基于S7-200 PLC的鋼廠零部件清洗系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

摘要：在鋼鐵冶煉等重工業(yè)生產(chǎn)過程中，設(shè)備零件常常會遭受化學(xué)污染物的侵蝕，這不僅縮短了設(shè)備使用壽命，也增加了維護(hù)成本和生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。為有效去除這些化學(xué)污染，設(shè)計(jì)了一種基于西門子S7-200 PLC的工廠設(shè)備零部件化學(xué)污染清洗系統(tǒng)，通過自動(dòng)化控制和精確的參數(shù)監(jiān)測，提高了清洗系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，有效滿足了工廠設(shè)備零部件清洗的需求，提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：S7-200 PLC;清洗系統(tǒng);自動(dòng)化控制

中圖分類號：TP273" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）24-0061-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.015

0" " 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，鋼鐵冶煉等行業(yè)對設(shè)備可靠性和生產(chǎn)效率的要求日益提高。然而，設(shè)備零件在生產(chǎn)過程中容易受到化學(xué)污染物的侵蝕，導(dǎo)致性能下降和維護(hù)成本增加[1]。在我國全自動(dòng)清洗一直是一個(gè)難以解決的問題，目前市面上清洗機(jī)一般為手動(dòng)或半自動(dòng)控制，因此操作煩瑣、勞動(dòng)力需求量比較大，且生產(chǎn)成本高、安全性能差。傳統(tǒng)的清洗基本上都是靠人工放入清洗槽，這樣的清洗方式不僅效率低下而且成本較高?，F(xiàn)有的自動(dòng)清洗機(jī)整機(jī)功能單一，基本上都是根據(jù)某一類工件設(shè)計(jì)的專用的清洗結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)多種類工件的清洗。

著眼于國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，針對傳統(tǒng)自動(dòng)清洗機(jī)操作復(fù)雜、性能單一、需要人工操作等問題[2]，研究設(shè)計(jì)了一種新型的設(shè)備零部件自動(dòng)清洗系統(tǒng)，在現(xiàn)有清洗機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，利用PLC對整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使之實(shí)現(xiàn)性能多樣、操作簡單、自動(dòng)清洗的功能。西門子S7-200作為一種廣泛應(yīng)用的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）[3]，為實(shí)現(xiàn)清洗過程的自動(dòng)化控制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。本文旨在開發(fā)一套基于S7-200 PLC的自動(dòng)化清洗系統(tǒng)，以高效去除工廠設(shè)備零件上的化學(xué)污染物。通過精確控制清洗流程和參數(shù)，該系統(tǒng)不僅能夠提高清洗效率和質(zhì)量，還能降低人工成本和化學(xué)介質(zhì)的使用量，對提升工業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性具有重要意義。

1" " 設(shè)計(jì)方案

1.1" " 結(jié)構(gòu)組成

基于S7-200 PLC的工廠零件清洗系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)方案采用模塊化和自動(dòng)化設(shè)計(jì)，核心由S7-200 PLC控制器、傳感器陣列、執(zhí)行器組件、清洗槽、輸送系統(tǒng)、干燥單元組成。系統(tǒng)通過PLC進(jìn)行智能控制，實(shí)時(shí)接收傳感器數(shù)據(jù)并精確調(diào)節(jié)執(zhí)行器動(dòng)作，以適應(yīng)不同清洗階段的需求;自動(dòng)化輸送和干燥單元確保零件的高效處理;同時(shí)，系統(tǒng)整合了安全互鎖和緊急響應(yīng)機(jī)制，保障操作安全，并通過廢水處理單元滿足環(huán)保要求，整體設(shè)計(jì)注重操作便捷性、工藝靈活性和系統(tǒng)可靠性。

1.2" " 工藝流程

自動(dòng)清洗系統(tǒng)工藝流程如下：

1）根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)準(zhǔn)備清洗環(huán)境，傳送帶裝載運(yùn)輸待清洗零件至清洗槽中。

2）PLC控制供水系統(tǒng)的注入和循環(huán)，同時(shí)調(diào)節(jié)溫度和pH值至最佳清洗條件，可選擇加入化學(xué)清洗劑進(jìn)一步提升清洗效果;清洗過程中，傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測并反饋關(guān)鍵參數(shù)，確保清洗效率和質(zhì)量。

3）系統(tǒng)進(jìn)行多次清水沖洗和漂洗，去除殘留介質(zhì)。

4）清洗完成，取出后對零件進(jìn)行干燥處理，利用傳送帶將干燥后的零件運(yùn)輸至指定位置，之后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行清洗槽和設(shè)備的清洗與復(fù)位，同時(shí)記錄并報(bào)告整個(gè)清洗過程的數(shù)據(jù)，確保清洗工作的可追溯性和透明性。

2" " 控制系統(tǒng)選型和設(shè)計(jì)

