摘要：隨著自動(dòng)化行業(yè)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，用自動(dòng)化逐步取代人工已成為各相關(guān)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)?，F(xiàn)以泥漿后臺(tái)自動(dòng)供漿電控系統(tǒng)為例，介紹以西門子S7-1200為控制核心的自控系統(tǒng)的搭建，并對(duì)水泥后臺(tái)供漿系統(tǒng)的自動(dòng)流程工藝及關(guān)鍵程序的具體寫法進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：西門子PLC;S7-1200;水泥后臺(tái);自動(dòng)供漿系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273;TU525 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?文章編號(hào)：1671-0797（2022）02-0050-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.014

0 ? ?引言

傳統(tǒng)地基基礎(chǔ)行業(yè)使用的水泥后臺(tái)攪拌系統(tǒng)，電氣控制單一。泥漿攪拌階段，水泥和水都是人工添加，水灰比的控制全靠裝填工人的經(jīng)驗(yàn)，不能達(dá)到精確配比;攪拌桶電機(jī)及泥漿桶電機(jī)，無(wú)論泥漿數(shù)量多少，都是全速攪拌，十分耗電;同時(shí)，供漿泵的啟停由專人控制，浪費(fèi)人力成本。為此，需要設(shè)計(jì)一套新型控制攪拌系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水灰比精確控制、攪拌電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)、泥漿自動(dòng)供應(yīng)，從而降本節(jié)能，節(jié)省人工。

1 ? ?自控系統(tǒng)搭建

根據(jù)泥漿攪拌供應(yīng)系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、使用場(chǎng)合以及客戶的成本控制要求，配置自動(dòng)系統(tǒng)如下：

1.1 ? ?PLC選型

首先，泥漿攪拌系統(tǒng)應(yīng)用在地基基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)，環(huán)境比較惡劣，需要PLC有較高的穩(wěn)定性和耐用性;其次，系統(tǒng)內(nèi)傳感器、執(zhí)行器電氣接口各不相同，需要PLC有豐富的電氣接口;再次，考慮到設(shè)備將來(lái)的改造升級(jí)需求，需要PLC易擴(kuò)展;最后，結(jié)合客戶預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)，選擇了西門子S7-1200系列的1214C CPU，并配置2塊SM1231、1塊SM1223、1塊SM1232和2塊CM1241。

S7-1200是一款緊湊型、模塊化的PLC，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單卻高度精確的自動(dòng)化任務(wù)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活度高，具有豐富的工業(yè)通信接口，十分適合本自控系統(tǒng)使用[1]。

1.2 ? ?觸摸屏選型

工業(yè)觸摸屏，英文全稱Human Machine Interface，縮寫為HMI，它可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互，將PLC內(nèi)指定的參數(shù)直觀地顯示在屏幕上，也可以通過(guò)HMI設(shè)置重要的數(shù)據(jù)到PLC內(nèi)[2]。

在控制PLC選擇西門子1214C CPU之后，結(jié)合使用場(chǎng)合及與PLC的通信要求，選擇了威綸通MT8121iE觸摸屏，其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）支持RS232/RS485和以太網(wǎng)通信，都支持與西門子1214C CPU直接通信，十分穩(wěn)定快捷。

（2）支持SD卡和USB，可以將觸摸屏上采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入SD卡或U盤內(nèi)，便于數(shù)據(jù)保存。

（3）前面板支持IP65防護(hù)等級(jí)，主板涂層保護(hù)處理能在嚴(yán)苛的環(huán)境中防止腐蝕，適用于地基施工現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境。

1.3 ? ?變頻器選型

此自動(dòng)供漿系統(tǒng)中，攪拌罐和泥漿桶都有攪拌功能。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，攪拌器由普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)上級(jí)通過(guò)接觸器直接啟動(dòng)，啟動(dòng)沖擊電流很大，對(duì)電網(wǎng)和空開(kāi)要求嚴(yán)苛;且無(wú)論桶內(nèi)泥漿多少，啟動(dòng)后都是滿速運(yùn)行，造成電能浪費(fèi)。

