基于S7-200 PLC的陶瓷砂磨机控制系统的技术改造*

王志刚，李文群

（1.中山火炬职业技术学院，广东中山 528436；2.西门子（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 518000）

0 引言

陶瓷砂磨机是一种水平湿式连续性生产超微粒的分散机器。将预先搅拌均匀的原料送到主机的研磨槽，进而将原材料研磨到纳米单位等级的颗粒。通过PLC技术对传统的砂磨机控制系统进行改造，其所研磨之后的颗粒可以达到50纳米以下。不仅可以提高产品品质，还可以降低成本，而且具有运行稳定可靠、高效低能耗、无金属污染等特点。广泛应用于电池材料、电子浆料、数码耗材、陶瓷材料、无机颜料、稀土材料、化妆品、医药制剂、高档油墨涂料等行业。

此次技术改造的陶瓷砂磨机原机型使用国产品牌信捷PLC和触摸屏，英威腾变频器，为了提高其生产效率与生产质量，降低企业生产成本，增加利润，本文选用了可靠高效的西门子S7-200PLC、Smart Line触摸屏和1LG0电机等产品对其控制系统进行改造，所用主要设备清单见表1。实验证明，这是一条投资少、见效快、收益高、易推广的技术之路[1-4]。

表1 主要设备清单

1 控制系统硬件设计

1.1 控制系统简介

陶瓷砂磨机具有水平筒体，是可以用于研磨分散固/液相悬浮体的设备[5-8]。主电动机通过三角皮带来驱动分散轴作高速旋转运动，通过分散轴带动分散盘上的研磨介质运动，所产生的摩擦与剪切力使相关物料得以研磨与分散。该设备为湿法分散，研磨工艺设备在超微粉材料的制造及应用上效果十分理想。可为电池材料、电子浆料、数码耗材、陶瓷材料、无机颜料、稀土材料、化妆品、医药制剂、高档油墨涂料等多个行业的生产制造提供高效的研磨、分散技术解决方案。

陶瓷砂磨机的工作过程是由S7-PLC程序控制，根据工作需要，可通过设定不同的砂磨模式、不同时间或次数运行以满足实际需要。物料在交替罐和砂磨主机之间进行循环流动，在研磨缸内被磨成满足需要的颗粒度小的物料。

陶瓷砂磨机主要部件包括：两个储料的交替罐，砂磨主机，管道，气泵，出进料阀门，电气控制箱等[5-6]。

1.2 设备选型

根据陶瓷砂磨机的工艺要求，控制系统由按钮、电磁阀、继电器、压力变送器、热电阻等组成，通过选用CPU 224XP，外加模拟量输入模块EM 231实现控制设备的功能。

陶瓷砂磨机运行过程中，需要显示数据变量，以方便工作人员设定与修改相关技术参数。本文选用了性价比较好的Smart Line 1000触摸屏，不仅画面清晰、美观，同时具有技术参数易于修订的功能，大大提高了砂磨机的技术层次。

此次进行技术改进后的陶瓷砂磨机控制系统所使用的主电机、搅拌电机等由国产变频器进行控制，变频器具有支持Modbus通信的功能。CPU 224XP可装载Modbus指令库，通过调用指令可方便地与其他设备进行Modbus通信。控制系统结构如图1所示。

2 控制系统的软件设计

2.1 控制系统的功能

陶瓷砂磨机控制系统在手动控制状态下，可独立开关电磁阀、变频器等设备，以便于操作人员在设备调试、维护以及检修过程中进行自主操作。

图1 控制系统结构图

陶瓷砂磨机控制系统在自动控制状态下，可完成料罐交替循环、单罐循环、批次循环等过程。在此，本文以批次循环过程为例，结合程序来详细介绍其控制过程。

首先，将当前循环次数/2，根据余数来判断当前循环的状态。若偶数次则为1#——主机——2#状态；奇数次为2#——主机——1#状态。设定模式完成后按下启动按钮，当1#罐设定值大于当前值时置位自动进料标志，同时启动自动进料泵并置位1#罐进料标志位，随后启动1#罐搅拌电机。当达到设定料位后停进料泵，置位1#罐出料标志与2#罐进料标志，停1#搅拌电机，打开1#罐出料阀，打开2#罐进料阀，同时启动砂磨机电机，当1#罐料位为0时，复位1#罐出料标志，随后关闭1#罐出料阀。此时判断2#罐料位是否到达1#罐的设定值，到达设定值时，1#——主机——2#过程完成。当循环次数加1后，进入奇数次的循环2#——主机——1#模式，置位2#出料标志与1#进料标志，同时打开2#出料阀与1#进料阀，此时打开1#搅拌电机。当2#罐为空罐时，则复位2#罐出料标志与1#罐进料标志，同时关闭2#罐出料阀、1#罐进料阀，停止1#罐搅拌电机。此时2#——主机——1#过程完成。循环次数再次加1，随后进入偶数次的循环。在循环工作的过程中，判断是否达到批次循环的设定次数，如果已经达到，就置位完成位，置位自动出料标志，同时停止砂磨主机，打开出料气泵。判断循环次数是否达到设定次数的依据是奇数次循环2#罐料位为0，偶数次循环1#罐料位为0，置位出料完成，同时自动循环完成，蜂鸣器启动，复位当前模式，等待下次模式设定。

