基于S7-1200型PLC和HMI設(shè)計(jì)的自動(dòng)清洗機(jī)技術(shù)說明

上海自動(dòng)化儀表有限公司為解決人工清洗玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)效率低、不徹底、易損壞玻璃管的缺點(diǎn)，基于Ｓ７－１２００ＰＬＣ和ＨＭＩ設(shè)計(jì)了一臺(tái)自動(dòng)清洗機(jī)。介紹了自動(dòng)清洗機(jī)清洗工藝設(shè)計(jì)、控制要求、硬件設(shè)計(jì)、電氣接線圖設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)和ＨＭＩ組態(tài)的方法和思路。自動(dòng)清洗機(jī)采用了超聲波清洗技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了清洗過程自動(dòng)控制，清洗次數(shù)、時(shí)間、液位可設(shè)定，ＨＭＩ實(shí)時(shí)顯示液位和清洗狀態(tài)，清洗效率高、效果好，同時(shí)避免損壞轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

引言

在生產(chǎn)過程中，使用玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)去離子水流量。在長時(shí)間工作后，轉(zhuǎn)子流量計(jì)玻璃管內(nèi)壁、轉(zhuǎn)子上會(huì)粘附雜質(zhì)污垢，因此需要定期清洗玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子流量計(jì)清洗流程為人工拆卸、浸泡、清洗、組裝，清洗效率低、清洗不徹底、玻璃管易損壞。為此，本文基于Ｓ７－１２００ＰＬＣ和ＨＭＩ設(shè)計(jì)一臺(tái)清洗次數(shù)、時(shí)間、液位可設(shè)定，ＨＭＩ能實(shí)時(shí)顯示液位和清洗狀態(tài)，并可避免轉(zhuǎn)子流量計(jì)破損的自動(dòng)清洗機(jī)。

１清洗工藝設(shè)計(jì)

１．１總體方案

自動(dòng)清洗機(jī)有兩種清洗模式，即自動(dòng)清洗模式和手動(dòng)清洗模式。自動(dòng)清洗機(jī)能夠自動(dòng)進(jìn)水和排水，為提高清洗質(zhì)量，采取循環(huán)清洗方法，即通過水泵將水打循環(huán)清洗轉(zhuǎn)子流量計(jì)玻璃管內(nèi)部和轉(zhuǎn)子，清洗完成后通過泵將臟水排出。自動(dòng)清洗機(jī)采用超聲波清洗技術(shù)，能針對(duì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的全面清洗，清洗時(shí)間短、效率高及清洗質(zhì)量好［１］。超聲波清洗機(jī)使用市場(chǎng)上成熟產(chǎn)品，具有加熱且溫控功能，超聲功率可調(diào)。自動(dòng)清洗機(jī)工藝設(shè)備包括閥、泵、液位計(jì)、超聲波清洗機(jī)及其他管路接頭等，工藝圖如圖１所示。閥１（ＦＶ－０１）為進(jìn)水閥，進(jìn)水時(shí)打開；閥２（ＦＶ－０２）為清洗閥，循環(huán)清洗轉(zhuǎn)子流量計(jì)內(nèi)部時(shí)打開；閥３（ＦＶ－０３）為排水閥，清洗完成排水時(shí)打開；泵（０１．００）在循環(huán)清洗和排水時(shí)啟動(dòng)；液位計(jì)（ＬＴ－０１）用于測(cè)量水位；超聲波清洗機(jī)（０２．００）產(chǎn)生超聲波并清洗轉(zhuǎn)子流量計(jì)，同時(shí)能給水加熱。

１．２自動(dòng)清洗工藝控制設(shè)計(jì)

清洗次數(shù)、時(shí)間和液位可以設(shè)定，溫度、超聲功率可調(diào)；按下啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)進(jìn)水、循環(huán)清洗、超聲、加熱，清洗完成后自動(dòng)排水；按下停止按鈕，停止超聲、加熱、泵，關(guān)閉所有閥；為避免低液位帶來的泵空轉(zhuǎn)和加熱隱患，液位需不低于０．１ｍ才能啟動(dòng)自動(dòng)清洗；為了確保清洗效果，總清洗次數(shù)需不少于２次，其中第１次清洗為加洗滌劑清洗，第２次及以后為清水清洗，每次清洗時(shí)間不短于１ｍｉｎ，否則無法啟動(dòng)自動(dòng)清洗。