本設(shè)計(jì)中，將普通電機(jī)改成變頻電機(jī)，電機(jī)上級(jí)通過(guò)變頻器啟動(dòng)。變頻器啟動(dòng)電流沖擊小，越是頻繁啟動(dòng)，越是節(jié)能，且變頻器可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，根據(jù)桶內(nèi)的泥漿量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，也能實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。變頻器選擇的型號(hào)是臺(tái)達(dá)ME300系列[3]。

1.4 ? ?傳感器選型

本系統(tǒng)重要傳感器選型如下：

（1）儲(chǔ)水箱液位開(kāi)關(guān)：根據(jù)水箱的液位，實(shí)現(xiàn)低液位開(kāi)啟水泵，高液位關(guān)閉水泵。選型為上海凡宜科技的連桿浮球液位開(kāi)關(guān)，型號(hào)為FCBFN5P331500A。

（2）攪拌罐稱重傳感器：實(shí)時(shí)測(cè)量桶重，根據(jù)重量變化，調(diào)節(jié)攪拌罐電機(jī)的轉(zhuǎn)速。選型為大洋高精度S型稱重傳感器[4]，量程0～2 t。

（3）泥漿桶導(dǎo)波雷達(dá)：實(shí)時(shí)測(cè)量桶內(nèi)漿位，實(shí)現(xiàn)漿少補(bǔ)充，漿滿停補(bǔ)，告知供漿泵是否有足夠的漿量供應(yīng)，且其會(huì)影響儲(chǔ)漿桶電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。選型為倍加福導(dǎo)波雷達(dá)，型號(hào)為UB1000-18GM75-I-V15。

（4）供漿泵流量計(jì)：為了實(shí)現(xiàn)供漿泵的漿量穩(wěn)定供應(yīng)，需要實(shí)時(shí)PID調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)反饋源自泥漿流量計(jì)。選型為西門子電磁流量計(jì)，型號(hào)為MAG5000。

2 ? ?自動(dòng)流程工藝

系統(tǒng)整體布局如圖1所示，根據(jù)工藝流程可以把系統(tǒng)分成三部分。

（1）配料部分：

1）水泥存儲(chǔ)罐，存儲(chǔ)水泥原料，四角安裝稱重傳感器，可實(shí)時(shí)稱重水泥存料重量，在水泥存量不足時(shí)報(bào)警提示;

2）水泥罐吹灰閥，可以開(kāi)啟吹氣，防止水泥阻塞，保障通暢供應(yīng);

3）水泥攪籠，將水泥罐內(nèi)的水泥搬運(yùn)至水泥斗;

4）抽水泵，將工業(yè)用水抽至水箱暫存;

5）水箱，存儲(chǔ)待使用的水;

6）供水泵，將水箱內(nèi)的用水抽至儲(chǔ)水斗中;

7）水泥斗，存儲(chǔ)待配制泥漿的水泥;

8）儲(chǔ)水斗，存儲(chǔ)待配制泥漿的用水。

（2）攪拌部分：

1）攪拌罐，攪拌泥漿，四角安裝稱重傳感器，可實(shí)時(shí)稱重泥漿重量，根據(jù)重量調(diào)節(jié)攪拌罐電機(jī)轉(zhuǎn)速;

2）攪拌罐攪拌器，由變頻電機(jī)和變頻器驅(qū)動(dòng)，攪拌泥漿;

3）水泥閥，控制水泥落入攪拌罐中;

4）水閥，控制水落入攪拌罐中;

5）水泥斗吹灰閥，可以開(kāi)啟吹氣，防止水泥阻塞，保障通暢供應(yīng);

6）放漿閥，控制泥漿落入泥漿桶中;

7）泥漿桶，存儲(chǔ)配制完成的泥漿待用，其配備導(dǎo)波雷達(dá)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)漿位;

8）泥漿桶攪拌器，由變頻電機(jī)和變頻器驅(qū)動(dòng)，攪拌成漿，防止其沉淀凝結(jié)，可根據(jù)漿位，無(wú)級(jí)調(diào)速。

（3）供漿部分：

1）漿水閥，控制成漿流入送漿泵;

2）送漿泵，由變頻器控制，可根據(jù)給定流量與流量計(jì)反饋流量，PID調(diào)節(jié);

