基于西門子S7-1200的泥漿后臺自動供漿系統(tǒng)設計與分析
引言
傳統(tǒng)地基基礎行業(yè)使用的水泥后臺攪拌系統(tǒng),電氣控制單一。泥漿攪拌階段,水泥和水都是人工添加,水灰比的控制全靠裝填工人的經驗,不能達到精確配比:攪拌桶電機及泥漿桶電機,無論泥漿數量多少,都是全速攪拌,十分耗電:同時,供漿泵的啟停由專人控制 ,浪費人力成本。為此 ,需要設計一套新型控制攪拌系統(tǒng),實現水灰比精確控制、攪拌電機無級調節(jié)、泥漿自動供應,從而降本節(jié)能,節(jié)省人工。
1自控系統(tǒng)搭建
根據泥漿攪拌供應系統(tǒng)的機械機構特點、使用場合以及客戶的成本控制要求,配置自動系統(tǒng)如下:
1.1PLC選型
首先,泥漿攪拌系統(tǒng)應用在地基基礎現場,環(huán)境比較惡劣,需要pLC有較高的穩(wěn)定性和耐用性:其次,系統(tǒng)內傳感器、執(zhí)行器電氣接口各不相同,需要pLC有豐富的電氣接口:再次,考慮到設備將來的改造升級需求,需要pLC易擴展:最后,結合客戶預算標準,選擇了西門 子S7- 2200系列的2224C CpU ,并配置2塊SM1231、1塊 SM1223、1塊SM1232和2塊CM1241。
S7- 1200是一款緊湊型、模塊化的pLC,可實現簡單卻高度精確的自動化任務,可擴展性強、靈活度高,具有豐富的工業(yè)通信接口 ,十分適合本自控系統(tǒng)使。
1.2觸摸屏選型
工業(yè)觸摸屏,英文全稱HumanMachineInterface,縮寫為HMI ,它可以實現人機之間的交互,將pLC內指定的參數直觀地顯示在屏幕上,也可以通過HMI設置重要的數據到pLC內。
在控制pLC選擇西門子2224CCpU之后,結合使用場合及與pLC的通信要求,選擇了威綸通MT8222iE觸摸屏,其優(yōu)點如下:
(1)支持RS232/RS485和以太網通信,都支持與西門子1214CCpU直接通信,十分穩(wěn)定快捷。
(2)支持SD卡和USB ,可以將觸摸屏上采集的生產數據實時存入SD卡或U盤內,便于數據保存。
(3)前面板支持Ip65防護等級,主板涂層保護處理能在嚴苛的環(huán)境中防止腐蝕,適用于地基施工現場惡劣環(huán)境。
1.3變頻器選型
此自動供漿系統(tǒng)中,攪拌罐和泥漿桶都有攪拌功能。
傳統(tǒng)設計中,攪拌器由普通電機驅動,電機上級通過接觸器直接啟動,啟動沖擊電流很大,對電網和空開要求嚴苛:且無論桶內泥漿多少,啟動后都是滿速運行,造成電能浪費。
本設計中,將普通電機改成變頻電機,電機上級通過變頻器啟動。變頻器啟動電流沖擊小,越是頻繁啟動,越是節(jié)能,且變頻器可實現無級調速,根據桶內的泥漿量實時調節(jié),也能實現節(jié)能效果。變頻器選擇的型號是臺達ME300系列。
1.0傳感器選型
本系統(tǒng)重要傳感器選型如下:
(1)儲水箱液位開關:根據水箱的液位,實現低液位開啟水泵,高液位關閉水泵。選型為上海凡宜科技的連桿浮球液位開關 ,型號為FCBFN5p332500A。
(2)攪拌罐稱重傳感器:實時測量桶重,根據重量變化 ,調節(jié)攪拌罐電機的轉速。選型為大洋高精度S型稱重傳感器[4],量程0~2 t。
(3)泥漿桶導波雷達:實時測量桶內漿位,實現漿少補充,漿滿停補,告知供漿泵是否有足夠的漿量供應,且其會影響儲漿桶電機的轉速調節(jié)。選型為倍加福導波雷達,型號為UB1000二18GM75二I二V15。
(4)供漿泵流量計:為了實現供漿泵的漿量穩(wěn)定供應,需要實時PID調節(jié),調節(jié)反饋源自泥漿流量計。選型為西門子電磁流量計,型號為MAG5000。