自動(dòng)清洗流程如下：（１）設(shè)定超聲功率、加熱溫度，設(shè)定清洗次數(shù)、每次清洗時(shí)間、每次清洗液位。（２）非常好次啟動(dòng)，按下啟動(dòng)按鈕，進(jìn)水閥打開，或循環(huán)清洗啟動(dòng)，進(jìn)水閥打開。水位達(dá)到設(shè)定液位后關(guān)閉進(jìn)水閥，進(jìn)入下一步。（３）啟動(dòng)超聲、加熱，打開清洗閥，啟動(dòng)泵。清洗時(shí)間到后關(guān)閉超聲、加熱、清洗閥，停泵，進(jìn)入下一步。（４）打開排水閥，啟動(dòng)泵。排水完成后，關(guān)閉排水閥，停泵，進(jìn)入下一步。（５）已清洗次數(shù)累加１次。已清洗次數(shù)小于設(shè)定清洗次數(shù)，進(jìn)入步驟（２）中循環(huán)清洗。已清洗次數(shù)等于設(shè)定清洗次數(shù)時(shí)清洗完成。

１．３手動(dòng)清洗工藝控制設(shè)計(jì)

手動(dòng)控制進(jìn)水閥加水；手動(dòng)控制清洗閥、泵循環(huán)清洗；手動(dòng)控制排水閥并啟動(dòng)泵排水；手動(dòng)控制超聲和加熱；只有當(dāng)液位不低于０．０２ｍ，且清洗閥或排水閥打開時(shí)才能啟動(dòng)泵；當(dāng)液位低于０．０２ｍ，或清洗閥關(guān)閉，或排水閥關(guān)閉時(shí)，泵立即停止。手動(dòng)清洗模式下，可以根據(jù)實(shí)際情況操作設(shè)備。手動(dòng)清洗流程如下：（１）在超聲波清洗機(jī)上設(shè)定超聲功率、加熱溫度。（２）手動(dòng)打開進(jìn)水閥，加到合適水位后關(guān)閉進(jìn)水閥。（３）手動(dòng)打開超聲波、加熱、清洗閥，啟動(dòng)泵。清洗完成后手動(dòng)關(guān)閉超聲波、加熱、清洗閥，停止泵。（４）手動(dòng)打開排水閥，啟動(dòng)泵。排水完成后手動(dòng)關(guān)閉排水閥，停泵。

１．４急停控制要求

任何時(shí)候，一旦按下急停按鈕，清洗機(jī)停止運(yùn)行，所有閥關(guān)閉，泵停止，超聲和加熱關(guān)閉。自動(dòng)清洗機(jī)有自動(dòng)、手動(dòng)模式狀態(tài)指示燈，運(yùn)行（自動(dòng)模式下）和停止（自動(dòng)下或急停）狀態(tài)指示燈。

２硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

２．１工藝設(shè)備選型

為了兼顧效率和成本，設(shè)計(jì)一次清洗４０臺(tái)轉(zhuǎn)子流量計(jì)。為了提高清洗效率，進(jìn)水、排水和內(nèi)部循環(huán)水管路選擇內(nèi)徑２０ｍｍ，閥門選擇電磁水閥。泵的流量要大，確保能盡快排完水。清洗液位沒過轉(zhuǎn)子流量計(jì)即可，因此液位變送器選擇０～１ｍ量程。超聲波清洗機(jī)選擇清洗槽５３Ｌ，超聲和加熱啟停由按鈕開關(guān)控制（非常好次按下啟動(dòng)，第二次按下停止，第三次按下啟動(dòng)，如此循環(huán)），超聲功率和加熱溫度在超聲波清洗機(jī)上設(shè)定。