3）流量計(jì)，實(shí)時(shí)檢測(cè)漿管內(nèi)流量。

2.1 ? ?自動(dòng)配料流程

如圖2所示，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)模式后，系統(tǒng)檢測(cè)水泥罐內(nèi)存儲(chǔ)的水泥原料重量是否滿足，不滿足的話，會(huì)報(bào)警待機(jī)，觸摸屏提示水泥原料存儲(chǔ)不足。如果重量滿足，系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)水箱內(nèi)液位情況，液位低，就會(huì)啟動(dòng)補(bǔ)水泵補(bǔ)水，補(bǔ)水超時(shí)會(huì)報(bào)警待機(jī)，觸摸屏提示補(bǔ)水超時(shí);液位正?；蛘哐a(bǔ)水完成后，則等待請(qǐng)求配料。

如果接收到配料請(qǐng)求，PLC根據(jù)觸摸屏上設(shè)定的參數(shù)“水泥漿目標(biāo)重量”和“水灰比”，計(jì)算出水泥斗進(jìn)灰重量和儲(chǔ)水斗進(jìn)水重量;此時(shí)，水泥攪籠和水泥罐吹灰閥開(kāi)啟，將水泥從水泥罐攪送至水泥斗中，待水泥斗重量達(dá)到目標(biāo)重量時(shí)，停運(yùn)水泥攪籠，延遲30 s（可設(shè)定）后關(guān)閉水泥罐吹灰閥;同時(shí)，供水泵開(kāi)啟，將水箱內(nèi)的水抽至儲(chǔ)水斗中，待儲(chǔ)水斗重量達(dá)到目標(biāo)重量時(shí)，停運(yùn)供水泵;配料完畢，告知系統(tǒng)。

2.2 ? ?自動(dòng)攪拌流程

如圖3所示，在配料完成的情況下，如果接收到攪拌指令，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)攪拌流程。首先，打開(kāi)水閥，將儲(chǔ)水斗內(nèi)指定重量水放入攪拌罐，待放水完成，延遲30 s（可設(shè)定）后關(guān)閉水閥，同時(shí)開(kāi)啟攪拌罐攪拌器;然后，開(kāi)啟水泥閥和水泥斗吹灰閥，將水泥斗內(nèi)指定重量的水泥放入攪拌罐，待放灰完畢，延遲30 s（可設(shè)定）后關(guān)閉水泥閥，再延遲5 s（可設(shè)定）后關(guān)閉水泥斗吹灰閥;系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入攪拌計(jì)時(shí)，等待到達(dá)“攪拌時(shí)間”;攪拌時(shí)間到達(dá)后，放漿閥開(kāi)啟，泥漿從攪拌罐流入泥漿桶，同時(shí)泥漿桶攪拌器開(kāi)啟，待泥漿放入完畢，關(guān)閉放漿閥。系統(tǒng)檢測(cè)泥漿桶導(dǎo)波雷達(dá)液位高度，根據(jù)高度不同設(shè)置泥漿桶攪拌器不同的轉(zhuǎn)速;同時(shí)，根據(jù)導(dǎo)波雷達(dá)液位高度，判斷是否繼續(xù)拌漿，若高度不符，則繼續(xù)重復(fù)以上流程，直到高度符合，告知系統(tǒng)攪拌完成。

2.3 ? ?自動(dòng)供漿流程

如圖4所示，在攪拌完成的情況下，如果接收到供漿指令，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)供漿流程。開(kāi)啟漿水閥，延遲10 s（可設(shè)定）后，開(kāi)啟送漿泵，送漿泵由變頻器控制，變頻器根據(jù)觸摸屏給定流量與流量計(jì)反饋流量，PID調(diào)節(jié)，保證流量穩(wěn)定供應(yīng)。

3 ? ?關(guān)鍵程序的具體寫法

S7-1200系列從V2.2版本開(kāi)始支持SCL語(yǔ)言，由于筆者的編程習(xí)慣，本系統(tǒng)的PLC編程語(yǔ)言選擇SCL語(yǔ)言。SCL（Structured Control Language，結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言）是一種基于PASCAL的高級(jí)編程語(yǔ)言，這種語(yǔ)言基于標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 61131-3（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為IEC 1131-3）[5]。

