摘要：隨著自動化行業(yè)的不斷發(fā)展，其應用領域不斷擴大，用自動化逐步取代人工已成為各相關行業(yè)發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)以泥漿后臺自動供漿電控系統(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，并對水泥后臺供漿系統(tǒng)的自動流程工藝及關鍵程序的具體寫法進行了簡要分析。

關鍵詞：西門子PLC;S7-1200;水泥后臺;自動供漿系統(tǒng)

中圖分類號：TP273;TU525 ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：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，不能達到精確配比;攪拌桶電機及泥漿桶電機，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，浪費人力成本。為此，需要設計一套新型控制攪拌系統(tǒng)，實現(xiàn)水灰比精確控制、攪拌電機無級調(diào)節(jié)、泥漿自動供應，從而降本節(jié)能，節(jié)省人工。

1 ? ?自控系統(tǒng)搭建

根據(jù)泥漿攪拌供應系統(tǒng)的機械機構特點、使用場合以及客戶的成本控制要求，配置自動系統(tǒng)如下：

1.1 ? ?PLC選型

首先，泥漿攪拌系統(tǒng)應用在地基基礎現(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，考慮到設備將來的改造升級需求，需要PLC易擴展;最后，結合客戶預算標準，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，可實現(xiàn)簡單卻高度精確的自動化任務，可擴展性強、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，它可以實現(xiàn)人機之間的交互，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，結合使用場合及與PLC的通信要求，選擇了威綸通MT8121iE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防護等級，主板涂層保護處理能在嚴苛的環(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)設計中，攪拌器由普通電機驅(qū)動，電機上級通過接觸器直接啟動，啟動沖擊電流很大，對電網(wǎng)和空開要求嚴苛;且無論桶內(nèi)泥漿多少，啟動后都是滿速運行，造成電能浪費。

本設計中，將普通電機改成變頻電機，電機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）儲水箱液位開關：根據(jù)水箱的液位，實現(xiàn)低液位開啟水泵，高液位關閉水泵。選型為上海凡宜科技的連桿浮球液位開關，型號為FCBFN5P331500A。

（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)攪拌罐電機的轉速。選型為大洋高精度S型稱重傳感器[4]，量程0～2 t。

（3）泥漿桶導波雷達：實時測量桶內(nèi)漿位，實現(xiàn)漿少補充，漿滿停補，告知供漿泵是否有足夠的漿量供應，且其會影響儲漿桶電機的轉速調(diào)節(jié)。選型為倍加福導波雷達，型號為UB1000-18GM75-I-V15。

（4）供漿泵流量計：為了實現(xiàn)供漿泵的漿量穩(wěn)定供應，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;

3）水泥攪籠，將水泥罐內(nèi)的水泥搬運至水泥斗;

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)攪拌罐電機轉速;

2）攪拌罐攪拌器，由變頻電機和變頻器驅(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;

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，其配備導波雷達，可實時檢測漿位;

8）泥漿桶攪拌器，由變頻電機和變頻器驅(qū)動，攪拌成漿，防止其沉淀凝結，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，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，就會啟動補水泵補水，補水超時會報警待機，觸摸屏提示補水超時;液位正常或者補水完成后，則等待請求配料。

如果接收到配料請求，PLC根據(jù)觸摸屏上設定的參數(shù)“水泥漿目標重量”和“水灰比”，計算出水泥斗進灰重量和儲水斗進水重量;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，待水泥斗重量達到目標重量時，停運水泥攪籠，延遲30 s（可設定）后關閉水泥罐吹灰閥;同時，供水泵開啟，將水箱內(nèi)的水抽至儲水斗中，待儲水斗重量達到目標重量時，停運供水泵;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30 s（可設定）后關閉水閥，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30 s（可設定）后關閉水泥閥，再延遲5 s（可設定）后關閉水泥斗吹灰閥;系統(tǒng)開始進入攪拌計時，等待到達“攪拌時間”;攪拌時間到達后，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，關閉放漿閥。系統(tǒng)檢測泥漿桶導波雷達液位高度，根據(jù)高度不同設置泥漿桶攪拌器不同的轉速;同時，根據(jù)導波雷達液位高度，判斷是否繼續(xù)拌漿，若高度不符，則繼續(xù)重復以上流程，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)進入自動供漿流程。開啟漿水閥，延遲10 s（可設定）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，PID調(diào)節(jié)，保證流量穩(wěn)定供應。

3 ? ?關鍵程序的具體寫法

S7-1200系列從V2.2版本開始支持SCL語言，由于筆者的編程習慣，本系統(tǒng)的PLC編程語言選擇SCL語言。SCL（Structured Control Language，結構化控制語言）是一種基于PASCAL的高級編程語言，這種語言基于標準DIN EN 61131-3（國際標準為IEC 1131-3）[5]。

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

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，積分作用時間12.336，微分作用時間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 ? ?導波雷達液位濾波程序

攪拌器的攪動會造成泥漿桶內(nèi)液位的波動，導致導波雷達傳感器采集的液位值一直浮動，所以為了便于程序運算，對液位值進行濾波處理。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、HMI、變頻器和傳感器的選型，自動流程工藝以及自動流程圖，PID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。

[參考文獻]

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

[2] 顧鴻壽.觸摸屏技術及其應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2020.

[3] 李志國.臺達變頻器在商品混凝土攪拌機節(jié)能改造中的成功應用[J].國內(nèi)外機電一體化技術，2009（3）：20-21.

[4] 劉九卿.實用S型稱重傳感器[J].傳感器應用技術，1989，7（4）：2-4.

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

收稿日期：2021-10-18

作者簡介：王鑫宇（1989—），男，安徽阜陽人，研究方向：電氣控制。