“復(fù)位/啟動(dòng)”開關(guān)可以旋轉(zhuǎn)至“復(fù)位”，四料倉布料系統(tǒng)會(huì)立即關(guān)停所有設(shè)備。

選中料倉全都高料報(bào)警時(shí)，新布料系統(tǒng)會(huì)立即關(guān)停所有設(shè)備。聯(lián)鎖模式下，當(dāng)布料系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，上游上料設(shè)備，如斗提機(jī)、振動(dòng)給料機(jī)、篩分機(jī)等設(shè)備方可啟動(dòng)。當(dāng)布料系統(tǒng)關(guān)停時(shí)，上游設(shè)備立即停止或無法開啟。

為了保障人身安全，當(dāng)可逆式雙向皮帶機(jī)拉繩保護(hù)動(dòng)作或現(xiàn)場停止鈕按下時(shí)，四料倉布料系統(tǒng)也會(huì)立即關(guān)停所有設(shè)備。

2.5 布料系統(tǒng)指示及操作臺設(shè)置

新布料系統(tǒng)單元增加了布料系統(tǒng)運(yùn)行指示燈和電動(dòng)翻板閥倉位指示燈（A位、B位、C位、D位）。

新布料系統(tǒng)單元延用了14Q206 運(yùn)行方向指示燈（“南行”、“北行”），四料倉高料報(bào)警（“A倉高料”、“B倉高料”、“C倉高料”、“D倉高料”）

表1 新布料系統(tǒng)輸入變量列表

表2 新布料系統(tǒng)輸出變量列表

3 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

為了滿足新布料系統(tǒng)控制要求，輸入變量為BOOL開關(guān)量，數(shù)量是30 個(gè)；輸出變量同樣為BOOL 開關(guān)量，數(shù)量是12個(gè)。據(jù)此選用西門子S7-200 SMART系列PLC，結(jié)合產(chǎn)品可靠性和擴(kuò)展性，硬件配置如下：

◆PLC 主模塊：CPU SR40 AC/DC/RLY，電源取自控制柜電源115VAC 母線，輸入端構(gòu)建24VDC 回路，輸出端構(gòu)建繼電器回路。

◆PLC數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊：EM DE16，16個(gè)數(shù)字量，輸入端構(gòu)建24 VDC回路。

◆繼電器回路：為了保障PLC 設(shè)備使用安全，現(xiàn)場信號構(gòu)建繼電器回路，無源點(diǎn)用于PLC輸入信號，同時(shí)減少PLC輸入變量和輸出變量總量，降低設(shè)備成本。

4 新布料系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

新布料系統(tǒng)程序包含了三個(gè)程序塊：主程序，就地子程序，遙控子程序。

4.1 主程序

主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1) 就地和遙控子程序切換

(2) 系統(tǒng)所屬三臺設(shè)備的運(yùn)行指令

(3) 系統(tǒng)所屬三臺設(shè)備的故障判斷和事件處理

(4) 系統(tǒng)總體狀態(tài)判斷，作為上游上料設(shè)備運(yùn)行聯(lián)鎖信號輸出。

4.2 就地子程序

操作人員現(xiàn)場啟停翻板閥和可逆雙向皮帶機(jī)，設(shè)備啟停不受系統(tǒng)聯(lián)鎖約束。

4.3 遙控子程序

這一部分是程序設(shè)計(jì)重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)料倉之間布料操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)料倉的有效性判斷和實(shí)時(shí)料倉切換響應(yīng)。

(1) 倉位有效性判斷（以A倉有效性判斷為例）

(2) 料倉切換

當(dāng)多個(gè)料倉輪換布料時(shí)，滿足下面其中一個(gè)條件即可輪換：一個(gè)是布料時(shí)長達(dá)到設(shè)定時(shí)間（10min）；二是當(dāng)前布料料倉處于失效狀態(tài)。

(3) 遙控子程序SFC編程框架

圖4遙控子程序順序功能圖SFC中間省略了B/C倉判斷部分，類似于A倉判斷、布料、切換控制。

四個(gè)料倉中只要有一個(gè)料倉仍然有效，布料系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)順次切換布料；當(dāng)所有料倉都失效后，布料系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止。

5 程序優(yōu)化

(1) 系統(tǒng)總狀態(tài)輸出用聯(lián)鎖信號優(yōu)化

雙向皮帶機(jī)進(jìn)行南北向切換時(shí)，設(shè)備實(shí)際會(huì)停止一段時(shí)間，需要增加程序段，用來區(qū)分皮帶機(jī)的故障停機(jī)和換向停機(jī)的差異，避免上游設(shè)備頻繁的啟停。程序?qū)崿F(xiàn)方法：將可逆皮帶機(jī)Q206南行和北行運(yùn)行狀態(tài)信號延遲斷開，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)正常換向時(shí)段上游設(shè)備用聯(lián)鎖信號保持為1。

(2) 翻板閥故障程序響應(yīng)

翻板閥共計(jì)兩臺，如果一臺故障，必然影響對應(yīng)兩個(gè)料倉的切換布料，為了減少翻板閥故障影響范圍，增加翻板閥故障信號作為對應(yīng)料倉的失效信號，使另一臺翻板閥和對應(yīng)料倉布料繼續(xù)布料。

(3) 上游設(shè)備聯(lián)鎖停車程序優(yōu)化

當(dāng)最后一個(gè)料倉高料報(bào)警時(shí)，上游設(shè)備全都立即關(guān)停，皮帶機(jī)、斗提機(jī)和篩分機(jī)都存滿物料，再次啟動(dòng)時(shí)，重載啟動(dòng)會(huì)造成設(shè)備故障或電機(jī)燒損。因此優(yōu)化程序，實(shí)現(xiàn)最后一個(gè)料倉高料報(bào)警后，延遲停機(jī)，保障斗提機(jī)和篩分機(jī)及雙向皮帶機(jī)物料倒空。

程序?qū)崿F(xiàn)方法：

(1) 進(jìn)行選中料倉中最后達(dá)到高料報(bào)警者判斷，判斷出A/B/C/D倉編號，圖6為判斷A倉舉例。

(2) 待該料倉高料報(bào)警發(fā)生時(shí)，立刻關(guān)停上料皮帶機(jī)，后續(xù)斗提機(jī)、篩分機(jī)及布料雙向皮帶機(jī)延遲T3（20秒）倒空設(shè)備內(nèi)物料再行停機(jī)，保障設(shè)備無載啟動(dòng)，圖7為程序片段，省略了B、C、D倉處置程序。

6 結(jié)束語

當(dāng)前現(xiàn)場設(shè)備已改造完成，已實(shí)現(xiàn)所有設(shè)計(jì)要求，并與原有上料系統(tǒng)很好地融合，體現(xiàn)了PLC系統(tǒng)的可靠性、柔性設(shè)計(jì)和改造的優(yōu)勢。