基于S7-200 SMART PLC控制的四料倉布料系統

薛洪劍,張向宇,仲維亮,石曉光,賁艷英,馬龍海

（中國-阿拉伯化肥有限公司，河北 秦皇島 066000）

1 引言

中阿公司有4條成品包裝線A/B/C/D，其中倉位A/B是兩個相鄰的散料倉，當料倉A滿料后會溢流方式為B倉布料（溢流倉），倉位C/D布料方式類同，分為布料倉和溢流倉。每個料倉都有高料報警。為滿足多品種小批量產品的包裝需求，增設兩套翻板閥，將原有的溢流倉改為獨立倉位，采用PLC模塊化編程的方法，優化操作步驟，利用原有雙向皮帶機，依托PLC 控制系統實現四料倉獨立選擇性布料單元。目前，PLC技術已經廣泛應用于“過程自動化”和“制造自動化”等多個領域，進一步優化設計操作步驟和PLC 控制系統模塊化編程等，實現生產操作的柔性化和布料系統故障的可視化[1]。本文簡要介紹了S7-200 SMART控制系統設計實例。

2 布料系統流程及控制要求

2.1 原布料工藝流程

四料倉雙向布料系統單元原流程見圖1，成品散裝料經斗提機14Q240 皮帶機和篩分機14S201 等設備輸送至可逆帶式輸送機14Q206，由操作人員人工控制皮帶機運行方向，可逆輸送機南行為A/B 倉同時布料，北行時為C/D 倉布料。每個料倉都有高料檢測報警，出現高料報警時，由操作人員關閉散裝庫上料系統單元，根據個人經驗等待設備內物料倒空后再關閉四料倉布料系統。

2.2 新制工藝流程

四料倉自動布料控制系統單元需要新增兩臺電動翻板閥14Q210A和14Q210B，與原布料系統控制單元差異如下：

由操作人員自由選擇一個或多個料倉布料，可逆帶式輸送機14Q206根據操作人員選擇自動布料，當某個料倉高料報警時自動停止為該倉布料，繼續為其他選中料倉布料，直至被選擇料倉全都高料或由操作人員手動關停布料系統。

2.3 控制要求

2.3.1 就地模式

操作臺模式開關選擇“就地”位，布料系統所屬三臺設備都可以在現場自主啟停，相互間沒有任何約束，主要用于設備就地調試檢修，如調節翻板閥倉位接近開關位置，防止翻板閥閥板過度伸縮；測試雙向皮帶機運行實際狀態與模擬盤運行指示對應狀況。

出于人身安全考量，皮帶機自身有低速和拉繩保護，確保在任何模式下拉繩保護都可以立即關停皮帶機，低速打滑檢測僅僅用于報警提示[2]。

2.3.2 遙控模式

操作臺模式開關選擇“遙控”位，布料系統所屬三臺設備都由PLC程序自動控制。操作人員首先選中布料料倉（一個或幾個），然后將“復位/啟動”選擇開關（自動回位）先旋轉至“復位”，而后旋轉至“啟動”兩位，四料倉自動布料系統單元立即在PLC程序控制下開始運行。

2.3.3 料倉切換要求

四個料倉全都選中時，自動按照“A-B-C-D-A”順次布料，按照時間間隔（10min）進行切換，翻板閥做出對應切換，保障物料順利布料至對應料倉。例如，A倉布料階段，翻板閥向A 位切換，待翻板到達A 位后皮帶機Q206自動啟動南行，布料計時開始。

實現料倉有效性實時判斷，當料倉被選中且沒有高料報警時，待切換條件滿足時會為該料倉布料。

未被選中的料倉編號自動被屏蔽越過，如C 倉未選中，自動按照“A-B-D-A”順次布料。

被選中料倉自動順次布料時，若某個料倉突然高料報警，比如B倉高料，則B倉會立刻停止布料并順次轉向下一個料倉D。

當高料倉位料位下降時高位報警自動復位，在下一個布料順序中該倉位會自動加入布料隊列。

在布料運行中，操作人員可以自由改選料倉，被關閉的倉位布料立刻停止并按照布料順序自動切換到下一個倉位，新選倉位自動加入布料序列。如關閉D倉和選中C倉，自動布料順序會更新為“A-B-C-A”。

2.4 系統復位

操作臺“復位/啟動”開關可以旋轉至“復位”，四料倉布料系統會立即關停所有設備。

選中料倉全都高料報警時，新布料系統會立即關停所有設備。聯鎖模式下，當布料系統正常運行時，上游上料設備，如斗提機、振動給料機、篩分機等設備方可啟動。當布料系統關停時，上游設備立即停止或無法開啟。

