基于西門子S7-1200的泥漿后臺自動供漿系統(tǒng)設(shè)計與分析

引言

傳統(tǒng)地基基礎(chǔ)行業(yè)使用的水泥后臺攪拌系統(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,不能達(dá)到精確配比:攪拌桶電機(jī)及泥漿桶電機(jī),無論泥漿數(shù)量多少,都是全速攪拌,十分耗電:同時,供漿泵的啟停由專人控制 ,浪費(fèi)人力成本。為此 ,需要設(shè)計一套新型控制攪拌系統(tǒng),實現(xiàn)水灰比精確控制、攪拌電機(jī)無級調(diào)節(jié)、泥漿自動供應(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、使用場合以及客戶的成本控制要求,配置自動系統(tǒng)如下:

1.1PLC選型

首先,泥漿攪拌系統(tǒng)應(yīng)用在地基基礎(chǔ)現(xiàn)場,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)備將來的改造升級需求,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- 2200系列的2224C 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,可實現(xiàn)簡單卻高度精確的自動化任務(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。

1.2觸摸屏選型

工業(yè)觸摸屏,英文全稱HumanMachineInterface,縮寫為HMI ,它可以實現(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HMI設(shè)置重要的數(shù)據(jù)到pLC內(nèi)。

在控制pLC選擇西門子2224CCpU之后,結(jié)合使用場合及與pLC的通信要求,選擇了威綸通MT8222iE觸摸屏,其優(yōu)點如下:

(1）支持RS232/RS485和以太網(wǎng)通信,都支持與西門子1214CCpU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)實時存入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,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)場惡劣環(huán)境。

1.3變頻器選型

此自動供漿系統(tǒng)中,攪拌罐和泥漿桶都有攪拌功能。

傳統(tǒng)設(shè)計中,攪拌器由普通電機(jī)驅(qū)動,電機(jī)上級通過接觸器直接啟動,啟動沖擊電流很大,對電網(wǎng)和空開要求嚴(yán)苛:且無論桶內(nèi)泥漿多少,啟動后都是滿速運(yùn)行,造成電能浪費(fèi)。

本設(shè)計中,將普通電機(jī)改成變頻電機(jī),電機(jī)上級通過變頻器啟動。變頻器啟動電流沖擊小,越是頻繁啟動,越是節(jié)能,且變頻器可實現(xiàn)無級調(diào)速,根據(jù)桶內(nèi)的泥漿量實時調(diào)節(jié),也能實現(xiàn)節(jié)能效果。變頻器選擇的型號是臺達(dá)ME300系列。

1.0傳感器選型

本系統(tǒng)重要傳感器選型如下:

(1）儲水箱液位開關(guān):根據(jù)水箱的液位,實現(xiàn)低液位開啟水泵,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關(guān) ,型號為FCBFN5p332500A。

(2）攪拌罐稱重傳感器:實時測量桶重,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):實時測量桶內(nèi)漿位,實現(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),且其會影響儲漿桶電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。選型為倍加福導(dǎo)波雷達(dá),型號為UB1000二18GM75二I二V15。

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

2自動流程工藝

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）水泥存儲罐,存儲水泥原料,四角安裝稱重傳感器,可實時稱重水泥存料重量,在水泥存量不足時報警提示:

2）水泥罐吹灰閥,可以開啟吹氣,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,存儲待使用的水:

6）供水泵,將水箱內(nèi)的用水抽至儲水斗中:

7）水泥斗 ,存儲待配制泥漿的水泥:

8）儲水斗 ,存儲待配制泥漿的用水。

(2）攪拌部分:

1）攪拌罐,攪拌泥漿,四角安裝稱重傳感器,可實時稱重泥漿重量,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,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,存儲配制完成的泥漿待用,其配備導(dǎo)波雷達(dá),可實時檢測漿位:

8）泥漿桶攪拌器,由變頻電機(jī)和變頻器驅(qū)動,攪拌成漿,防止其沉淀凝結(jié),可根據(jù)漿位,無級調(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)給定流量與流量計反饋流量,PID調(diào)節(jié):