2.1" " PLC選型

考慮到本系統(tǒng)需要的PLC輸入、輸出端口數(shù)量，特別是高速脈沖輸出端口，加上系統(tǒng)較為龐大，所以對于可編程控制器來說，需要一個(gè)比較先進(jìn)、內(nèi)存比較大的PLC，考慮到計(jì)數(shù)器、PID等功能的情況，使用西門子推出的S7-200 SMART PLC，其本體CPU為ST30，它是西門子公司經(jīng)過大量調(diào)研，為自動(dòng)化市場量身打造的一款PLC產(chǎn)品[4]。編程軟件使用西門子官方提供的STEP 7-Micro/WINSMART，相比較而言，其不論是在界面布局還是基本環(huán)境設(shè)置上都更加美觀、簡潔，在保持強(qiáng)大功能的同時(shí)，使得初次接觸它的使用者可以快速入手。它的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

S7-200 ST30 PLC主機(jī)實(shí)物圖如圖1所示，它是晶體管輸出，有運(yùn)行指示燈（CPU所處的狀態(tài)不同，會亮起對應(yīng)狀態(tài)燈）反映系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài);還有集成的以太網(wǎng)口，讓人機(jī)交互更加方便;輸入/輸出端子都可以拆卸，方便安裝;模塊擴(kuò)展的時(shí)候采用的是插針式連接，這樣就讓模塊連接更加緊密，告別接觸不良;還有Micor SD卡插口，可以離線操作，無須電腦就能實(shí)現(xiàn)PLC的程序設(shè)置[5]。

2.2" " 溫度傳感器選型

溫度傳感器是可以感受環(huán)境中溫度變化情況并將其轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號的一種裝置，現(xiàn)在市面上主要有熱電偶和熱敏電阻兩種類型，這兩種傳感器都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。熱電偶是日常生活中最常用的一種溫度傳感器，主要的優(yōu)點(diǎn)是可以測量的溫度范圍廣，而且對環(huán)境的要求低，質(zhì)量好，價(jià)格便宜，不需要連續(xù)供電，對能量損耗小，但由于價(jià)格便宜，做工不是特別精湛，所以精度不是很高，對于高精度的場所不宜使用。熱敏電阻傳感器主要是由半導(dǎo)體材料制造而成，因?yàn)椴牧系脑?，這種傳感器對溫度極其靈敏，而且主要靠材料的特性進(jìn)行測溫，體積小，安裝和使用都十分方便[6];正是因?yàn)檫@樣的優(yōu)點(diǎn)，熱敏電阻傳感器很適合本文的控制系統(tǒng)。本文的控制系統(tǒng)要求對溫度進(jìn)行PID智能控制，對溫度靈敏性要求極高，經(jīng)過對控制要求的解讀，并對比市面上各種熱敏電阻傳感器，本文最終選擇型號為PT100的溫度傳感器，在系統(tǒng)中，把獲得的溫度信號轉(zhuǎn)化成模擬量然后輸入CPU，最終經(jīng)過CPU的PID運(yùn)算來控制水箱溫度。PT100溫度傳感器的參數(shù)如表2所示。

2.3" " I/O分配

清洗系統(tǒng)的I/O分配如表3所示。給PLC上電后，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，然后通過I0.0控制自動(dòng)清洗系統(tǒng)的開啟，其他功能可以通過其他I/O點(diǎn)控制。

2.4" " PLC接線圖

控制電路中，選用220 V作為輸出電路供電，用24 V直流電源給PLC輸入端供電。根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定PLC接線原理如圖2所示。

3" " 系統(tǒng)各部分程序設(shè)計(jì)

3.1" " 總控制程序設(shè)計(jì)

總控制程序主要是實(shí)現(xiàn)通過總開關(guān)來控制開始工作和供水系統(tǒng)的工作，然后在主開關(guān)開啟的情況下，會對其他各個(gè)系統(tǒng)子程序進(jìn)行調(diào)用控制，使系統(tǒng)開始自動(dòng)運(yùn)行，在轉(zhuǎn)換開關(guān)的作用下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)從自動(dòng)到手動(dòng)的轉(zhuǎn)換，當(dāng)按下急停時(shí)，各個(gè)部分停止運(yùn)行。程序梯形圖如圖3所示。

3.2" " 運(yùn)輸系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

運(yùn)輸系統(tǒng)分為兩部分：零件堆放區(qū)運(yùn)輸和清洗區(qū)運(yùn)輸。零件堆放區(qū)的運(yùn)輸通過傳送帶將堆放的零件搬運(yùn)至清洗區(qū)域，進(jìn)入清洗區(qū)后再運(yùn)輸至清洗槽。

