西門子S7—1500 PLC控制器在配料攪拌裝置中的應用

摘 要：論文闡述一般性液料混合攪拌裝置的設計思路，采用西門子PLC控制器編程控制，實現對液料進液及攪拌的自動控制。裝置主要由西門子S7-1500控制器、反應釜、變頻電機、西門子G120變頻器、稱重配料系統和控制操作面板等構成，反應釜及安裝附件按實際現場應用比例縮小，模塊化安裝。通過PLC按配方控制物料配比，并通過變頻器輸出來控制電機的轉速快慢，操作面板直觀顯示電機及流程轉速快慢，從而簡單描述實際生產過程中幾種物料通過攪拌合成最終成品過程。

關鍵詞：PLC控制器；變頻器；人機界面；工業以太網（PROFINET）；稱重傳感器

一、攪拌裝置系統設計組成

控制系統裝置主要由西門子S7-1500控制器、西門子G120變頻器、西門子觸摸控制面板TP700構成，以及反應釜、變頻電機、稱重配料系統。編程軟件采用TIA portal，網絡通信采用工業以太網（PROFINET），如圖一所示：

（一）人機界面與觸摸屏

人機界面（Human Machine Interaction，簡稱HMI），是指人和機器在信息交換的設備，在控制領域中，一般指現場工作人員與控制設備系統進行人機對話而完成控制功能的設備，是PLC控制器的最佳搭檔。人機界面最基本和重要的功能是通過組態現場設備中位變量的狀態和一些重要寄存器中數字變量的值，用組態畫面中的按鈕向PLC發出執行指令，以及修改PLC寄存器中的各種參數。

人機界面主監視圖如圖二所示：

系統中人機界面采用了西門子觸摸控制面板TP700，為精簡系列面板，采用模擬電阻式觸摸屏，具有RJ-45以太網接口，通信速率為10/100Mbit/s，用于與組態計算機或西門子PLC通信。

（二）西門子S7-1500控制器

西門子PLC S7-1500？系列是西門子PLC系列的創新產品，它在性價比，運行能力，通訊功能，擴展性能，響應速度，顯示功能等方面，相比西門子PLCS7-300系列，西門子PLC S7-400系列都有了大幅提升。從而為用戶在自動化控制系統的配置中提供了更加優秀的解決方案。

S7-1500集成了運動控制、工業信息安全和故障安全功能，其運動控制功能最多支持20個速度控制軸、定位軸和外部編碼器，有高速計數和測量功能。位操作指令的處理時間典型值為10ns，換句話說，每一微秒可處理100條位操作指令，浮點數運算指令的處理時間典型值為64ns。AI、AO模塊的分辨率均為16位，8點AI模塊的每個模塊轉換時間為125us，數字量輸入模塊具有50us的超短輸入延時。采用PROFINET IRT通信可以保證確定的反應時間和高精度的系統響應，最短循環時間250us。

S7-1500的運動控制功能集成在CPU模塊中，不需要附加的運動控制模塊，用TIA Portal創建項目和組態工藝對象，用博途提供的符合PLC open標準控制工藝對象。

運動控制可以使用具有PROFINET IO IRT和PROFIdrive接口的驅動器，或使用模擬量設定值的驅動器。運動控制功能支持速度控制軸、定位軸和外部編碼器工藝對象。

（三）西門子SINAMICS G120變頻器

變頻器是可調速驅動系統的一種，是通過交-直-交或交-交的方式，改變交流電動機工作電壓的大小和頻率，從而平滑的控制驅動交流電動機的運行速度和轉矩。

西門子變頻器SINAMICS G120系列，是通用型單機傳動變頻器。它可以滿足更加嚴苛的需求。西門子變頻器SINAMICS G120可以廣泛用于各個領域變頻調速控制任務，特別是工業環境下的風機，水泵和壓縮機等設備的調速應用。它的眾多特點為用戶在使用和調試過程中提供了方便，使得用戶提高了工作效率，節約了維護成本，并且為工廠帶來了節能效果，提高了效益。西門子變頻器SINAMICS G120具有強大的通訊功能，它可以通過集成的Modbus RTU，BACnet MS/TP等集成到樓宇自動化系統中。并且可以通過PROFINET和PROFIBUS通訊方式集成到自動化控制系統中。

在本裝置中，主要采用西門子SINAMICS G120變頻器對攪拌變頻電機進行控制，接線圖主電路如圖三所示：

（四）工業以太網（PROFINET）

工業以太網（PROFINET）具有很好的實時性，通過以太網可以直接連接現場設備，使用簡單又方便。工業以太網（PROFINET）支持分布式的自動化控制方式，主站與主站之間的通訊，主從站之間的通訊。