2.2 编程及调试

控制系统的功能主要由逻辑程序实现。根据控制系统的功能，其子程序模块分别为参数设定、自动运行、手动运行、模式选择、通信处理、输出、故障报警等。子程序在主程序中循环调用。根据需要，重点讲述PLC与变频器通信与HMI界面制作。

2.2.1 CPU224与第三方变频器的通信

CPU 224XP作为主站，使用Modbus RTU协议，与第三方变频器进行通信。编程软件是V4.0 STEP 7 MicroWIN SP7，首先要装载Modbus协议库，调用Modbus主站的指令（Port 0）。CPU 224XP作为主站，3台变频器为从站，波特率为9 600 bit/s，偶校验，1起始位，1停止位。

由于MBUS_MSG指令在同一时间只能使用1次，所以需要建立轮询访问从站的机制。在通信任务中，3台变频器读写指令共21条，并分别对应21个连续存储区。如有相应的指令激活，则将存储区置1。完成存储区置1之后，再使用MBUS_MSG指令的Done标志位将存储区清零。通信轮询编号在1～21之间循环，指令执行的时间用100 ms定时器监视，超过100 ms则退出，跳转到通信轮询编号。

使用轮询的通信机制，能够保证各读写指令的访问不冲突，经调试后运行效果达到预期效果。

在使用MBUS_MSG指令时，根据S7-200指令的说明，Addr的参数应该按规定写入。访问可读写的保持寄存器时，使用“4+从站寄存器地址(十进制)+1”，即可实现对从站寄存器的读写访问，地址支持5位，即00000～99999。例如，1000h的寄存器，Addr应填写“16#ac41”。

通信程序设计流程图详情见图2。2.2.2 HMI画面的制作

图2 通信程序设计流程图

此次技术改造的陶瓷砂磨机控制系统使用Smart Line系列控制面板，其不仅准确地提供了人机界面的标准功能，还具有经济实用，高性价比的特点。PPI通讯协议可以确保面板与S7-200建立高速无缝的连接。Smart Line为控制系统所包含的料罐、管道、阀门、搅拌机等设备提供了丰富的画面对象库[3-4]。管道、阀门等控制对象可通过图库直接调用，不仅具有很强的立体感，而且还可以动态显示。通过精心制作的监控界面，可以把系统运行情况直观、形象地展示出来。与原机型所使用的国产触摸屏相比较，Smart Line的画面更为美观，操作更为便利，其高性价比赢得用户的一致好评。通过Smart Line的配方功能，操作人员可以方便地实现对产品参数的分组与设定，不仅优化了工作流程，而且提高了客户产品的层次。HMI监控画面效果如图3、图4所示。

3 结束语

图3 HMI监控画面-1

图4 HMI监控画面-2

采用PLC技术对陶瓷砂磨机控制系统进行优化改造之后，不仅准确实现了陶瓷砂磨机控制工艺流程，同时也可以方便地与第三方设备进行通信，灵活、便利。不仅可以提高产品品质又可以降低成本，而且具有运行稳定可靠、高效低能耗、无金属污染等特点。而采用的Smart Line系列触摸屏不仅满足了其控制功能，而且操作人员可以方便地实现对产品参数的分组与设定，不仅优化了工作流程，而且提高了客户产品的层次。总之，S7-200PLC与Smart Line应用于砂磨机控制系统，是一条投资少、见效快、收益高、易推广的技术之路。

［1］王志刚，张堃.基于S7-200PLC低压铸造控制系统的设计［J］.铸造技术，2013（8）：1086-1088.

［2］李新雷，郝启堂，李强，等.Modbus协议在反重力铸造液面加压控制系统中的应用［J］.铸造技术，2011，32（3）：348-351.

［3］刘新杰，张东梅，张冰冰.曹晨铸造合型用封箱条的研制［J］.铸造技术，2012，33（11）：1316-1318.

［4］王宏，王子成，崔光照.基于组态软件的PLC电梯控制和仿真研究［J］.制造业自动化，2013（02）：109-112.

［5］李健，王义亮.砂磨机结构优化改进［J］.机械管理开发，2012（02）：25-26.

［6］谢世翔，陈川辉，张林进，等.砂磨机湿法粉磨制备超细氧化锌粉体的研究［J］.无机盐工业，2011（9）：23-25.

［7］喻晖，赵金.LME1000K卧式砂磨机在钛白生产中的应用［J］.上海涂料，2011（09）：15-18.

［8］冯平仓，马中飞.合纤用砂磨机最新发展［J］.聚酯工业，2010（01）：12-15.