零件堆放區(qū)運(yùn)輸程序采用雙軸聯(lián)動(dòng)控制，將它分成五個(gè)子程序進(jìn)行編程，分別是橫向軸的初始化程序、縱向軸的初始化程序、橫向軸的工作程序、縱向軸的工作程序和各位置的距離計(jì)算程序，其中兩軸的初始化程序由總開關(guān)直接控制，其他子程序需要總開關(guān)打開后，再打開啟動(dòng)開關(guān)才能運(yùn)行。雙軸控制主要是采用PLC內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)的，通過光電開關(guān)確定零件位置，然后每個(gè)光電開關(guān)處都預(yù)先設(shè)置好了距離參數(shù)，通過運(yùn)動(dòng)模塊，采用雙軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到光電開關(guān)所在位置，按照由近到遠(yuǎn)、由上到下的順序進(jìn)行搬運(yùn)，對于清洗區(qū)，只有在清洗區(qū)傳送帶上的光電開關(guān)檢測到零件已經(jīng)運(yùn)輸完成之后，才開始運(yùn)輸下一批零件，以此往復(fù)，直到報(bào)警、按下啟停按鈕或運(yùn)輸結(jié)束才停止。圖4是運(yùn)輸系統(tǒng)的部分程序。

雙軸聯(lián)動(dòng)的功能，需要采用PLC的運(yùn)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)，具體如下：利用向?qū)гO(shè)定一軸速度等參數(shù)，另一個(gè)軸的參數(shù)是對第一個(gè)軸的參數(shù)進(jìn)行適配，使兩個(gè)軸同時(shí)從一點(diǎn)出發(fā)，同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)，這樣就實(shí)現(xiàn)了對兩軸的聯(lián)動(dòng)控制。

清洗區(qū)運(yùn)輸程序主要是控制兩個(gè)交流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)的程序設(shè)計(jì)是一樣的，但參數(shù)設(shè)置不同，以提供不同的運(yùn)動(dòng)速度。兩個(gè)電機(jī)均采用變頻器控制，設(shè)定不同頻率以調(diào)節(jié)速度，然后通過PLC內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器和編碼器進(jìn)行電機(jī)速度的監(jiān)控。本部分程序主要邏輯是當(dāng)傳送帶上的光電開關(guān)檢測到零件時(shí)開始運(yùn)行，將零件運(yùn)送至清洗槽，當(dāng)清洗前端的光電開關(guān)檢測到目標(biāo)時(shí)，內(nèi)部的清洗系統(tǒng)電機(jī)運(yùn)行，并進(jìn)行清洗工作。圖5是這部分程序的局部圖。

3.3" " 供水部分程序設(shè)計(jì)

供水部分的程序是由總開關(guān)直接控制的，因?yàn)榧訜崴枰獣r(shí)間，所以在總開關(guān)開啟時(shí)就工作，相當(dāng)于是系統(tǒng)初始化工作。在總開關(guān)開啟的前提下，這個(gè)部分的邏輯是水箱里的水位低于下限時(shí)，電磁閥打開，由自來水供水;溫度低于設(shè)定值時(shí)加熱水，由PID智能控溫，保證水溫的穩(wěn)定。對于清洗水箱，在加水的同時(shí)，化學(xué)清洗劑供給會提示打開，清洗劑的供給主要由變頻電機(jī)控制，當(dāng)供水停止或清洗劑輸送到達(dá)下限位時(shí)，電機(jī)則反向抽取清洗劑，然后繼續(xù)供給或停止。圖6是這部分程序的局部圖。

3.4" " 清洗系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

清洗區(qū)程序由控制開關(guān)啟停，原理是在總開關(guān)和啟動(dòng)開關(guān)開啟的前提下，當(dāng)清洗前端的光電開關(guān)檢測到零件時(shí)，水泵開始工作，對水槽上部進(jìn)行噴水清洗，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束電磁換向閥打開，換成從下方噴水清洗，計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)關(guān)閉換向閥，上方噴水，以此往復(fù)，直到關(guān)閉或清洗完成。漂洗部分的控制原理與清洗部分一樣。圖7是清洗區(qū)程序設(shè)計(jì)的局部梯形圖。

3.5" " 干燥單元程序設(shè)計(jì)

干燥消毒單元的程序與清洗系統(tǒng)程序類似，是簡單的通斷電路控制，在此部分前端光電開關(guān)檢測到零件時(shí)，程序同時(shí)控制紫外燈、電風(fēng)扇、電阻加熱器的開啟，直到清洗完畢，則停止供電;對于加熱電阻，設(shè)置一個(gè)簡單的保護(hù)措施，當(dāng)溫度達(dá)到一個(gè)限值則斷開加熱，待降溫到一定程度就繼續(xù)加熱。部分程序如圖8所示。

4" " 結(jié)論

本文通過裝置的選型、配置方案的設(shè)定成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于S7-200 PLC的自動(dòng)化清洗系統(tǒng)，旨在高效去除工廠設(shè)備零件上的化學(xué)污染物。本系統(tǒng)在提高清洗效率、確保清洗質(zhì)量以及降低操作成本方面優(yōu)勢顯著，且能夠適應(yīng)不同種類和尺寸的零件，具有高度的靈活性和可靠性;而自動(dòng)化控制不僅減少了人工干預(yù)，還顯著提高了清洗過程的一致性和可重復(fù)性;此外，集成的安全特性確保了操作人員和設(shè)備的安全。

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