基于S7-200 PLC的钢厂零部件清洗系统控制设计

摘要：在钢铁冶炼等重工业生产过程中，设备零件常常会遭受化学污染物的侵蚀，这不仅缩短了设备使用寿命，也增加了维护成本和生产风险。为有效去除这些化学污染，设计了一种基于西门子S7-200 PLC的工厂设备零部件化学污染清洗系统，通过自动化控制和精确的参数监测，提高了清洗系统在工业环境中运行的稳定性和可靠性，有效满足了工厂设备零部件清洗的需求，提升了生产效率和产品质量。

关键词：S7-200 PLC;清洗系统;自动化控制

中图分类号：TP273" " 文献标志码：A" " 文章编号：1671-0797（2024）24-0061-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.015

0" " 引言

随着现代工业的快速发展，钢铁冶炼等行业对设备可靠性和生产效率的要求日益提高。然而，设备零件在生产过程中容易受到化学污染物的侵蚀，导致性能下降和维护成本增加[1]。在我国全自动清洗一直是一个难以解决的问题，目前市面上清洗机一般为手动或半自动控制，因此操作烦琐、劳动力需求量比较大，且生产成本高、安全性能差。传统的清洗基本上都是靠人工放入清洗槽，这样的清洗方式不仅效率低下而且成本较高。现有的自动清洗机整机功能单一，基本上都是根据某一类工件设计的专用的清洗结构，无法实现多种类工件的清洗。

着眼于国内外的研究现状，针对传统自动清洗机操作复杂、性能单一、需要人工操作等问题[2]，研究设计了一种新型的设备零部件自动清洗系统，在现有清洗机结构的基础上进行优化改进设计，利用PLC对整机系统进行实时控制，使之实现性能多样、操作简单、自动清洗的功能。西门子S7-200作为一种广泛应用的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）[3]，为实现清洗过程的自动化控制提供了强有力的技术支持。本文旨在开发一套基于S7-200 PLC的自动化清洗系统，以高效去除工厂设备零件上的化学污染物。通过精确控制清洗流程和参数，该系统不仅能够提高清洗效率和质量，还能降低人工成本和化学介质的使用量，对提升工业生产的可持续性具有重要意义。

1" " 设计方案

1.1" " 结构组成

基于S7-200 PLC的工厂零件清洗系统框架设计方案采用模块化和自动化设计，核心由S7-200 PLC控制器、传感器阵列、执行器组件、清洗槽、输送系统、干燥单元组成。系统通过PLC进行智能控制，实时接收传感器数据并精确调节执行器动作，以适应不同清洗阶段的需求;自动化输送和干燥单元确保零件的高效处理;同时，系统整合了安全互锁和紧急响应机制，保障操作安全，并通过废水处理单元满足环保要求，整体设计注重操作便捷性、工艺灵活性和系统可靠性。

1.2" " 工艺流程

自动清洗系统工艺流程如下：

1）根据预设参数准备清洗环境，传送带装载运输待清洗零件至清洗槽中。

2）PLC控制供水系统的注入和循环，同时调节温度和pH值至最佳清洗条件，可选择加入化学清洗剂进一步提升清洗效果;清洗过程中，传感器实时监测并反馈关键参数，确保清洗效率和质量。

3）系统进行多次清水冲洗和漂洗，去除残留介质。

4）清洗完成，取出后对零件进行干燥处理，利用传送带将干燥后的零件运输至指定位置，之后系统自动进行清洗槽和设备的清洗与复位，同时记录并报告整个清洗过程的数据，确保清洗工作的可追溯性和透明性。

2" " 控制系统选型和设计

2.1" " PLC选型

考虑到本系统需要的PLC输入、输出端口数量，特别是高速脉冲输出端口，加上系统较为庞大，所以对于可编程控制器来说，需要一个比较先进、内存比较大的PLC，考虑到计数器、PID等功能的情况，使用西门子推出的S7-200 SMART PLC，其本体CPU为ST30，它是西门子公司经过大量调研，为自动化市场量身打造的一款PLC产品[4]。编程软件使用西门子官方提供的STEP 7-Micro/WINSMART，相比较而言，其不论是在界面布局还是基本环境设置上都更加美观、简洁，在保持强大功能的同时，使得初次接触它的使用者可以快速入手。它的主要技术参数如表1所示。

S7-200 ST30 PLC主机实物图如图1所示，它是晶体管输出，有运行指示灯（CPU所处的状态不同，会亮起对应状态灯）反映系统当前工作状态;还有集成的以太网口，让人机交互更加方便;输入/输出端子都可以拆卸，方便安装;模块扩展的时候采用的是插针式连接，这样就让模块连接更加紧密，告别接触不良;还有Micor SD卡插口，可以离线操作，无须电脑就能实现PLC的程序设置[5]。

2.2" " 温度传感器选型

温度传感器是可以感受环境中温度变化情况并将其转换成电流或电压信号的一种装置，现在市面上主要有热电偶和热敏电阻两种类型，这两种传感器都有其自身的优点和特点。热电偶是日常生活中最常用的一种温度传感器，主要的优点是可以测量的温度范围广，而且对环境的要求低，质量好，价格便宜，不需要连续供电，对能量损耗小，但由于价格便宜，做工不是特别精湛，所以精度不是很高，对于高精度的场所不宜使用。热敏电阻传感器主要是由半导体材料制造而成，因为材料的原因，这种传感器对温度极其灵敏，而且主要靠材料的特性进行测温，体积小，安装和使用都十分方便[6];正是因为这样的优点，热敏电阻传感器很适合本文的控制系统。本文的控制系统要求对温度进行PID智能控制，对温度灵敏性要求极高，经过对控制要求的解读，并对比市面上各种热敏电阻传感器，本文最终选择型号为PT100的温度传感器，在系统中，把获得的温度信号转化成模拟量然后输入CPU，最终经过CPU的PID运算来控制水箱温度。PT100温度传感器的参数如表2所示。

