纯净水生产线的PLC控制系统设计

2020-10-21史先焘王世敏

河南科技 2020年2期

关键词：控制

史先焘王世敏

摘要：本研究利用西门子Smart200系列PLC、西门子触摸屏，设计了一套自动化程度高并可实时监控的纯净水生产线控制系统。其间确定了生产线的工艺要求，配置了系统硬件，进行可编程控制器PLC选型、I/O点定义及主要元器件的选型与布置。同时，分析了系统控制过程，设计了人机界面HMI，实现了自动化控制并将其应用于实际生产。

关键词：纯净水生产线;PLC;WinCC人机界面;控制

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）02-0031-04

Abstract： Using Siemens Smart200 series PLC and Siemens touch screen， a set of pure water production line control system with high degree of automation and real-time monitoring was designed in this study. In the meantime， the process requirements of the production line were determined， the system hardware was configured， and the PLC selection of the programmable controller， the definition of I/O points， and the selection and arrangement of the main components were performed. At the same time， the system control process was analyzed， and the HMI was designed to realize automatic control and apply it to actual production.

Keywords： purified water production line;PLC;WinCC human-computer interface;control

水是人類的生命之源。在大量生产灌装水的企业生产线，若用人工灌装，则生产成本高，生产效率低下[1-3]。本文选用西门子Smart200系列PLC、西门子触摸屏设计了一套自动化程度高并可实时监控的纯净水生产线控制系统。本设计用PLC控制系统来取代原来由单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的可移植性和可维护性，对提高企生产和管理自动水平有很大的帮助[4-6]。同时，该设计又提高了生产线的效率、使用寿命和质量，减少了企业产品质量的波动，因此具有广阔的市场前景。

1 硬件系统设计

如图1所示，纯净水双线自动灌装硬件系统由进桶检测、灌装、压盖、电磁阀和光电传感器等部分组成，并配备一台空压机[7-8]。灌装机侧视图如图2所示。

1.1 进桶检测装置

如图3所示，进桶检测采用反射式光电传感器，它是利用物体对红外线光束遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无的，其检测对象不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。反射式光电传感器实物图如图4所示。

1.2 堵桶装置

堵桶装置由二位五通电磁换向阀和双轴气缸构成，灌装机全机身长期处于潮湿的工作环境，因此采用特殊材质-304不锈钢制作。堵桶的核心装置为磁换向阀，该阀由一个进气口、两个出气口和两个排气口组成。一般来说，电磁阀用来控制气缸或分割气路，单电控靠弹簧复位，双电控无自动复位功能。二位五通电磁换向阀和双轴气缸如图5、图6所示。

使用过程中，当线圈6通电时，阀工作在右阀位，进气由进气口1经过阀从出气口2出去，出气口4的气经阀从排气口5排出;当线圈7通电时，阀工作在左阀位，进气由进气口1经过阀从出气口4出去，出气口2的气经阀从排气口3排出。

1.3 分桶装置

分桶装置由二位五通电磁换向阀和复动气缸构成，如图5所示，当线圈6通电时，阀工作在右阀位，进气由进气口1经过阀从出气口2流入复动气缸的进气口，推动复动气缸活塞杆向前运动，复动气缸出气口经阀从排气口5排出。当线圈6失电时，各动作复位。分桶机构如图4所示，复动气缸如图7所示。

1.4 理盖机构

理盖机构主要由电机旋转圆盘、下盖滑道、箱体等组成，理盖器的作用是通过电机带动圆盘旋转从而带动箱体内的桶盖进入下盖滑道，并通过特定机构使其进入轨道进行洗盖，最后驶入滑道尽头。洗盖喷头如同8所示，理盖机构如图9所示。

1.5 压盖及挂盖装置

压盖由压盖气缸完成。当水桶接近送盖滑道时，装满水后的水桶凭借自身重量，带动桶盖从滑道口脱落。压盖电机与输送带间保持特定间距，最终完成压盖。压盖及挂盖机构如图10所示。

2 控制系统设计

2.1 灌装设备控制要求

桶口统一朝上并按特定的顺序排列，三相异步电机带动链条使水桶前进。由1只电磁阀控制进桶链的堵桶气缸，2只电磁阀分别控制夹桶和分桶装置。驱动部分有进桶输送、灌装输送、出桶输送、灌装泵。灌装流程如图11所示。

按下操作台的启动按钮，生产线进入自动工作状态。此时，PLC首先测进桶数量为零、输送电机状态、灌装泵非故障等各种信号，具备工作条件后，按照以下流程运行。

一是堵桶气缸处于常闭伸出状态，在设备内桶数小于5时得电缩回，大于5时失电，堵桶;二是分桶气缸，配合堵桶气缸，每当堵桶气缸失电并延时数秒后工作一次，切换至灌装二线线;三是灌装阀，满足灌装条件后，灌装顺序是灌装开始先开灌装阀，后开灌装泵，灌装结束先关灌装泵，后开灌装阀，其间灌装泵由西门子变频器驱动，上升时间设定3 s，下降时间为7 s，这是为了避免水管内水的堆积而产生严重的水锤现象;四是压盖，当出桶输送带开始工作后，灌满纯净水的桶子经过自动套盖，通过输送带送到压盖处时，进行压盖，每个工序又进入下一个循环。整体工艺流程如图12所示。

2.2 PLC选型

本文选用西门子S7-200 Smart PLC，其具有紧凑、速度快的优点，并含有功能强大的以太网接口以及操作简便的硬件和软件。

2.3 PLC地址分配

PLC输入和输出分别如表1、表2所示。

3 组态监控界面的设计

3.1 Smart 700IE简介

西门子触摸屏是目前市面上占有率较高的人机界面品牌，它与西门子产品配套使用，具有响应迅速、操作简洁、通信方便等优点。Smart 700IE属西门子系列经济型人机界面，能够满足初学者或者简单的工业需要，其性能稳定、可靠性高。Smart 700IE的外观及接口如图13所示。

3.2 工艺画面设计

建立工艺画面，并完成属性设置，如图14所示。

4 应用效果

运行效果如图15、图16所示。

如图17所示，本次设计调试在对比国内优质机型产量2 000 桶/h情况下，本次采用的双线灌装机最大灌装速度可达1 500 桶/h，达到了前期的计划标准。