基于S7-300PLC的廢沙回收再生控制系統設計

陳寶江

（廣西春茂電氣自動化工程有限公司，廣西 南寧530000）

廢沙為鑄造固體廢棄物的主要成份，約占70%.廢沙的回收利用，不僅能提高資源的利用率，降低生產的成本，而且非常有利于環境保護。實踐證明，廢沙通過搓磨、除雜、高溫焙燒等工藝完全可以實現再生。

西門子S7-300 PLC為西門子公司中型PLC，其具有運行可靠性高、組合靈活、功能強大和維護方便等優點，在工業自動化生產領域中的應用非常廣泛[1]。TP1200屬于西門子新一代HMI精致面板系列產品，精致面板系列產品具有分辨率高、多種下載方式、組態更方便、性價比更高等優點。通過對工藝及設備的分析，選擇西門子S7-300 PLC作為生產線的核心控制器，選用西門子TP1200觸摸屏為主要監控設備，基于TIA平臺開發出設計相應的控制軟件，TIA開發平臺具有界面友好、操作方便、組態效率高等優點，十分有利于系統設計及縮短工程周期[2]。

1 工藝及主要設備簡介

鑄造廢沙回收再生生產線主要工藝流程為：前處理區廢沙、濾芯入料破碎、搓磨磁選除雜高溫焙燒冷卻再生。主要的工藝設備有圓磨破碎機、主線篩、磁選機、焙燒爐、沸騰冷卻床、沙庫等。

根據工藝及設備的分布，將整個生產線劃分為廢沙入料段、焙燒給料段、焙燒再生段。廢沙入料段主要功能：將廢沙、濾芯磨細除掉粗雜質，并放入廢沙庫；焙燒給料段主要功能：將已破碎磨細的廢沙，通過直線篩、振動篩、磁選機等設備將雜質清楚干凈，再送入焙燒爐。焙燒再生段主要功能：將廢沙進行高溫焙燒再生。其中焙燒再生為正生產線的核心工藝，焙燒爐內的溫度直接影響再生沙的品質。焙燒爐主要靠燃燒天然氣來升溫，一共配有四套燒嘴，每套燒嘴均配有燒嘴控制器及閥門組件。

2 控制系統組成及主要功能

該生產線控制系統由控制柜及現場設備（如：接近開、熱電偶、壓力變送器、電磁閥、燒嘴控制器、燒嘴等）組成。控制柜主要完成現場設備信號采集、處理，實時動態顯示生產線的實際運行狀態，通過邏輯運算控制現場設備運行，診斷現場設備的運行狀態，自動生成故障報警信息，歸檔生產數據，自動生成生產報表，同時提供曲線功能。

2.1 系統總體設計及任務規劃

通過分析工藝的要求，設計了工藝控制流程圖；編寫了控制方案書，細化控制任務；分析主要設備功能，根據要求設計相應的電氣控制原理圖；根據電氣控制需求選擇PLC系統的IO模塊并進行硬件組態，編寫控制程序；根據實際生產線布局及操作需求，設計HMI畫面；單體設備調試，系統聯調，優化控制程序；總結及整理項目存檔資料。

2.1.1 系統工藝

根據客戶提供的資料，對鑄造廢沙回收再生產線的工藝進行深入的分析，對生產設備功能進行深入的了解，經過與客戶共同仔細的研究、討論，最終確定整個產線的生產工藝流程。最終制定的工藝流程如圖1所示。

圖1 鑄造廢沙回收再生產線工藝流程圖

2.1.2 主要設備功能及控制

根據設備功能及控制任務，選擇相應的控制方案，并設計電氣控制原理圖，主要設備及控制任務如表1.

表1 主要設備一覽表

2.1.3 整體控制方案設計

深入分析生產工藝流程圖以及主要設備的控制任務及聯鎖關系，選擇將整個生產線分段管理的控制方案。根據實際情況將產線劃分為廢沙入料段、焙燒給料段、焙燒再生段。根據生產線控制要求，PLC做為核心控制器完全滿足生產線控制要求。根據設備的控制任務及動作的特點，選擇相應的傳感器，并詳細列出詳細的I/O需求表，如表2系統I/O需求表，并設計相應的系統結構圖，如圖2系統結構圖。

表2 控制系統IO需求表

圖2 系統結構圖

2.2 PLC系統硬件配置

根據對工藝及設備的分析，選用S7-300系列PLC中的S7-315 2PN/DP CPU作為核心控制器，S7-315 2PN/DP CPU集成有PROFIBUS DP接口及PROFINET接口，無需添加硬件就可以實現PROFIBUS DP、PROFINET通訊[3]。根據控制系統IO需要，系統硬件配置如表3所示，并設PLC系統電氣控制原理圖。

表3 控制系統硬件配置表

2.3 系統主要控制功能

控制系統軟件分為PLC程序和HMI監控系統軟件兩部分，采用西門子TIA V13軟件進行編程，PLC程序主要實現對現場設備控制、信號采集處理、故障診斷及報警輸出。HMI監控軟件主要實現實時監控現場設備、顯示生產數據、實時顯示報警信息、歸檔和存儲生產線數據。系統控制流程如圖3所示。

圖3 系統控制流程圖

2.3.1 物料控制

物料控制為產線基礎控制功能，物料控制的依據是實時料位信號，沙庫的料位信號由料位器檢測；焙燒爐內料位采用差壓變送器檢測。根據料位信號調整產線的運行狀態，通過改變變頻器運行速度，調整焙燒爐進沙出沙速度，保證產線在最高效率下運行。如圖4所示。

圖4 焙燒爐料位控制功能圖

2.3.2 爐溫控制

爐溫控制為整個產線控制的核心功能，爐溫直接影響再生沙的品質。使用四個熱電偶對爐內溫度進行檢測，采用四個熱電偶的平均值為當前的平均爐溫，將平均爐溫與設定爐溫進行PID運算，PID運算結果通過PROFIBUS DP傳送到燒嘴控制器，燒嘴控制器根據控制系統的給定量，調節燃氣閥的開度，從而控制燒嘴火的大小，實現對爐內溫度的控制。如圖5所示。

圖5 爐溫控制功能圖

2.3.3 實時監控

該系統采用TP1200面板配2GB的數據存儲卡，實時動態顯示生產線運行狀況及歸檔存儲運行的數據。HMI軟件使用TIA V13編程開發，HMI的主要功能有實時動態顯示生產線設備運行狀態、提供操作員操作設備的接口、設備故障報警信息提示、運行數據的歸檔存儲。

3 實施效果

本項目已于2018年4月28日順利投產，運行穩定，操作方便，功能豐富，產品質量極高，得到了客戶非常高的評價，為后續的合作打下了堅實的基礎。該生產線所達到的技術指標如表4（熱法焙燒再生生產線達到技術指標統計表）。

表4 熱法焙燒再生生產線達到技術指標統計表

4 結束語

采用西門子TIA平臺軟件，開發S7-300 PLC控制系統項目，PLC程序與HMI程序融合程度非常高，變量連接方便快捷，且不容易出錯。同時TIA平臺有十分強大的幫助系統，有助于提高編程調試的效率，縮短系統開發的時間。