基于S7-200 PLC的鋼廠零部件清洗系統控制設計

摘要：在鋼鐵冶煉等重工業生產過程中，設備零件常常會遭受化學污染物的侵蝕，這不僅縮短了設備使用壽命，也增加了維護成本和生產風險。為有效去除這些化學污染，設計了一種基于西門子S7-200 PLC的工廠設備零部件化學污染清洗系統，通過自動化控制和精確的參數監測，提高了清洗系統在工業環境中運行的穩定性和可靠性，有效滿足了工廠設備零部件清洗的需求，提升了生產效率和產品質量。

關鍵詞：S7-200 PLC;清洗系統;自動化控制

中圖分類號：TP273" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）24-0061-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.015

0" " 引言

隨著現代工業的快速發展，鋼鐵冶煉等行業對設備可靠性和生產效率的要求日益提高。然而，設備零件在生產過程中容易受到化學污染物的侵蝕，導致性能下降和維護成本增加[1]。在我國全自動清洗一直是一個難以解決的問題，目前市面上清洗機一般為手動或半自動控制，因此操作煩瑣、勞動力需求量比較大，且生產成本高、安全性能差。傳統的清洗基本上都是靠人工放入清洗槽，這樣的清洗方式不僅效率低下而且成本較高。現有的自動清洗機整機功能單一，基本上都是根據某一類工件設計的專用的清洗結構，無法實現多種類工件的清洗。

著眼于國內外的研究現狀，針對傳統自動清洗機操作復雜、性能單一、需要人工操作等問題[2]，研究設計了一種新型的設備零部件自動清洗系統，在現有清洗機結構的基礎上進行優化改進設計，利用PLC對整機系統進行實時控制，使之實現性能多樣、操作簡單、自動清洗的功能。西門子S7-200作為一種廣泛應用的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）[3]，為實現清洗過程的自動化控制提供了強有力的技術支持。本文旨在開發一套基于S7-200 PLC的自動化清洗系統，以高效去除工廠設備零件上的化學污染物。通過精確控制清洗流程和參數，該系統不僅能夠提高清洗效率和質量，還能降低人工成本和化學介質的使用量，對提升工業生產的可持續性具有重要意義。

1" " 設計方案

1.1" " 結構組成

基于S7-200 PLC的工廠零件清洗系統框架設計方案采用模塊化和自動化設計，核心由S7-200 PLC控制器、傳感器陣列、執行器組件、清洗槽、輸送系統、干燥單元組成。系統通過PLC進行智能控制，實時接收傳感器數據并精確調節執行器動作，以適應不同清洗階段的需求;自動化輸送和干燥單元確保零件的高效處理;同時，系統整合了安全互鎖和緊急響應機制，保障操作安全，并通過廢水處理單元滿足環保要求，整體設計注重操作便捷性、工藝靈活性和系統可靠性。

1.2" " 工藝流程

自動清洗系統工藝流程如下：

1）根據預設參數準備清洗環境，傳送帶裝載運輸待清洗零件至清洗槽中。

2）PLC控制供水系統的注入和循環，同時調節溫度和pH值至最佳清洗條件，可選擇加入化學清洗劑進一步提升清洗效果;清洗過程中，傳感器實時監測并反饋關鍵參數，確保清洗效率和質量。

3）系統進行多次清水沖洗和漂洗，去除殘留介質。

4）清洗完成，取出后對零件進行干燥處理，利用傳送帶將干燥后的零件運輸至指定位置，之后系統自動進行清洗槽和設備的清洗與復位，同時記錄并報告整個清洗過程的數據，確保清洗工作的可追溯性和透明性。

2" " 控制系統選型和設計

2.1" " PLC選型

考慮到本系統需要的PLC輸入、輸出端口數量，特別是高速脈沖輸出端口，加上系統較為龐大，所以對于可編程控制器來說，需要一個比較先進、內存比較大的PLC，考慮到計數器、PID等功能的情況，使用西門子推出的S7-200 SMART PLC，其本體CPU為ST30，它是西門子公司經過大量調研，為自動化市場量身打造的一款PLC產品[4]。編程軟件使用西門子官方提供的STEP 7-Micro/WINSMART，相比較而言，其不論是在界面布局還是基本環境設置上都更加美觀、簡潔，在保持強大功能的同時，使得初次接觸它的使用者可以快速入手。它的主要技術參數如表1所示。