工業以太網（PROFINET）是一種新的以太網通訊系統，能夠兼容和識別很多制造商產品之間的通訊，工業以太網（PROFINET）的自動化和工程模式，優化了分布式的自動化控制系統，使得自動化控制系統應用能夠節省配置和調試費用。

此外，工業以太網（PROFINET）對現有自動化控制系統提供了保護，因此為大多數用戶所選擇。

工業以太網（PROFINET）的應用技術有三種類型：

1）PROFINET 1.0 基于組件的系統主要用于控制器與控制器通訊；

2）PROFINET-SRT 軟實時系統用于控制器與I/O 設備通訊；

3）PROFINET-IRT 硬實時系統用于運動控制。

二、攪拌裝置工作原理分析

通過TIA portal軟件對S7-1500 PLC、HMI、變頻器進行組態，并進行PLC程序控制編程，人機界面畫面組態、變頻器參數設計，把程序及畫面進行下載，進行液料進料及攪拌。本裝置簡單的反映了生產過程中物料通過按配方加料后攪拌合成的流程部分。物料經過稱重系統計量，信號輸入PLC，PLC控制按配方控制不同物料的重量和次序，配料完成后。PLC通過與變頻器的通訊來控制攪拌速度的快慢，從而控制產品的生產質量。

（一）稱重系統分析

稱重系統采用了稱重傳感器，在整個稱重系統中，稱重傳感器起著非常巨大的作用。稱重傳感器的工作原理是將重量信號轉換為電信號，經過儀表的放大器與A/D轉換后，進入微處理器運算。

本裝置中采用了電阻應變式稱重傳感器，其原理如下：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。

因此，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可或缺的重要組成部分。彈性體是一個有特殊形狀的結構件，它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產生反作用力，達到相對靜止平衡；其次，它要產生一個高品質的應變場（區），使得粘貼在該區的電阻應變片比較理想的完成應變電信號的轉換任務。檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出。檢測電路采用惠斯登電橋，既可以抑制溫度變化的影響，也可以抑制側向力干擾，同時還可以解決稱重傳感器的補償問題等。

（二）變頻器工作方式

PLC通過總線PROFINET控制變頻器正轉、反轉、停止和改變頻率。

把組態好的硬件組態下載到PLC中，并且通過菜單欄中在線訪問→電腦對應網卡→對應的G120，設置G120的IP地址為硬件組態中設置的地址。

根據變頻器通訊控制字結構可以得到控制命令值：

停止：W#16#047E；

啟動：W#16#047F；

反轉：W#16#0C7F；

復位：W#16#04FE。

變頻器接收的設定值和反饋數值都是4000H對應滿量程，在寫入W#16#1000H對應設定速度就是350rpm。

按工藝編寫STEP7控制程序，控制變頻器運行。

（三）攪拌裝置工作流程圖

液料進料攪拌工作流程圖如圖四所示：

1）啟動操作。按下觸摸屏啟動按鈕，YV1通電并自鎖，液體A流入容器。

2）液體重量到設定值1。當液體重量達到設定值1時，此時電磁閥YV1斷電關閉，而電磁閥YV2通電接通，液體B流入容器。

3）液體重量到2。當液體重量達到設定值2時電磁閥YV2斷電關閉，延時10s后啟動電機正轉攪拌。

4）反轉攪拌。電機正轉攪拌時間到達設定T1后電動機反轉攪拌。

5）反轉攪拌。電機反轉攪拌時間到達設定T2后電動機停止攪拌。

6）停止操作。如按下觸摸屏停止按鈕，在當前的操作步驟立即結束并停止自動流程。

三、小結

液體攪拌在化工、飲料、機械等行業的生產過程中，是十分重要也是必不可少的重要環節。液體攪拌的關鍵是保證混料過程中原料的準確性和比例以及保證原料的充分混合。

傳統的繼電器控制液體攪拌系統，使用硬件連接電器多，可靠性差，自動化程度不高。采用PLC實現液體攪拌控制，不但可以對液體攪拌過程的各個環節精確控制，而且大大降低成本，可直接應用于工業現場，對現場操作人員的要求也不高。

參考文獻：

[1] 馬丁，西門子PLC常用模塊與工業系統設計實例精講[M].電子工業出版社，2009，6.

[2] 廖常初.西門子人機界面（觸摸屏）組態與應用技術[M].機械工業出版社，2008，6.

[3] 西門子S7-1500編程手冊.

[4] 西門子（SIEMENS）G120變頻器說明書.

作者簡介：

莫思豪，廣東省輕工業高級技工學校，機電工程系教師。