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(chǎn)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(yōu)化操作步驟，利用原有雙向皮帶機，依托PLC 控制系統(tǒng)實現(xiàn)四料倉獨立選擇性布料單元。目前，PLC技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于“過程自動化”和“制造自動化”等多個領(lǐng)域，進一步優(yōu)化設計操作步驟和PLC 控制系統(tǒng)模塊化編程等，實現(xiàn)生產(chǎn)操作的柔性化和布料系統(tǒng)故障的可視化[1]。本文簡要介紹了S7-200 SMART控制系統(tǒng)設計實例。

2 布料系統(tǒng)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(tǒng)單元原流程見圖1，成品散裝料經(jīng)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(xiàn)高料報警時，由操作人員關(guān)閉散裝庫上料系統(tǒng)單元，根據(jù)個人經(jīng)驗等待設備內(nèi)物料倒空后再關(guān)閉四料倉布料系統(tǒng)。

2.2 新制工藝流程

四料倉自動布料控制系統(tǒng)單元需要新增兩臺電動翻板閥14Q210A和14Q210B，與原布料系統(tǒng)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(jù)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(xù)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(guān)停布料系統(tǒng)。

2.3 控制要求

2.3.1 就地模式

操作臺模式開關(guān)選擇“就地”位，布料系統(tǒng)所屬三臺設備都可以在現(xiàn)場自主啟停，相互間沒有任何約束，主要用于設備就地調(diào)試檢修，如調(diào)節(jié)翻板閥倉位接近開關(guān)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(tài)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(guān)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(guān)選擇“遙控”位，布料系統(tǒng)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(guān)（自動回位）先旋轉(zhuǎn)至“復位”，而后旋轉(zhuǎn)至“啟動”兩位，四料倉自動布料系統(tǒng)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(xiàn)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(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(tǒng)復位

操作臺“復位/啟動”開關(guān)可以旋轉(zhuǎn)至“復位”，四料倉布料系統(tǒng)會立即關(guān)停所有設備。

選中料倉全都高料報警時，新布料系統(tǒng)會立即關(guān)停所有設備。聯(lián)鎖模式下，當布料系統(tǒng)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(tǒng)關(guān)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(xiàn)場停止鈕按下時，四料倉布料系統(tǒng)也會立即關(guān)停所有設備。

2.5 布料系統(tǒng)指示及操作臺設置

新布料系統(tǒng)單元增加了布料系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)輸入變量列表

表2 新布料系統(tǒng)輸出變量列表

3 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

為了滿足新布料系統(tǒng)控制要求，輸入變量為BOOL開關(guān)量，數(shù)量是30 個；輸出變量同樣為BOOL 開關(guān)量，數(shù)量是12個。據(jù)此選用西門子S7-200 SMART系列PLC，結(jié)合產(chǎn)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(gòu)建24VDC 回路，輸出端構(gòu)建繼電器回路。

◆PLC數(shù)字量輸入擴展模塊：EM DE16，16個數(shù)字量，輸入端構(gòu)建24 VDC回路。

◆繼電器回路：為了保障PLC 設備使用安全，現(xiàn)場信號構(gòu)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(tǒng)設計及優(yōu)化

新布料系統(tǒng)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(xiàn)如下功能：

(1) 就地和遙控子程序切換

(2) 系統(tǒng)所屬三臺設備的運行指令

(3) 系統(tǒng)所屬三臺設備的故障判斷和事件處理

(4) 系統(tǒng)總體狀態(tài)判斷，作為上游上料設備運行聯(lián)鎖信號輸出。

4.2 就地子程序

操作人員現(xiàn)場啟停翻板閥和可逆雙向皮帶機，設備啟停不受系統(tǒng)聯(lián)鎖約束。

4.3 遙控子程序

這一部分是程序設計重點，實現(xiàn)料倉之間布料操作，同時實現(xiàn)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(tài)。

(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(tǒng)就會自動順次切換布料；當所有料倉都失效后，布料系統(tǒng)會自動停止。

5 程序優(yōu)化

(1) 系統(tǒng)總狀態(tài)輸出用聯(lián)鎖信號優(yōu)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(qū)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?qū)崿F(xiàn)方法：將可逆皮帶機Q206南行和北行運行狀態(tài)信號延遲斷開，實現(xiàn)皮帶機正常換向時段上游設備用聯(lián)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(xù)布料。

(3) 上游設備聯(lián)鎖停車程序優(yōu)化

當最后一個料倉高料報警時，上游設備全都立即關(guān)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(yōu)化程序，實現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)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(fā)生時，立刻關(guān)停上料皮帶機，后續(xù)斗提機、篩分機及布料雙向皮帶機延遲T3（20秒）倒空設備內(nèi)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(jié)束語

當前現(xiàn)場設備已改造完成，已實現(xiàn)所有設計要求，并與原有上料系統(tǒng)很好地融合，體現(xiàn)了PLC系統(tǒng)的可靠性、柔性設計和改造的優(yōu)勢。