S7-200 ST30 PLC主機實物圖如圖1所示，它是晶體管輸出，有運行指示燈（CPU所處的狀態不同，會亮起對應狀態燈）反映系統當前工作狀態;還有集成的以太網口，讓人機交互更加方便;輸入/輸出端子都可以拆卸，方便安裝;模塊擴展的時候采用的是插針式連接，這樣就讓模塊連接更加緊密，告別接觸不良;還有Micor SD卡插口，可以離線操作，無須電腦就能實現PLC的程序設置[5]。

2.2" " 溫度傳感器選型

溫度傳感器是可以感受環境中溫度變化情況并將其轉換成電流或電壓信號的一種裝置，現在市面上主要有熱電偶和熱敏電阻兩種類型，這兩種傳感器都有其自身的優點和特點。熱電偶是日常生活中最常用的一種溫度傳感器，主要的優點是可以測量的溫度范圍廣，而且對環境的要求低，質量好，價格便宜，不需要連續供電，對能量損耗小，但由于價格便宜，做工不是特別精湛，所以精度不是很高，對于高精度的場所不宜使用。熱敏電阻傳感器主要是由半導體材料制造而成，因為材料的原因，這種傳感器對溫度極其靈敏，而且主要靠材料的特性進行測溫，體積小，安裝和使用都十分方便[6];正是因為這樣的優點，熱敏電阻傳感器很適合本文的控制系統。本文的控制系統要求對溫度進行PID智能控制，對溫度靈敏性要求極高，經過對控制要求的解讀，并對比市面上各種熱敏電阻傳感器，本文最終選擇型號為PT100的溫度傳感器，在系統中，把獲得的溫度信號轉化成模擬量然后輸入CPU，最終經過CPU的PID運算來控制水箱溫度。PT100溫度傳感器的參數如表2所示。

2.3" " I/O分配

清洗系統的I/O分配如表3所示。給PLC上電后，系統先進行初始化，然后通過I0.0控制自動清洗系統的開啟，其他功能可以通過其他I/O點控制。

2.4" " PLC接線圖

控制電路中，選用220 V作為輸出電路供電，用24 V直流電源給PLC輸入端供電。根據設計要求確定PLC接線原理如圖2所示。

3" " 系統各部分程序設計

3.1" " 總控制程序設計

總控制程序主要是實現通過總開關來控制開始工作和供水系統的工作，然后在主開關開啟的情況下，會對其他各個系統子程序進行調用控制，使系統開始自動運行，在轉換開關的作用下實現系統從自動到手動的轉換，當按下急停時，各個部分停止運行。程序梯形圖如圖3所示。

3.2" " 運輸系統程序設計

運輸系統分為兩部分：零件堆放區運輸和清洗區運輸。零件堆放區的運輸通過傳送帶將堆放的零件搬運至清洗區域，進入清洗區后再運輸至清洗槽。

零件堆放區運輸程序采用雙軸聯動控制，將它分成五個子程序進行編程，分別是橫向軸的初始化程序、縱向軸的初始化程序、橫向軸的工作程序、縱向軸的工作程序和各位置的距離計算程序，其中兩軸的初始化程序由總開關直接控制，其他子程序需要總開關打開后，再打開啟動開關才能運行。雙軸控制主要是采用PLC內部的運動模塊實現的，通過光電開關確定零件位置，然后每個光電開關處都預先設置好了距離參數，通過運動模塊，采用雙軸聯動運動到光電開關所在位置，按照由近到遠、由上到下的順序進行搬運，對于清洗區，只有在清洗區傳送帶上的光電開關檢測到零件已經運輸完成之后，才開始運輸下一批零件，以此往復，直到報警、按下啟停按鈕或運輸結束才停止。圖4是運輸系統的部分程序。