本文主要展示供漿泵PID調(diào)節(jié)程序與泥漿桶導(dǎo)波雷達(dá)液位濾波程序。

3.1 ? ?供漿泵PID調(diào)節(jié)程序

程序調(diào)用S7-1200自帶PID功能，其中比例增益0.22，積分作用時(shí)間12.336，微分作用時(shí)間3.316 7。程序如下：

IF ″bReady_Trans_mud″ THEN

IF ″bData_1#Flowmeter_given″ > 0 THEN

″ 1#Trans _ Motor _ PID _ Compact″ （Setpoint ： =″bData_1#Flowmeter_given″，

Input_PER ：= ABS（″ai_EC_1#Flowmeter_Data"），

Output_PER=>″ao_EC_1#Trans_Motor_Freq_given"）;

ELSE

″ao_EC_1#Trans_Motor_Freq_given″ ? ? ? ? ? ? ：= 0;

END_IF;

IF ″bData_2#Flowmeter_given″ > 0 THEN

″ ?2#Trans _ Motor _ PID _ Compact″ （Setpoint ： ?= ″bData_2#Flowmeter_given″，

Input_PER ：= ABS（″ai_EC_2#Flowmeter_Data″），

Output_PER => ″ao_EC_2#Trans_Motor_Freq_given″）;

ELSE

″ao_EC_2#Trans_Motor_Freq_given″ ：= 0;

END_IF;

END_IF;

3.2 ? ?導(dǎo)波雷達(dá)液位濾波程序

攪拌器的攪動(dòng)會(huì)造成泥漿桶內(nèi)液位的波動(dòng)，導(dǎo)致導(dǎo)波雷達(dá)傳感器采集的液位值一直浮動(dòng)，所以為了便于程序運(yùn)算，對(duì)液位值進(jìn)行濾波處理。程序如下：

#R_TRIG_Mix_data_Read（CLK ：= ″bSystem_Clock_

10Hz″）;

IF #R_TRIG_Mix_data_Read.Q THEN

FOR #bPoint ：= 0 TO 4 DO

″23_Mix_data″.data1[5 - #bPoint] ：= ″23_Mix_data″.data1[4 - #bPoint];

″23_Mix_data″.data1[0] ：= #bData_Storage_Tank_

Level;

END_FOR;

END_IF;

″bData_Storage_data1″ ：= ″23_Mix_data″.data1[0];

″bData_Storage_data2″ ：= ″23_Mix_data″.data1[1];

″bData_Storage_data3″ ：= ″23_Mix_data″.data1[2];

″bData_Storage_data4″ ：= ″23_Mix_data″.data1[3];

″bData_Storage_data5″ ：= ″23_Mix_data″.data1[4];

″bData_Storage_data6″ ：= ″23_Mix_data″.data1[5];

″bData_Storage_Tank_Level″ ：= MIN（IN1：=″bData_

Storage_data1″，

IN2：=″bData_Storage_data2″，

IN3：=″bData_Storage_data3″，

IN4：=″bData_Storage_data4″，

IN5：=″bData_Storage_data5″，

IN6：=″bData_Storage_data6″）;

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

本文全面介紹了泥漿后臺(tái)自動(dòng)供漿系統(tǒng)的搭建，包括PLC、HMI、變頻器和傳感器的選型，自動(dòng)流程工藝以及自動(dòng)流程圖，PID調(diào)節(jié)和液位值濾波程序的寫法，可以實(shí)現(xiàn)泥漿后臺(tái)系統(tǒng)的自動(dòng)配料、自動(dòng)攪拌和自動(dòng)供漿，從而為需要做類似系統(tǒng)的工程師提供了實(shí)例參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 西門子（中國(guó)）有限公司.深入淺出西門子S7-1200 PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[2] 顧鴻壽.觸摸屏技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2020.

[3] 李志國(guó).臺(tái)達(dá)變頻器在商品混凝土攪拌機(jī)節(jié)能改造中的成功應(yīng)用[J].國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2009（3）：20-21.

[4] 劉九卿.實(shí)用S型稱重傳感器[J].傳感器應(yīng)用技術(shù)，1989，7（4）：2-4.

[5] 陳志強(qiáng)，王海燕，宋凡峰.SCL語(yǔ)言編寫的實(shí)用型流量累積FB功能塊[J].電氣自動(dòng)化，2013，35（1）：21-22.

收稿日期：2021-10-18

作者簡(jiǎn)介：王鑫宇（1989—），男，安徽阜陽(yáng)人，研究方向：電氣控制。