2自動流程工藝
系統(tǒng)整體布局如圖1所示 ,根據工藝流程可以把系統(tǒng)分成三部分。
(1)配料部分:
1)水泥存儲罐,存儲水泥原料,四角安裝稱重傳感器,可實時稱重水泥存料重量,在水泥存量不足時報警提示:
2)水泥罐吹灰閥,可以開啟吹氣,防止水泥阻塞,保障通暢供應:
3)水泥攪籠,將水泥罐內的水泥搬運至水泥斗:
4)抽水泵 ,將工業(yè)用水抽至水箱暫存:
5)水箱,存儲待使用的水:
6)供水泵,將水箱內的用水抽至儲水斗中:
7)水泥斗 ,存儲待配制泥漿的水泥:
8)儲水斗 ,存儲待配制泥漿的用水。
(2)攪拌部分:
1)攪拌罐,攪拌泥漿,四角安裝稱重傳感器,可實時稱重泥漿重量,根據重量調節(jié)攪拌罐電機轉速:
2)攪拌罐攪拌器 ,由變頻電機和變頻器驅動,攪拌泥漿:
3)水泥閥,控制水泥落入攪拌罐中:
4)水閥,控制水落入攪拌罐中:
5)水泥斗吹灰閥 ,可以開啟吹氣,防止水泥阻塞,保障通暢供應:
6)放漿閥,控制泥漿落入泥漿桶中:
7)泥漿桶,存儲配制完成的泥漿待用,其配備導波雷達,可實時檢測漿位:
8)泥漿桶攪拌器,由變頻電機和變頻器驅動,攪拌成漿,防止其沉淀凝結,可根據漿位,無級調速。
(3)供漿部分:
1)漿水閥,控制成漿流入送漿泵:
2)送漿泵,由變頻器控制,可根據給定流量與流量計反饋流量,PID調節(jié):
3)流量計 ,實時檢測漿管內流量。
2. 1 自動配料流程
如圖2所示,系統(tǒng)進入自動模式后,系統(tǒng)檢測水泥罐內存儲的水泥原料重量是否滿足,不滿足的話,會報警待機,觸摸屏提示水泥原料存儲不足。如果重量滿足,系統(tǒng)開始檢測水箱內液位情況,液位低,就會啟動補水泵補水,補水超時會報警待機,觸摸屏提示補水超時:液位正常或者補水完成后,則等待請求配料。
如果接收到配料請求,PLC根據觸摸屏上設定的參數"水泥漿目標重量"和"水灰比",計算出水泥斗進灰重量和儲水斗進水重量:此時,水泥攪籠和水泥罐吹灰閥開啟,將水泥從水泥罐攪送至水泥斗中,待水泥斗重量達到目標重量時,停運水泥攪籠,延遲30s(可設定)后關閉水泥罐吹灰閥:同時,供水泵開啟,將水箱內的水抽至儲水斗中,待儲水斗重量達到目標重量時,停運供水泵:配料完畢,告知系統(tǒng)。
2.2自動攪拌流程
如圖3所示,在配料完成的情況下,如果接收到攪拌指令,系統(tǒng)進入自動攪拌流程。首先,打開水閥,將儲水斗內指定重量水放入攪拌罐,待放水完成,延遲30s(可設定)后關閉水閥,同時開啟攪拌罐攪拌器:然后,開啟水泥閥和水泥斗吹灰閥,將水泥斗內指定重量的水泥放入攪拌罐,待放灰完畢,延遲30s(可設定)后關閉水泥閥 ,再延遲5s(可設定)后關閉水泥斗吹灰閥:系統(tǒng)開始進入攪拌計時,等待到達"攪拌時間":攪拌時間到達后,放漿閥開啟,泥漿從攪拌罐流入泥漿桶,同時泥漿桶攪拌器開啟 ,待泥漿放入完畢,關閉放漿閥。系統(tǒng)檢測泥漿桶導波雷達液位高度,根據高度不同設置泥漿桶攪拌器不同的轉速:同時,根據導波雷達液位高度,判斷是否繼續(xù)拌漿,若高度不符,則繼續(xù)重復以上流程 ,直到高度符合 ,告知系統(tǒng)攪拌完成。
2.3自動供漿流程
如圖4所示,在攪拌完成的情況下,如果接收到供漿指令 ,系統(tǒng)進入自動供漿流程。開啟漿水閥 ,延遲10 s(可設定)后,開啟送漿泵,送漿泵由變頻器控制,變頻器根據觸摸屏給定流量與流量計反饋流量,P1D調節(jié),保證流量穩(wěn)定供應。
3關鍵程序的具體寫法
s7一1200系列從V2.2版本開始支持sCL語言,由于筆者的編程習慣,本系統(tǒng)的PLC編程語言選擇sCL語言。sCL(structuredControlLanguage,結構化控制語言)是一種基于PAsCAL的高級編程語言,這種語言基于標 準DINEN 61131-3(國際標準為IEC 1131-3)[5]。