雙軸聯動的功能，需要采用PLC的運動模塊實現，具體如下：利用向導設定一軸速度等參數，另一個軸的參數是對第一個軸的參數進行適配，使兩個軸同時從一點出發，同時到達終點，這樣就實現了對兩軸的聯動控制。

清洗區運輸程序主要是控制兩個交流電機的運動，兩個電機的程序設計是一樣的，但參數設置不同，以提供不同的運動速度。兩個電機均采用變頻器控制，設定不同頻率以調節速度，然后通過PLC內部的高速計數器和編碼器進行電機速度的監控。本部分程序主要邏輯是當傳送帶上的光電開關檢測到零件時開始運行，將零件運送至清洗槽，當清洗前端的光電開關檢測到目標時，內部的清洗系統電機運行，并進行清洗工作。圖5是這部分程序的局部圖。

3.3" " 供水部分程序設計

供水部分的程序是由總開關直接控制的，因為加熱水需要時間，所以在總開關開啟時就工作，相當于是系統初始化工作。在總開關開啟的前提下，這個部分的邏輯是水箱里的水位低于下限時，電磁閥打開，由自來水供水;溫度低于設定值時加熱水，由PID智能控溫，保證水溫的穩定。對于清洗水箱，在加水的同時，化學清洗劑供給會提示打開，清洗劑的供給主要由變頻電機控制，當供水停止或清洗劑輸送到達下限位時，電機則反向抽取清洗劑，然后繼續供給或停止。圖6是這部分程序的局部圖。

3.4" " 清洗系統程序設計

清洗區程序由控制開關啟停，原理是在總開關和啟動開關開啟的前提下，當清洗前端的光電開關檢測到零件時，水泵開始工作，對水槽上部進行噴水清洗，同時開始計時，當計時結束電磁換向閥打開，換成從下方噴水清洗，計時結束時關閉換向閥，上方噴水，以此往復，直到關閉或清洗完成。漂洗部分的控制原理與清洗部分一樣。圖7是清洗區程序設計的局部梯形圖。

3.5" " 干燥單元程序設計

干燥消毒單元的程序與清洗系統程序類似，是簡單的通斷電路控制，在此部分前端光電開關檢測到零件時，程序同時控制紫外燈、電風扇、電阻加熱器的開啟，直到清洗完畢，則停止供電;對于加熱電阻，設置一個簡單的保護措施，當溫度達到一個限值則斷開加熱，待降溫到一定程度就繼續加熱。部分程序如圖8所示。

4" " 結論

本文通過裝置的選型、配置方案的設定成功設計并實現了一套基于S7-200 PLC的自動化清洗系統，旨在高效去除工廠設備零件上的化學污染物。本系統在提高清洗效率、確保清洗質量以及降低操作成本方面優勢顯著，且能夠適應不同種類和尺寸的零件，具有高度的靈活性和可靠性;而自動化控制不僅減少了人工干預，還顯著提高了清洗過程的一致性和可重復性;此外，集成的安全特性確保了操作人員和設備的安全。

[參考文獻]

[1] 劉威，劉朝濤，陳永勝.一種工件自動清洗機的設計[J].價值工程，2019，38（4）：88-92.

[2] 羅杰，王春蓮，周劍，等.基于S7-200與MCGS的煤樣清洗系統設計[J].煤礦機電，2021，42（4）：76-79.

[3] 劉玉林，謝云漫，汪心想，等.鋼廠廢水回用項目反滲透膜污染分析和化學清洗[J].清洗世界，2019，35（3）：8-10.

[4] 潘國龍.鋼廠循環水的清洗及處理[J].化學清洗，1991（3）：28-29.

[5] 陳永超，李文華.基于S7-200的清洗機設計實現[J].煤礦機械，2009，30（10）：136-137.

[6] 王毅芳，曾志.S7-200 PLC在清洗裝置改造中的應用[J].電世界，2016，57（12）：42-45.