基于S7-200 PLC的陶瓷砂磨機控制系統(tǒng)的技術改造*

王志剛，李文群

（1.中山火炬職業(yè)技術學院，廣東中山 528436；2.西門子（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

0 引言

陶瓷砂磨機是一種水平濕式連續(xù)性生產(chǎn)超微粒的分散機器。將預先攪拌均勻的原料送到主機的研磨槽，進而將原材料研磨到納米單位等級的顆粒。通過PLC技術對傳統(tǒng)的砂磨機控制系統(tǒng)進行改造，其所研磨之后的顆粒可以達到50納米以下。不僅可以提高產(chǎn)品品質，還可以降低成本，而且具有運行穩(wěn)定可靠、高效低能耗、無金屬污染等特點。廣泛應用于電池材料、電子漿料、數(shù)碼耗材、陶瓷材料、無機顏料、稀土材料、化妝品、醫(yī)藥制劑、高檔油墨涂料等行業(yè)。

此次技術改造的陶瓷砂磨機原機型使用國產(chǎn)品牌信捷PLC和觸摸屏，英威騰變頻器，為了提高其生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質量，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，增加利潤，本文選用了可靠高效的西門子S7-200PLC、Smart Line觸摸屏和1LG0電機等產(chǎn)品對其控制系統(tǒng)進行改造，所用主要設備清單見表1。實驗證明，這是一條投資少、見效快、收益高、易推廣的技術之路[1-4]。

表1 主要設備清單

1 控制系統(tǒng)硬件設計

1.1 控制系統(tǒng)簡介

陶瓷砂磨機具有水平筒體，是可以用于研磨分散固/液相懸浮體的設備[5-8]。主電動機通過三角皮帶來驅動分散軸作高速旋轉運動，通過分散軸帶動分散盤上的研磨介質運動，所產(chǎn)生的摩擦與剪切力使相關物料得以研磨與分散。該設備為濕法分散，研磨工藝設備在超微粉材料的制造及應用上效果十分理想。可為電池材料、電子漿料、數(shù)碼耗材、陶瓷材料、無機顏料、稀土材料、化妝品、醫(yī)藥制劑、高檔油墨涂料等多個行業(yè)的生產(chǎn)制造提供高效的研磨、分散技術解決方案。

陶瓷砂磨機的工作過程是由S7-PLC程序控制，根據(jù)工作需要，可通過設定不同的砂磨模式、不同時間或次數(shù)運行以滿足實際需要。物料在交替罐和砂磨主機之間進行循環(huán)流動，在研磨缸內被磨成滿足需要的顆粒度小的物料。

陶瓷砂磨機主要部件包括：兩個儲料的交替罐，砂磨主機，管道，氣泵，出進料閥門，電氣控制箱等[5-6]。

1.2 設備選型

根據(jù)陶瓷砂磨機的工藝要求，控制系統(tǒng)由按鈕、電磁閥、繼電器、壓力變送器、熱電阻等組成，通過選用CPU 224XP，外加模擬量輸入模塊EM 231實現(xiàn)控制設備的功能。

陶瓷砂磨機運行過程中，需要顯示數(shù)據(jù)變量，以方便工作人員設定與修改相關技術參數(shù)。本文選用了性價比較好的Smart Line 1000觸摸屏，不僅畫面清晰、美觀，同時具有技術參數(shù)易于修訂的功能，大大提高了砂磨機的技術層次。

此次進行技術改進后的陶瓷砂磨機控制系統(tǒng)所使用的主電機、攪拌電機等由國產(chǎn)變頻器進行控制，變頻器具有支持Modbus通信的功能。CPU 224XP可裝載Modbus指令庫，通過調用指令可方便地與其他設備進行Modbus通信。控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)的軟件設計

2.1 控制系統(tǒng)的功能

陶瓷砂磨機控制系統(tǒng)在手動控制狀態(tài)下，可獨立開關電磁閥、變頻器等設備，以便于操作人員在設備調試、維護以及檢修過程中進行自主操作。

圖1 控制系統(tǒng)結構圖

陶瓷砂磨機控制系統(tǒng)在自動控制狀態(tài)下，可完成料罐交替循環(huán)、單罐循環(huán)、批次循環(huán)等過程。在此，本文以批次循環(huán)過程為例，結合程序來詳細介紹其控制過程。