3）流量計 ,實時檢測漿管內(nèi)流量。

2. 1 自動配料流程

如圖2所示,系統(tǒng)進(jìn)入自動模式后,系統(tǒng)檢測水泥罐內(nèi)存儲的水泥原料重量是否滿足,不滿足的話,會報警待機(jī),觸摸屏提示水泥原料存儲不足。如果重量滿足,系統(tǒng)開始檢測水箱內(nèi)液位情況,液位低,就會啟動補(bǔ)水泵補(bǔ)水,補(bǔ)水超時會報警待機(jī),觸摸屏提示補(bǔ)水超時:液位正常或者補(bǔ)水完成后,則等待請求配料。

如果接收到配料請求,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",計算出水泥斗進(jìn)灰重量和儲水斗進(jìn)水重量:此時,水泥攪籠和水泥罐吹灰閥開啟,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,停運(yùn)水泥攪籠,延遲30s(可設(shè)定）后關(guān)閉水泥罐吹灰閥:同時,供水泵開啟,將水箱內(nèi)的水抽至儲水斗中,待儲水斗重量達(dá)到目標(biāo)重量時,停運(yùn)供水泵:配料完畢,告知系統(tǒng)。

2.2自動攪拌流程

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)入自動攪拌流程。首先,打開水閥,將儲水斗內(nèi)指定重量水放入攪拌罐,待放水完成,延遲30s(可設(shè)定）后關(guān)閉水閥,同時開啟攪拌罐攪拌器:然后,開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30s(可設(shè)定）后關(guān)閉水泥閥 ,再延遲5s(可設(shè)定）后關(guān)閉水泥斗吹灰閥:系統(tǒng)開始進(jìn)入攪拌計時,等待到達(dá)"攪拌時間":攪拌時間到達(dá)后,放漿閥開啟,泥漿從攪拌罐流入泥漿桶,同時泥漿桶攪拌器開啟 ,待泥漿放入完畢,關(guān)閉放漿閥。系統(tǒng)檢測泥漿桶導(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,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)入自動供漿流程。開啟漿水閥 ,延遲10 s(可設(shè)定）后,開啟送漿泵,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反饋流量,P1D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

s7一1200系列從V2.2版本開始支持sCL語言,由于筆者的編程習(xí)慣,本系統(tǒng)的PLC編程語言選擇sCL語言。sCL（structuredControlLanguage,結(jié)構(gòu)化控制語言）是一種基于PAsCAL的高級編程語言,這種語言基于標(biāo) 準(zhǔn)DINEN 61131-3（國際標(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PlD調(diào)節(jié)程序

程序調(diào)用s7-1200自帶P1D功能,其中比例增益 0.22,積分作用時間12.336,微分作用時間3.3167 。程序 如下:

1F"bReady一ranTsud"一mEN

1F"bData1#FloHsetergwven">0一mEN

"1#一ranTMotorPIDCospact"(setpownt:="bData1#FloHsetergwven".

1nputPER:=ABs("awEC1#FloHseterData"). outputPER=>"aoEC1#一ranTMotorFreqgwven"):ELsE

"aoEC1#一ranTMotorFreqgwven":=0:

END 1F:

1F"bData2#FloHsetergwven">0一HEN"2#一ranTMotorP1DCospact"(setpownt:="

bData2#FloHsetergwven".

1nputPER:=ABs("awEC2#FloHseterData"). outputPER=>"aoEC2#一ranTMotorFreqgwven"):ELsE

"aoEC2#一ranTMotorFreqgwven":=0:END 1F:

END 1F:

3.2導(dǎo)波雷達(dá)液位濾波程序

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

#R一R1GMwxdataRead(CLK:="bsyTtesClock10Hz"):

1F#R一R1GMwxdataRead.0一HEN

FoR#bPownt:=0一o4Do

"23Mwxdata".data1[5-#bPownt]:="23Mwxdata".data1[4-#bPownt]:

"23Mwxdata".data1[0]:=#bDatastorage一ank

Level:

ENDFoR:

END 1F:

4結(jié)語

本文全面介紹了泥漿后臺自動供漿系統(tǒng)的搭建,包括PLC、HM1、變頻器和傳感器的選型, 自動流程工藝 以及自動流程圖,P1D調(diào)節(jié)和液位值濾波程序的寫法,可以實現(xiàn)泥漿后臺系統(tǒng)的自動配料、自動攪拌和自動供漿,從而為需要做類似系統(tǒng)的工程師提供了實例參考。