2.3" " I/O分配

清洗系统的I/O分配如表3所示。给PLC上电后，系统先进行初始化，然后通过I0.0控制自动清洗系统的开启，其他功能可以通过其他I/O点控制。

2.4" " PLC接线图

控制电路中，选用220 V作为输出电路供电，用24 V直流电源给PLC输入端供电。根据设计要求确定PLC接线原理如图2所示。

3" " 系统各部分程序设计

3.1" " 总控制程序设计

总控制程序主要是实现通过总开关来控制开始工作和供水系统的工作，然后在主开关开启的情况下，会对其他各个系统子程序进行调用控制，使系统开始自动运行，在转换开关的作用下实现系统从自动到手动的转换，当按下急停时，各个部分停止运行。程序梯形图如图3所示。

3.2" " 运输系统程序设计

运输系统分为两部分：零件堆放区运输和清洗区运输。零件堆放区的运输通过传送带将堆放的零件搬运至清洗区域，进入清洗区后再运输至清洗槽。

零件堆放区运输程序采用双轴联动控制，将它分成五个子程序进行编程，分别是横向轴的初始化程序、纵向轴的初始化程序、横向轴的工作程序、纵向轴的工作程序和各位置的距离计算程序，其中两轴的初始化程序由总开关直接控制，其他子程序需要总开关打开后，再打开启动开关才能运行。双轴控制主要是采用PLC内部的运动模块实现的，通过光电开关确定零件位置，然后每个光电开关处都预先设置好了距离参数，通过运动模块，采用双轴联动运动到光电开关所在位置，按照由近到远、由上到下的顺序进行搬运，对于清洗区，只有在清洗区传送带上的光电开关检测到零件已经运输完成之后，才开始运输下一批零件，以此往复，直到报警、按下启停按钮或运输结束才停止。图4是运输系统的部分程序。

双轴联动的功能，需要采用PLC的运动模块实现，具体如下：利用向导设定一轴速度等参数，另一个轴的参数是对第一个轴的参数进行适配，使两个轴同时从一点出发，同时到达终点，这样就实现了对两轴的联动控制。

清洗区运输程序主要是控制两个交流电机的运动，两个电机的程序设计是一样的，但参数设置不同，以提供不同的运动速度。两个电机均采用变频器控制，设定不同频率以调节速度，然后通过PLC内部的高速计数器和编码器进行电机速度的监控。本部分程序主要逻辑是当传送带上的光电开关检测到零件时开始运行，将零件运送至清洗槽，当清洗前端的光电开关检测到目标时，内部的清洗系统电机运行，并进行清洗工作。图5是这部分程序的局部图。

3.3" " 供水部分程序设计

供水部分的程序是由总开关直接控制的，因为加热水需要时间，所以在总开关开启时就工作，相当于是系统初始化工作。在总开关开启的前提下，这个部分的逻辑是水箱里的水位低于下限时，电磁阀打开，由自来水供水;温度低于设定值时加热水，由PID智能控温，保证水温的稳定。对于清洗水箱，在加水的同时，化学清洗剂供给会提示打开，清洗剂的供给主要由变频电机控制，当供水停止或清洗剂输送到达下限位时，电机则反向抽取清洗剂，然后继续供给或停止。图6是这部分程序的局部图。

3.4" " 清洗系统程序设计

清洗区程序由控制开关启停，原理是在总开关和启动开关开启的前提下，当清洗前端的光电开关检测到零件时，水泵开始工作，对水槽上部进行喷水清洗，同时开始计时，当计时结束电磁换向阀打开，换成从下方喷水清洗，计时结束时关闭换向阀，上方喷水，以此往复，直到关闭或清洗完成。漂洗部分的控制原理与清洗部分一样。图7是清洗区程序设计的局部梯形图。

3.5" " 干燥单元程序设计

干燥消毒单元的程序与清洗系统程序类似，是简单的通断电路控制，在此部分前端光电开关检测到零件时，程序同时控制紫外灯、电风扇、电阻加热器的开启，直到清洗完毕，则停止供电;对于加热电阻，设置一个简单的保护措施，当温度达到一个限值则断开加热，待降温到一定程度就继续加热。部分程序如图8所示。

4" " 结论

本文通过装置的选型、配置方案的设定成功设计并实现了一套基于S7-200 PLC的自动化清洗系统，旨在高效去除工厂设备零件上的化学污染物。本系统在提高清洗效率、确保清洗质量以及降低操作成本方面优势显著，且能够适应不同种类和尺寸的零件，具有高度的灵活性和可靠性;而自动化控制不仅减少了人工干预，还显著提高了清洗过程的一致性和可重复性;此外，集成的安全特性确保了操作人员和设备的安全。

[参考文献]

[1] 刘威，刘朝涛，陈永胜.一种工件自动清洗机的设计[J].价值工程，2019，38（4）：88-92.

[2] 罗杰，王春莲，周剑，等.基于S7-200与MCGS的煤样清洗系统设计[J].煤矿机电，2021，42（4）：76-79.

[3] 刘玉林，谢云漫，汪心想，等.钢厂废水回用项目反渗透膜污染分析和化学清洗[J].清洗世界，2019，35（3）：8-10.

[4] 潘国龙.钢厂循环水的清洗及处理[J].化学清洗，1991（3）：28-29.

[5] 陈永超，李文华.基于S7-200的清洗机设计实现[J].煤矿机械，2009，30（10）：136-137.

[6] 王毅芳，曾志.S7-200 PLC在清洗装置改造中的应用[J].电世界，2016，57（12）：42-45.