首先，將當前循環(huán)次數(shù)/2，根據(jù)余數(shù)來判斷當前循環(huán)的狀態(tài)。若偶數(shù)次則為1#——主機——2#狀態(tài)；奇數(shù)次為2#——主機——1#狀態(tài)。設定模式完成后按下啟動按鈕，當1#罐設定值大于當前值時置位自動進料標志，同時啟動自動進料泵并置位1#罐進料標志位，隨后啟動1#罐攪拌電機。當達到設定料位后停進料泵，置位1#罐出料標志與2#罐進料標志，停1#攪拌電機，打開1#罐出料閥，打開2#罐進料閥，同時啟動砂磨機電機，當1#罐料位為0時，復位1#罐出料標志，隨后關閉1#罐出料閥。此時判斷2#罐料位是否到達1#罐的設定值，到達設定值時，1#——主機——2#過程完成。當循環(huán)次數(shù)加1后，進入奇數(shù)次的循環(huán)2#——主機——1#模式，置位2#出料標志與1#進料標志，同時打開2#出料閥與1#進料閥，此時打開1#攪拌電機。當2#罐為空罐時，則復位2#罐出料標志與1#罐進料標志，同時關閉2#罐出料閥、1#罐進料閥，停止1#罐攪拌電機。此時2#——主機——1#過程完成。循環(huán)次數(shù)再次加1，隨后進入偶數(shù)次的循環(huán)。在循環(huán)工作的過程中，判斷是否達到批次循環(huán)的設定次數(shù)，如果已經(jīng)達到，就置位完成位，置位自動出料標志，同時停止砂磨主機，打開出料氣泵。判斷循環(huán)次數(shù)是否達到設定次數(shù)的依據(jù)是奇數(shù)次循環(huán)2#罐料位為0，偶數(shù)次循環(huán)1#罐料位為0，置位出料完成，同時自動循環(huán)完成，蜂鳴器啟動，復位當前模式，等待下次模式設定。

2.2 編程及調試

控制系統(tǒng)的功能主要由邏輯程序實現(xiàn)。根據(jù)控制系統(tǒng)的功能，其子程序模塊分別為參數(shù)設定、自動運行、手動運行、模式選擇、通信處理、輸出、故障報警等。子程序在主程序中循環(huán)調用。根據(jù)需要，重點講述PLC與變頻器通信與HMI界面制作。

2.2.1 CPU224與第三方變頻器的通信

CPU 224XP作為主站，使用Modbus RTU協(xié)議，與第三方變頻器進行通信。編程軟件是V4.0 STEP 7 MicroWIN SP7，首先要裝載Modbus協(xié)議庫，調用Modbus主站的指令（Port 0）。CPU 224XP作為主站，3臺變頻器為從站，波特率為9 600 bit/s，偶校驗，1起始位，1停止位。

由于MBUS_MSG指令在同一時間只能使用1次，所以需要建立輪詢訪問從站的機制。在通信任務中，3臺變頻器讀寫指令共21條，并分別對應21個連續(xù)存儲區(qū)。如有相應的指令激活，則將存儲區(qū)置1。完成存儲區(qū)置1之后，再使用MBUS_MSG指令的Done標志位將存儲區(qū)清零。通信輪詢編號在1～21之間循環(huán)，指令執(zhí)行的時間用100 ms定時器監(jiān)視，超過100 ms則退出，跳轉到通信輪詢編號。

使用輪詢的通信機制，能夠保證各讀寫指令的訪問不沖突，經(jīng)調試后運行效果達到預期效果。

在使用MBUS_MSG指令時，根據(jù)S7-200指令的說明，Addr的參數(shù)應該按規(guī)定寫入。訪問可讀寫的保持寄存器時，使用“4+從站寄存器地址(十進制)+1”，即可實現(xiàn)對從站寄存器的讀寫訪問，地址支持5位，即00000～99999。例如，1000h的寄存器，Addr應填寫“16#ac41”。

通信程序設計流程圖詳情見圖2。2.2.2 HMI畫面的制作

圖2 通信程序設計流程圖

此次技術改造的陶瓷砂磨機控制系統(tǒng)使用Smart Line系列控制面板，其不僅準確地提供了人機界面的標準功能，還具有經(jīng)濟實用，高性價比的特點。PPI通訊協(xié)議可以確保面板與S7-200建立高速無縫的連接。Smart Line為控制系統(tǒng)所包含的料罐、管道、閥門、攪拌機等設備提供了豐富的畫面對象庫[3-4]。管道、閥門等控制對象可通過圖庫直接調用，不僅具有很強的立體感，而且還可以動態(tài)顯示。通過精心制作的監(jiān)控界面，可以把系統(tǒng)運行情況直觀、形象地展示出來。與原機型所使用的國產(chǎn)觸摸屏相比較，Smart Line的畫面更為美觀，操作更為便利，其高性價比贏得用戶的一致好評。通過Smart Line的配方功能，操作人員可以方便地實現(xiàn)對產(chǎn)品參數(shù)的分組與設定，不僅優(yōu)化了工作流程，而且提高了客戶產(chǎn)品的層次。HMI監(jiān)控畫面效果如圖3、圖4所示。

3 結束語

圖3 HMI監(jiān)控畫面-1

圖4 HMI監(jiān)控畫面-2

采用PLC技術對陶瓷砂磨機控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改造之后，不僅準確實現(xiàn)了陶瓷砂磨機控制工藝流程，同時也可以方便地與第三方設備進行通信，靈活、便利。不僅可以提高產(chǎn)品品質又可以降低成本，而且具有運行穩(wěn)定可靠、高效低能耗、無金屬污染等特點。而采用的Smart Line系列觸摸屏不僅滿足了其控制功能，而且操作人員可以方便地實現(xiàn)對產(chǎn)品參數(shù)的分組與設定，不僅優(yōu)化了工作流程，而且提高了客戶產(chǎn)品的層次。總之，S7-200PLC與Smart Line應用于砂磨機控制系統(tǒng)，是一條投資少、見效快、收益高、易推廣的技術之路。

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