為了保障人身安全，當可逆式雙向皮帶機拉繩保護動作或現場停止鈕按下時，四料倉布料系統也會立即關停所有設備。

2.5 布料系統指示及操作臺設置

新布料系統單元增加了布料系統運行指示燈和電動翻板閥倉位指示燈（A位、B位、C位、D位）。

新布料系統單元延用了14Q206 運行方向指示燈（“南行”、“北行”），四料倉高料報警（“A倉高料”、“B倉高料”、“C倉高料”、“D倉高料”）

表1 新布料系統輸入變量列表

表2 新布料系統輸出變量列表

3 控制系統硬件組態

為了滿足新布料系統控制要求，輸入變量為BOOL開關量，數量是30 個；輸出變量同樣為BOOL 開關量，數量是12個。據此選用西門子S7-200 SMART系列PLC，結合產品可靠性和擴展性，硬件配置如下：

◆PLC 主模塊：CPU SR40 AC/DC/RLY，電源取自控制柜電源115VAC 母線，輸入端構建24VDC 回路，輸出端構建繼電器回路。

◆PLC數字量輸入擴展模塊：EM DE16，16個數字量，輸入端構建24 VDC回路。

◆繼電器回路：為了保障PLC 設備使用安全，現場信號構建繼電器回路，無源點用于PLC輸入信號，同時減少PLC輸入變量和輸出變量總量，降低設備成本。

4 新布料系統設計及優化

新布料系統程序包含了三個程序塊：主程序，就地子程序，遙控子程序。

4.1 主程序

主要實現如下功能：

(1) 就地和遙控子程序切換

(2) 系統所屬三臺設備的運行指令

(3) 系統所屬三臺設備的故障判斷和事件處理

(4) 系統總體狀態判斷，作為上游上料設備運行聯鎖信號輸出。

4.2 就地子程序

操作人員現場啟停翻板閥和可逆雙向皮帶機，設備啟停不受系統聯鎖約束。

4.3 遙控子程序

這一部分是程序設計重點，實現料倉之間布料操作，同時實現料倉的有效性判斷和實時料倉切換響應。

(1) 倉位有效性判斷（以A倉有效性判斷為例）

(2) 料倉切換

當多個料倉輪換布料時，滿足下面其中一個條件即可輪換：一個是布料時長達到設定時間（10min）；二是當前布料料倉處于失效狀態。

(3) 遙控子程序SFC編程框架

圖4遙控子程序順序功能圖SFC中間省略了B/C倉判斷部分，類似于A倉判斷、布料、切換控制。

四個料倉中只要有一個料倉仍然有效，布料系統就會自動順次切換布料；當所有料倉都失效后，布料系統會自動停止。

5 程序優化

(1) 系統總狀態輸出用聯鎖信號優化

雙向皮帶機進行南北向切換時，設備實際會停止一段時間，需要增加程序段，用來區分皮帶機的故障停機和換向停機的差異，避免上游設備頻繁的啟停。程序實現方法：將可逆皮帶機Q206南行和北行運行狀態信號延遲斷開，實現皮帶機正常換向時段上游設備用聯鎖信號保持為1。

(2) 翻板閥故障程序響應

翻板閥共計兩臺，如果一臺故障，必然影響對應兩個料倉的切換布料，為了減少翻板閥故障影響范圍，增加翻板閥故障信號作為對應料倉的失效信號，使另一臺翻板閥和對應料倉布料繼續布料。

(3) 上游設備聯鎖停車程序優化

當最后一個料倉高料報警時，上游設備全都立即關停，皮帶機、斗提機和篩分機都存滿物料，再次啟動時，重載啟動會造成設備故障或電機燒損。因此優化程序，實現最后一個料倉高料報警后，延遲停機，保障斗提機和篩分機及雙向皮帶機物料倒空。

程序實現方法：

(1) 進行選中料倉中最后達到高料報警者判斷，判斷出A/B/C/D倉編號，圖6為判斷A倉舉例。

(2) 待該料倉高料報警發生時，立刻關停上料皮帶機，后續斗提機、篩分機及布料雙向皮帶機延遲T3（20秒）倒空設備內物料再行停機，保障設備無載啟動，圖7為程序片段，省略了B、C、D倉處置程序。

6 結束語

當前現場設備已改造完成，已實現所有設計要求，并與原有上料系統很好地融合，體現了PLC系統的可靠性、柔性設計和改造的優勢。