賈茜

摘要：砂石料加工系統(tǒng)將自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)加工過(guò)程的自動(dòng)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(jī)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(jì)進(jìn)行討論，上位機(jī)監(jiān)控界面采用WinCC flexible 2007，實(shí)現(xiàn)了砂石料加工的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)控制。生產(chǎn)運(yùn)行效果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，管控實(shí)現(xiàn)了一體化，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益得以提高。

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

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）03-0228-02

達(dá)岱砂石料加工系統(tǒng)由于工作環(huán)境惡劣，對(duì)可靠性、安全性要求較高，并以邏輯控制為主，按照現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝的實(shí)際要求，遵循先進(jìn)、可靠、易擴(kuò)展維護(hù)的原則，系統(tǒng)以可編程控制器西門子S7-200PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制中心，連接現(xiàn)場(chǎng)各控制對(duì)象。上位機(jī)使用以西門子MP277觸摸屏作為人機(jī)交互界面，監(jiān)視各設(shè)備的運(yùn)行情況，并進(jìn)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(jī)起/停、電動(dòng)機(jī)的主回路控制、各種保護(hù)、指示、手動(dòng)干預(yù)功能、PLC與外部輸入開(kāi)關(guān)/輸出執(zhí)行元件的連接等功能。

1 系統(tǒng)概況

整個(gè)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(jí)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(jī)、高速立式?jīng)_擊破、反擊破各一臺(tái)，篩分及分級(jí)設(shè)備由三個(gè)圓振動(dòng)篩組成，給料設(shè)備包括棒條給料機(jī)一臺(tái)和自同步慣性給料機(jī)二十臺(tái)，輸送設(shè)備是皮帶輸送機(jī)（俗稱皮帶），其中1000m的一條，800m的五條，650m的十條，另外還有兩臺(tái)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(gè)工藝流程主要分為粗破和篩分兩個(gè)部分：

粗破部分：首先將采集回的原砂石料經(jīng)棒條給料機(jī)，通過(guò)皮帶輸送機(jī)送至鄂式破碎機(jī)。接著一部分砂石料再輸送到反擊破加工后，直接進(jìn)入儲(chǔ)存量為兩萬(wàn)立方米的半成品堆場(chǎng)；另一部分經(jīng)圓振動(dòng)篩篩分后進(jìn)入半成品堆場(chǎng)。最后這些半成品一部分再經(jīng)過(guò)自同步慣性給料機(jī)加工后由卡車運(yùn)走，另一部分進(jìn)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(guò)兩臺(tái)圓振動(dòng)篩和立式?jīng)_擊破的層層篩分與加工，經(jīng)由皮帶輸送機(jī)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(chǎng)中。

系統(tǒng)控制方式分為三種：現(xiàn)地控制（現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制，具有最高優(yōu)先級(jí)別）、中控室手動(dòng)控制（在中控室監(jiān)控畫(huà)面上手動(dòng)控制）和上位機(jī)自動(dòng)控制。根據(jù)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)安全要求，在中控室可對(duì)各控制單元實(shí)行自動(dòng)操作控制，或下放控制權(quán)至各個(gè)操作站，決定對(duì)本控制單元實(shí)施遠(yuǎn)程自動(dòng)、手動(dòng)控制或者不動(dòng)作；或由操作站再下放控制權(quán)給現(xiàn)場(chǎng)操作箱，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟停操作。整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，開(kāi)、停機(jī)均采用PLC和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。操作工根據(jù)值班長(zhǎng)的指示，選擇設(shè)備組的運(yùn)行方式（運(yùn)行期間也可根據(jù)生產(chǎn)的需要變更運(yùn)行方式）。當(dāng)準(zhǔn)備運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)首先對(duì)該種運(yùn)行方式下的設(shè)備監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行巡檢，若滿足設(shè)置要求時(shí)設(shè)備啟動(dòng)，不滿足則發(fā)出報(bào)警信號(hào)要求系統(tǒng)處理，直到監(jiān)控參數(shù)滿足要求時(shí)方可啟動(dòng)下一臺(tái)設(shè)備。操作工接到值班長(zhǎng)的停機(jī)指令后，只需按下自動(dòng)停機(jī)按鈕，計(jì)算機(jī)根據(jù)程序設(shè)置進(jìn)行自動(dòng)停機(jī)巡檢，完成停機(jī)控制。在砂石料加工系統(tǒng)的自動(dòng)控制中，開(kāi)、停機(jī)需遵循優(yōu)先啟動(dòng)加工設(shè)備，后啟動(dòng)皮帶運(yùn)輸機(jī)的逆料流開(kāi)機(jī)，順料流停機(jī)的原則：以給料機(jī)為首端，進(jìn)料倉(cāng)的皮帶運(yùn)輸機(jī)為末端，開(kāi)機(jī)時(shí)優(yōu)先啟動(dòng)加工設(shè)備，后啟動(dòng)末端的皮帶運(yùn)輸機(jī)，延時(shí)后再按照程序設(shè)定開(kāi)啟上一級(jí)皮帶機(jī)；停機(jī)時(shí)則相反，停機(jī)順序依次為給料機(jī)，皮帶運(yùn)輸機(jī)，加工設(shè)備。

根據(jù)生產(chǎn)安全的要求，由于整個(gè)砂石料加工系統(tǒng)中主要設(shè)備單機(jī)功率都很大，18.5kw以上的設(shè)備需配置啟動(dòng)柜，提供電源；30kw以上的配置啟動(dòng)柜，由配電房直接供電，由控制臺(tái)直接輸出無(wú)源觸點(diǎn)進(jìn)行控制。啟動(dòng)方式采用自耦降壓起動(dòng)，也就是利用自耦變壓器來(lái)降低加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的啟動(dòng)電壓，使得電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)電流不會(huì)太大，等電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行到一定轉(zhuǎn)速后，利用時(shí)間繼電器延時(shí)一定的時(shí)間后再全壓運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

