基于S7-300PLC與觸摸屏的玻璃清洗機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

徐宏海，董金星

XU Hong-hai, DONG Jin-xing

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

中空玻璃一般由兩片玻璃組成，中間用鋁隔條支撐隔開，四周用丁基膠密封。鋁隔條內(nèi)灌裝干燥劑，使玻璃層之間形成干燥氣體室。中空玻璃具有良好的隔熱、隔音、密封和防凝霜等性能，性價比高，已成為國內(nèi)外節(jié)能玻璃中的主流產(chǎn)品[1,2]。

清洗機(jī)用于清除玻璃表面的油污和灰塵，是中空玻璃生產(chǎn)線的重要組成設(shè)備；清洗效果不好，將導(dǎo)致后續(xù)工藝中密封膠與玻璃的接觸不嚴(yán)密及膠與玻璃的粘結(jié)力不夠，造成中空玻璃失效。目前國產(chǎn)玻璃清洗機(jī)存在自動化程度不高、清洗不干凈和控制系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。因此，研究開發(fā)自動化程度高、清洗效果好和控制穩(wěn)定可靠的玻璃清洗機(jī)，對提高我國玻璃深加工行業(yè)裝備水平具有重要的推動作用。

1 玻璃清洗機(jī)的工作流程及控制要求

玻璃清洗機(jī)主要由上片傳輸段、清洗段、吹干段和下片傳輸段構(gòu)成，其中清洗段和吹干段是核心部分，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。清洗段包括水泵、噴頭、毛刷、電磁閥、過濾器等組成的水過濾循環(huán)系統(tǒng)和玻璃傳送夾輥；吹干段由離心風(fēng)機(jī)、風(fēng)刀及傳送滾輪等組成。

清洗機(jī)的工作流程：玻璃通過上片傳輸段被送至清洗室，經(jīng)高壓水噴淋并配合三對毛刷高速回轉(zhuǎn)清洗后，在干燥室經(jīng)大功率風(fēng)機(jī)吹干，最后經(jīng)輸出段進(jìn)入下一工序。清洗過程中，利用純凈水高壓噴淋并配合高速轉(zhuǎn)動毛刷完成玻璃表面地清洗，比單純的高壓水射流沖洗更為有效，同時熱水噴淋起到了很好的預(yù)洗效果；干燥段內(nèi)大功率離心風(fēng)機(jī)通過風(fēng)刀近距離吹干玻璃，實(shí)現(xiàn)干燥目的。根據(jù)其工藝流程，玻璃清洗機(jī)控制系統(tǒng)必須滿足以下控制要求：

1）清洗機(jī)應(yīng)具備自動和手動兩種控制模式，以滿足自動化生產(chǎn)和設(shè)備調(diào)試檢修要求；

2）各段傳輸速度可依據(jù)現(xiàn)場需要通過觸摸屏給定；

3）熱水箱內(nèi)水溫應(yīng)控制在40至50度之間，通過閉環(huán)溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加熱的自動啟停；

4）實(shí)現(xiàn)各部分水位的自動調(diào)節(jié)，并通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)水位檢測。

圖1 清洗機(jī)清洗段及吹干段結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制系統(tǒng)方案及硬件構(gòu)成

全自動玻璃清洗機(jī)選用西門子S7-300PLC為下位機(jī)，TP177B觸摸屏為上位機(jī)。PLC一方面要實(shí)現(xiàn)對整個清洗過程的控制，另一方面還要與上位人機(jī)觸摸屏通訊，接受各種控制指令。觸摸屏作為上位機(jī)，用于進(jìn)行工作方式選擇、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)控以及報警信息反饋等。控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

綜合考慮控制要求和通訊方式需要，PLC選用S7-300中的CPU315-2DP，其自帶DP+MPI接口，可方便與變頻器及上位觸摸屏通信。清洗機(jī)控制系統(tǒng)中傳感器檢測及電磁閥控制共需16點(diǎn)DI和8點(diǎn)DO，其余變量均選用軟件編程中的位儲器，因此選用一塊DI32xDC24V模塊及一塊DO32xDC24V模塊。

清洗機(jī)運(yùn)動控制的核心包括6臺毛刷電機(jī)、4臺上下片傳輸電機(jī)和2臺夾輥傳輸電機(jī)的調(diào)速，考慮到電機(jī)數(shù)量多，且要求上、下片傳輸電機(jī)應(yīng)具有高、低兩種速度，夾輥傳輸電機(jī)及毛刷電機(jī)可根據(jù)現(xiàn)場需要實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)速，采用Profibus—DP現(xiàn)場總線通訊方式實(shí)現(xiàn)PLC對多臺MM440變頻器的分布式控制。