本文主要展示供漿泵PID調節(jié)程序與泥漿桶導波雷達液位濾波程序。
3.1供漿泵PlD調節(jié)程序
程序調用s7-1200自帶P1D功能,其中比例增益 0.22,積分作用時間12.336,微分作用時間3.3167 。程序 如下:
1F"bReady一ranTsud"一mEN
1F"bData1#FloHsetergwven">0一mEN
"1#一ranTMotorPIDCospact"(setpownt:="bData1#FloHsetergwven".
1nputPER:=ABs("awEC1#FloHseterData"). outputPER=>"aoEC1#一ranTMotorFreqgwven"):ELsE
"aoEC1#一ranTMotorFreqgwven":=0:
END 1F:
1F"bData2#FloHsetergwven">0一HEN"2#一ranTMotorP1DCospact"(setpownt:="
bData2#FloHsetergwven".
1nputPER:=ABs("awEC2#FloHseterData"). outputPER=>"aoEC2#一ranTMotorFreqgwven"):ELsE
"aoEC2#一ranTMotorFreqgwven":=0:END 1F:
END 1F:
3.2導波雷達液位濾波程序
攪拌器的攪動會造成泥漿桶內液位的波動,導致導波雷達傳感器采集的液位值一直浮動,所以為了便于程序運算,對液位值進行濾波處理。程序如下:
#R一R1GMwxdataRead(CLK:="bsyTtesClock10Hz"):
1F#R一R1GMwxdataRead.0一HEN
FoR#bPownt:=0一o4Do
"23Mwxdata".data1[5-#bPownt]:="23Mwxdata".data1[4-#bPownt]:
"23Mwxdata".data1[0]:=#bDatastorage一ank
Level:
ENDFoR:
END 1F:
"bData storage "bData storage "bData storage "bData storage "bData storage "bData storage "bData storage storage data1". |
data1" := "23 Mwx data".data1[0]: data2" := "23 Mwx data".data1[1]: data3" := "23 Mwx data".data1[2]: data4" := "23 Mwx data".data1[3]: data5" := "23 Mwx data".data1[4]: data6" := "23 Mwx data".data1[5]: 一ank Level" := M1N(1N1:="bData 1N2:="bData storage data2". 1N3:="bData storage data3". 1N4:="bData storage data4". 1N5:="bData storage data5". 1N6:="bData storage data6"): |
4結語
本文全面介紹了泥漿后臺自動供漿系統(tǒng)的搭建,包括PLC、HM1、變頻器和傳感器的選型, 自動流程工藝 以及自動流程圖,P1D調節(jié)和液位值濾波程序的寫法,可以實現泥漿后臺系統(tǒng)的自動配料、自動攪拌和自動供漿,從而為需要做類似系統(tǒng)的工程師提供了實例參考。