２．２控制設(shè)備選型

２．２．１Ｉ／Ｏ點(diǎn)分配

手動(dòng)清洗模式使用較少，為了節(jié)省Ｉ／Ｏ點(diǎn)，減少電氣接線和成本，手動(dòng)模式下均在ＨＭＩ上操作。為了操作方便，手動(dòng)、自動(dòng)模式下均采用２ＮＯ旋鈕開關(guān)控制，而自動(dòng)模式下啟停采用常開按鈕開關(guān)控制。Ｉ／Ｏ點(diǎn)分配見。

２．２．２ＰＬＣ選擇

所選擇的ＰＬＣ應(yīng)能滿足控制要求，Ｉ／Ｏ點(diǎn)數(shù)要合適。ＰＬＣ產(chǎn)品的種類繁多，其結(jié)構(gòu)形式、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價(jià)格等各不相同，因此合理選擇ＰＬＣ，使其具有較高的性價(jià)比顯得非常重要［２］。本文選用西門子Ｓ７－１２００系列ＰＬＣ，Ｓ７－１２００設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活，有功能強(qiáng)大的指令集。選擇ＣＰＵ１２１５Ｃ，繼電器輸出，１４點(diǎn)數(shù)字量輸入，１０點(diǎn)數(shù)字量輸出，２點(diǎn)模擬量輸入，２點(diǎn)模擬量輸出，ＤＣ２４Ｖ供電，能滿足本設(shè)計(jì)要求。

２．２．３ＨＭＩ選擇

通常情況下采用自動(dòng)清洗模式，ＨＭＩ只用于參數(shù)設(shè)定和監(jiān)視，因此ＨＭＩ尺寸不必太大。本文選用西門子ＫＴＰ４００ＢａｓｉｃＨＭＩ，４．３英寸ＴＦＴ真彩液晶屏，６４Ｋ色，ＤＣ２４Ｖ供電，能通過Ｐｒｏｆｉｎｅｔ網(wǎng)絡(luò)與ＣＰＵ１２１５Ｃ通信。Ｓ７－１２００ＣＰＵ和ＫＴＰ４００ＢａｓｉｃＨＭＩ用ＴＩＡ博途中的ＳＴＥＰ７Ｂａｓｉｃ（基本版）或ＳＴＥＰ７Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ（專業(yè)版）編程。ＴＩＡ博途（ＴＩＡＰｏｒｔａｌ）是西門子自動(dòng)化的全新工程設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，操作直觀、上手容易、使用簡單，用戶能夠?qū)?xiàng)目進(jìn)行快速而簡單的組態(tài)［３］，能夠很方便地完成控制程序編寫和ＨＭＩ畫面組態(tài)。

２．２．４電氣接線圖設(shè)計(jì)

自動(dòng)清洗機(jī)通過ＰＬＣ控制交流繼電器的通斷來實(shí)現(xiàn)電磁水閥、泵和清洗機(jī)的動(dòng)作，目的是提高電路的可靠性和安全性。ＰＬＣ接線圖所示［４］。ＰＬＣ所有輸出點(diǎn)均通過繼電器隔離。其中Ｑ１．０、Ｑ１．１通過隔離后直接并聯(lián)接到超聲波清洗機(jī)超聲和加熱按鈕開關(guān)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲和加熱的控制。

３控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

３．１硬件和通信組態(tài)

用ＴＩＡ博途軟件ＳＴＥＰＶ１４ＳＰ１對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)和通信組態(tài)。硬件組態(tài)有ＣＰＵ參數(shù)設(shè)置、輸入輸出模塊參數(shù)設(shè)置及地址分配［５］。通信組態(tài)為ＰＬＣ和ＨＭＩＰｒｏｆｉｎｅｔ地址設(shè)置。

３．２控制程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)清洗模式下，能夠通過ＨＭＩ設(shè)定清洗次數(shù)、時(shí)間和液位。對(duì)于自動(dòng)清洗模式下的多次清洗，通過編寫子程序?qū)崿F(xiàn)。３．２．１功能塊、全局?jǐn)?shù)據(jù)和變量分配ＰＬＣ程序設(shè)計(jì)可根據(jù)控制需求合理使用幾種編程語言，以提高程序的可讀性和可維護(hù)性及編程效率，減少設(shè)備維護(hù)［６］。在編寫程序前，先進(jìn)行功能塊、全局變量和內(nèi)部變量分配。為便于調(diào)試和閱讀，本文采用功能塊和梯形圖編寫程序。