大功率離心風(fēng)機(jī)（功率達(dá)55KW）采用臺達(dá)（VFD300F43A）型變頻器單獨(dú)控制，利用PLC完成對變頻器的上電使能和對風(fēng)機(jī)啟停的平穩(wěn)控制。

水溫控制通過由OMRON —E5EZ型溫度控制器、溫度檢測變送器、固態(tài)繼電器及加熱器組成的閉環(huán)溫控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度檢測和水加熱的自動控制。同時，在熱水箱和排水槽內(nèi)均裝有浮球液位傳感器，自動檢測水位并控制相應(yīng)補(bǔ)水閥及回水泵的開和關(guān)。水溫控制過程原理如圖3所示。

圖3 水溫控制過程原理圖

3 PLC與觸摸屏和變頻器之間的通訊設(shè)置

PLC通過MPI接口與TP177B觸摸屏自帶的RS-422/485接口連接，實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)通訊，其通訊參數(shù)設(shè)置如下：

PLC通訊口設(shè)置：子網(wǎng)MPI，地址站號2，最高地址號31，通訊傳輸速率187.5KB/S；

觸摸屏通訊口設(shè)置：子網(wǎng)MPI，地址站號1，最高地址號31，通訊傳輸速率187.5KB/S；

PLC作為主站與12臺MM440變頻器從站利用DP接口進(jìn)行Profibus—DP總線通信，其通訊參數(shù)設(shè)置如下：

PLC通訊口設(shè)置：子網(wǎng)PROFIBUS；地址站號2，最高地址號126，通訊傳輸速率1.5MB/S；

變頻器通訊接口參數(shù)：子網(wǎng)PROFIBUS；地址站號從4到15，最高地址號126，通訊傳輸速率1.5MB/S；

通信均選用標(biāo)準(zhǔn)的二線屏蔽雙絞線通信電纜和專用DP網(wǎng)絡(luò)接頭，多臺變頻器連接時只需通過DP總線級聯(lián)，再連接到CPU總線接口。主站與從站地址必須唯一，同時要保證軟件組態(tài)地址與硬件實(shí)際地址一致，否則將造成通信錯誤[3]。

4 PLC程序設(shè)計

清洗機(jī)控制系統(tǒng)的程序包括手動控制程序、自動控制程序、報警及復(fù)位程序。手動程序用于設(shè)備的現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)；自動程序?qū)崿F(xiàn)清洗過程的自動化控制，是整個軟件中最重要的部分；報警程序定義了變頻器報警、電機(jī)過載、水位超限等報警信息以及變頻器斷電重新使能時報警自動復(fù)位程序。PLC程序采用西門子STEP7-V5.3軟件編寫，自動控制程序流程圖如圖4所示。

5 觸摸屏界面設(shè)計

觸摸屏軟件設(shè)計采用WinCC flexible 2007組態(tài)軟件[4]，組態(tài)界面包括初始界面、運(yùn)行模式選擇、自動模式、手動模式、自定義速度、水泵手動及自動控制、水位傳感器檢測、報警管理等界面。其中，初始界面中設(shè)有快捷按鈕，點(diǎn)擊可跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)功能界面，各功能界面也可以方便返回初始界面。自動界面利于指示燈監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況，手動界面用于手動控制及監(jiān)控，設(shè)備每次只能工作在一種模式之下。運(yùn)行模式選擇界面包括變頻器使能、風(fēng)機(jī)啟動、手動與自動切換、自定義速度與默認(rèn)速度切換等功能，可以完成相應(yīng)速度的自動設(shè)定。當(dāng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障報警時，報警窗口將顯示報警信息，待故障解除后報警自動結(jié)束，觸摸屏初始界面如圖5所示。

圖4 自動控制程序流程圖

圖5 觸摸屏初始界面

6 結(jié)束語

經(jīng)調(diào)試和一年的運(yùn)行，由S7-300PLC與TP177B觸摸屏為控制核心的玻璃清洗機(jī)控制系統(tǒng)，能夠很好的滿足玻璃清洗機(jī)的自動化控制要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)控功能完善，清洗效果好，自動化程度高，生產(chǎn)效率明顯提高，達(dá)到了國外同類設(shè)備的水平。

[1]鄭立新.中空玻璃在我國的應(yīng)用和發(fā)展[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2008,(13):7.

[2]邱永忠.中空玻璃在建筑節(jié)能中的應(yīng)用[J].上海建材,2009,(2):15-17.

[3]羅紅福,胡斌.PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].北京:中國電力出版社,2008.

[4]廖常初,陳曉東.西門子人機(jī)界面[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.