達(dá)岱砂石料加工系統(tǒng)主要分為上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)使用的是西門子公司的WinCC flexible HMI設(shè)備MP277觸摸屏（兩臺(tái)），由于在工藝過(guò)程日趨復(fù)雜、對(duì)機(jī)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(duì)操作員來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。人機(jī)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(duì)270s的擴(kuò)展，MP277具有多種應(yīng)用用途和良好的性價(jià)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(gè)USB接口和多達(dá)64k顏色的TFT屏幕。在系統(tǒng)運(yùn)行階段，上位機(jī)主要對(duì)整個(gè)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成對(duì)系統(tǒng)所有測(cè)點(diǎn)、電氣參數(shù)檢測(cè)、計(jì)算、報(bào)警記錄等，是整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理中心。并且上位機(jī)能對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)操作。

下位機(jī)系統(tǒng)主要由西門子公司S7-200可編程控制器（兩臺(tái)）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(qiáng)的特點(diǎn)，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(chǎng)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(lái)完成相對(duì)應(yīng)不同的功能。

該系統(tǒng)的數(shù)字量輸入信號(hào)主要有現(xiàn)地箱事故開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)、現(xiàn)地箱現(xiàn)地輸入信號(hào)、現(xiàn)地箱集控輸入信號(hào)、現(xiàn)地箱現(xiàn)地起停輸入信號(hào)168個(gè)，現(xiàn)地箱控制電源斷路器輸入信號(hào)42個(gè)，斷路器輸入信號(hào)14個(gè)，系統(tǒng)急停1個(gè)，全線警鈴1個(gè)，逆料啟動(dòng)2個(gè)，順料停機(jī)2個(gè)，控制臺(tái)現(xiàn)地/集控轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)4個(gè)。數(shù)字量輸出信號(hào)主要有設(shè)備起停輸出信號(hào)42個(gè)，事故開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)42個(gè)，現(xiàn)地箱電源斷路器分合指示輸出信號(hào)42個(gè)，允許啟動(dòng)、系統(tǒng)停止、系統(tǒng)起動(dòng)、閃光蜂鳴器、全線警鈴各2個(gè)。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(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口）、MPI（多點(diǎn)接口）和PROFIBUS（現(xiàn)場(chǎng)總線）。這些協(xié)議都是基于七層開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI），并通過(guò)一個(gè)令牌環(huán)網(wǎng)來(lái)實(shí)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(yàn)和一個(gè)停止位組成。

達(dá)岱砂石料加工系統(tǒng)采用的是PPI（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(gè)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(tái)S7-200PLC作為從站。S7-200CPU上有兩個(gè)端口，端口0作為編程口與編程計(jì)算機(jī)連接，端口1與觸摸屏通過(guò)PPI多主站電纜通訊，兩臺(tái)S7-200CPU之間也可以用網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)指令相互讀取數(shù)據(jù)（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為PLC控制程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)兩部分。

3.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)部分是該系統(tǒng)的重要軟件設(shè)計(jì)部分，開(kāi)發(fā)環(huán)境是西門子公司自動(dòng)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(qiáng)了程序的可讀性，對(duì)后續(xù)的調(diào)試維護(hù)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(hù)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(gè)流程主要分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制又分為軟手動(dòng)與硬手動(dòng)，在這里指的是軟手動(dòng)控制，上位機(jī)觸摸屏與PLC通信，操作員通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面遠(yuǎn)程控制、管理生產(chǎn)過(guò)程；自動(dòng)控制指的是根據(jù)上位機(jī)所給定的參數(shù)，自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件采用的是西門子WinCC flxible2007組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)了起始界面、工藝流程界面、時(shí)間設(shè)置界面、數(shù)據(jù)查詢界面以及報(bào)警界面主要實(shí)現(xiàn)了工況、數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警的實(shí)時(shí)顯示，工藝參數(shù)的修改，報(bào)表的生成及打印，手動(dòng)、自動(dòng)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(gè)界面可以清晰的動(dòng)態(tài)顯示出各個(gè)設(shè)備起動(dòng)或者停止的順序，即逆料起動(dòng)、順料停機(jī)的原則；在現(xiàn)地狀態(tài)下，操作員通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)控制哪臺(tái)設(shè)備啟動(dòng)或者停止，在界面中也是一目了然的。

時(shí)間設(shè)置界面是設(shè)置設(shè)備起動(dòng)、停止延時(shí)時(shí)間的界面，每個(gè)設(shè)備通過(guò)設(shè)置一個(gè)int類型的變量與PLC程序中定時(shí)器的PT端口的變量連接，這樣就可以在上位機(jī)中設(shè)置時(shí)間通過(guò)PLC強(qiáng)大處理數(shù)據(jù)的能力去控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

數(shù)據(jù)查詢界面主要包括了事故開(kāi)關(guān)狀態(tài)、斷路器開(kāi)合狀態(tài)、設(shè)備起停狀態(tài)以及遠(yuǎn)程設(shè)備現(xiàn)地狀態(tài)，操作員可以通過(guò)這些狀態(tài)界面完全監(jiān)控整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)。另外還有一個(gè)手動(dòng)界面，操作員也可以操作各個(gè)設(shè)備所關(guān)聯(lián)的按鈕來(lái)手動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的起停。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(gè)砂石料加工中各設(shè)備的起停、延時(shí)、事故狀態(tài)。通過(guò)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了操作過(guò)程的可視化，這種控制技術(shù)對(duì)于中小規(guī)模監(jiān)控場(chǎng)合，具有較大的推廣價(jià)值。

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