３．２．２控制程序編寫

系統(tǒng)中模擬量只有液位。液位計(jì)輸出ＤＣ０～１０Ｖ模擬信號(hào)，對(duì)應(yīng)０～１ｍ液位，而ＰＬＣ工程量為０～２７６４８，因此需要轉(zhuǎn)換。由于設(shè)定清洗時(shí)間和ＨＭＩ顯示時(shí)間單位為ｍｉｎ，而ＰＬＣ定時(shí)器時(shí)間單位為ｍｓ，因此也需要轉(zhuǎn)換。在功能塊ＦＢ２中，通過ＮＯＲＭ＿Ｘ指令完成液位的實(shí)時(shí)線性轉(zhuǎn)換，通過ＭＵＬ指令和ＤＩＶ指令完成時(shí)間的轉(zhuǎn)換。

超聲和加熱的啟停由按鈕開關(guān)控制，為了確保超聲和加熱的啟停狀態(tài)控制準(zhǔn)確無誤，采用ＲＯＬ（循環(huán)右移）指令記錄超聲和加熱的狀態(tài)。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，為記錄超聲和加熱的１Ｂｙｔｅ存儲(chǔ)字節(jié)賦初值２＃１０１０１０１０，第０位記錄超聲和加熱狀態(tài)，ＰＬＣ每一次輸出信號(hào)循環(huán)右移動(dòng)１位。根據(jù)分配好的功能塊、變量，完成非常終程序設(shè)計(jì)。

３．３ＨＭＩ組態(tài)

通過ＨＭＩ，可直觀地隨時(shí)了解、觀察并掌握清洗機(jī)的工作狀態(tài)，必要時(shí)還可通過ＨＭＩ界面修改相應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)。ＨＭＩ組態(tài)應(yīng)簡潔明了，該系統(tǒng)ＨＭＩ組態(tài)為３個(gè)畫面，分別為清洗畫面、自動(dòng)清洗參數(shù)設(shè)定畫面和手動(dòng)清洗畫面。

清洗畫面，可實(shí)時(shí)顯示清洗液位、閥、泵、超聲和加熱狀態(tài)，顯示已清洗時(shí)間和次數(shù)。清洗畫面用于自動(dòng)清洗模式。自動(dòng)清洗參數(shù)設(shè)定畫面，可設(shè)定總清洗次數(shù)、首次（加洗滌劑）時(shí)間、其次（清水）清洗時(shí)間和每次清洗液位，設(shè)定值必須滿足要求，否則不能在操作面板上啟動(dòng)自動(dòng)清洗。手動(dòng)清洗畫面，可手動(dòng)操作閥的開關(guān)、泵的啟停、超聲和加熱的啟停，還實(shí)時(shí)顯示液位。

４結(jié)語

在完成硬件安裝，下裝程序和組態(tài)畫面，調(diào)試正常后，進(jìn)行實(shí)際使用。自動(dòng)清洗機(jī)清洗３６臺(tái)轉(zhuǎn)子流量計(jì)耗時(shí)約６０ｍｉｎ，比人工清洗少１６０ｍｉｎ，效率提高了７０％。清洗后的轉(zhuǎn)子流量計(jì)均一次投用正常，無堵塞、流量無法調(diào)節(jié)、漏水等情況。

自動(dòng)清洗機(jī)基于西門子Ｓ７－１２００ＰＬＣ和ＫＴＰ４００ＢａｓｉｃＨＭＩ設(shè)計(jì)，并結(jié)合了超聲波清洗技術(shù)。通過自動(dòng)清洗機(jī)清洗轉(zhuǎn)子流量計(jì)上海自動(dòng)化儀表有限公司，提高了清洗效率和清洗質(zhì)量，避免了流量計(jì)損壞，降低了維護(hù)成本。該自動(dòng)清洗機(jī)具有較高的實(shí)用價(jià)值。