基于Smart 200 PLC 控制的旧砂回收装置

程 云，周志军，刘 轶，赵宁辉，高荟卓

（共享智能装备有限公司，宁夏 银川 750021）

1 设备设计背景

可编程控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，是20 世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于其具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，在国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。

近年来，国内在PLC 技术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多地采用PLC 控制系统取代传统的继电-接触器控制系统。与继电—接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电—接触器控制系统小；价格上能与继电—接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。

工业级铸造砂芯3D 打印技术是一种以数字模型文件为基础，采用铸造用砂作为构建材料，与黏结剂配合使用，通过逐层打印的方式打印出结构复杂、高精度的砂模。

工业级铸造砂芯3D 打印设备在打印过程中，砂箱内未被砂模占用的空间内就会产生一部分的旧砂，这些旧砂经过回收分解还可以重复利用。因此，旧砂回收装置便应用而生。

2 本设备设计的内容

旧砂回收装置的主要设计内容，在控制系统的设计过程中主要考虑以下几点。

2.1 设备工作流程

可回收旧砂通过吸砂泵运输到旧砂回用装置的主料仓内，通过控制主料仓下方的蝶阀将旧砂排放到振动筛当中，同时启动振动筛的振动筛分功能，将可重复利用的旧砂与不可用利用的砂块等杂质通过不同的通道分别排放到合格料斗和不合格料斗，以便进行重复利用。

2.2 设备设计目标

通过分析旧砂的特性，将旧砂进行回收并筛分，以达到可重复利用的状态，通过PLC 控制器以及传感器等元器件，使旧砂回收装置能够自动运行，达到稳定回收，重复利用的效果。

2.3 装置设计要点

1）确定I/O 设备。根据旧砂回收装置控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。

2）根据I/O 点数选择合适的PLC 类型。

3）分配I/O 点，分配PLC 的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。

4）设计旧砂回收装置控制系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是旧砂回收装置系统设计的核心工作。

5）将程序输入PLC 进行软件测试并修改，使系统程序更加完善。

6）旧砂回收装置整体调试，在PLC 软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。

3 设备具体实施过程

3.1 设备结构组成

本设备的主要任务是基于西门子Smart 200 系列PLC 的控制系统，对掺杂其他成分杂质的旧砂进行筛分过滤。其主要组成部分如图1 所示。

图1 旧砂回收装置主要组成部分

3.2 旧砂回收装置的工作程序

（1）手动放料阀具有手动放料功能，按绿色按钮打开，按红色按钮关闭；

（2）振动筛有手动启动功能，按绿色打开，按红色关闭；

（3）振动筛下料阀具有手动功能，按绿色打开，按红色关闭；

（4）系统具备报警功能，HMI 可查看，主料斗低料位被触发缺料报警，不合格料斗高料位被触发满料报警，并设置复位按钮。

（5）工业吸尘器具有手动开启及关闭功能，开启时手动放料阀和振动筛下料阀必须处于关闭状态，上限为处于未触发状态。

（6）筛料开始：筛料时手动放料阀处于关闭状态，吸尘器也处于未工作状态，合格料斗和不合格料斗上限位未被触发，振动筛开始震动，延时5 s（时间可调），下砂口打开，下砂震动块延时2 s 开始震动（时间可调），震动可手动关闭或打开；当合格料斗上限位被触发，关闭震动块，关闭下砂阀，延时5 s（时间可调）关闭震动筛。当合格料斗下位传感器被触发，振动筛开始震动，延时5 s（时间可调），下砂口打开，下砂震动块延时2 s 开始震动（时间可调），以此循环；

（7）合格料斗：合格料斗从上次自动筛料结束开始计时，每30 min（时间可调）扫描一次，当料位处于高低料位之间时，自动启动筛料，直到合格料斗加满料，高料位被触发停止；

（8）筛料停止：当不合格料斗高料位被触发，蜂鸣器开始鸣响，筛分自动停止，先关闭下砂口，延时5 s（时间可调）关闭震动筛，除非手动复位，重新开启方可工作；

（9）合格料斗上的震动手动开启，也可手动停止，在下料位被触发时震动自动停止；无论筛料状态，当合格料斗下限位未被触发，每5 min（时间可调）自动启动合格料斗震动块，振动5 s（时间可调）后关闭；

（10）在筛分情况下，当回收罐下限位被触发，延时10 s（时间可调）筛分停止，震动停止，下料阀门关闭。

（11）拍下急停，系统所有动作立即停止，并处于未启动状态。

3.3 确定控制系统PLC 选型

通过对比发现，西门子控制系统产品组态灵活，应用广泛，使用方便，和其他控制系统对比更加容易被市场所认可和接受，开发周期短，因此选择西门子Smart 200 系列PLC，编程软件使用梯形图，直观易懂，操作简单。

3.4 控制点数统计

控制点数统计如表1 所示。

表1 旧砂回用装置点位统计表

3.5 电气原理图绘制

电气原理图中所有电器元件都应采用国家标准中统一规定的图形符号和文字符号表示。电气控制系统图一般有三种：电气原理图、电器布置图和电气安装接线图。电气原理图目的是便于阅读和分析控制线路，应根据结构简单、层次分明清晰的原则，采用电器元件展开形式绘制。图中包括所有电器元件的导电部件和接线端子，但并不按照电器元件的实际布置位置来绘制，也不反映电器元件的实际大小。旧砂回收装置电气原理图如图2 所示。

图2 旧砂回收装置电气原理图

3.6 控制程序及触摸屏程序编写

PLC 控制程序采用STEP7-MicroWINSMART软件进行编写，采用通俗易懂的梯形图作为编程语言，如图3 所示。

图3 旧砂回收装置梯形图

触摸屏界面程序采用WinCC flexible SMART V3 软件进行编写，操作简单，可以快速入门，如图4所示。

图4 winCC 界面编写设计程序

3.7 现场装配，安装调试

电气安装一般包括电气装置安装、桥架铺设、电缆敷设、接线等工作，所有元器件应按制造厂规定的安装条件进行安装。对于手动开关的安装，必须保证开关的电弧对操作者不产生危险，组装前首先看明图纸及技术要求，检查产品型号、元器件型号、规格、数量等与图纸是否相符，检查元器件有无损坏，元器件组装顺序应从板前视，由左至右，由上至下。同一型号产品应保证组装一致性，面板、门板上的元件中心线的高度应符合规定。所有电器元件及附件，均应固定安装在支架或底板上，不得悬吊在电器及连线上。接线面每个元件的附近有标牌，标注应与图纸相符。除元件本身附有供填写的标志牌外，标志牌不得固定在元件本体上。

PLC 软件调试需要将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用按钮来模拟，各输出量的通/ 断状态用PLC 上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载（如接触器、电磁阀等）。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。

在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC 中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。

如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。

在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC 之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。

4 结论

基于西门子Smart 200 系统控制的旧砂回收装置最终设计完成，通过上电检查，现场调试和优化完善，达到了设计之初所定的目标。目前已进行批量化生产，系统稳定可靠，在多家客户处运行，成为3D 砂型打印机必备的配套设备之一。