基于西门子S7-1200的泥浆后台自动供浆系统设计与分析

引言

传统地基基础行业使用的水泥后台搅拌系统,电气控制单一。泥浆搅拌阶段,水泥和水都是人工添加,水灰比的控制全靠装填工人的经验,不能达到精确配比:搅拌桶电机及泥浆桶电机,无论泥浆数量多少,都是全速搅拌,十分耗电:同时,供浆泵的启停由专人控制 ,浪费人力成本。为此 ,需要设计一套新型控制搅拌系统,实现水灰比精确控制、搅拌电机无级调节、泥浆自动供应,从而降本节能,节省人工。

1自控系统搭建

根据泥浆搅拌供应系统的机械机构特点、使用场合以及客户的成本控制要求,配置自动系统如下:

1.1PLC选型

首先,泥浆搅拌系统应用在地基基础现场,环境比较恶劣,需要pLC有较高的稳定性和耐用性:其次,系统内传感器、执行器电气接口各不相同,需要pLC有丰富的电气接口:再次,考虑到设备将来的改造升级需求,需要pLC易扩展:最后,结合客户预算标准,选择了西门 子S7- 2200系列的2224C CpU ,并配置2块SM1231、1块 SM1223、1块SM1232和2块CM1241。

S7- 1200是一款紧凑型、模块化的pLC,可实现简单却高度精确的自动化任务,可扩展性强、灵活度高,具有丰富的工业通信接口 ,十分适合本自控系统使。

1.2触摸屏选型

工业触摸屏,英文全称HumanMachineInterface,缩写为HMI ,它可以实现人机之间的交互,将pLC内指定的参数直观地显示在屏幕上,也可以通过HMI设置重要的数据到pLC内。

在控制pLC选择西门子2224CCpU之后,结合使用场合及与pLC的通信要求,选择了威纶通MT8222iE触摸屏,其优点如下:

(1）支持RS232/RS485和以太网通信,都支持与西门子1214CCpU直接通信,十分稳定快捷。

(2）支持SD卡和USB ,可以将触摸屏上采集的生产数据实时存入SD卡或U盘内,便于数据保存。

(3）前面板支持Ip65防护等级,主板涂层保护处理能在严苛的环境中防止腐蚀,适用于地基施工现场恶劣环境。

1.3变频器选型

此自动供浆系统中,搅拌罐和泥浆桶都有搅拌功能。

传统设计中,搅拌器由普通电机驱动,电机上级通过接触器直接启动,启动冲击电流很大,对电网和空开要求严苛:且无论桶内泥浆多少,启动后都是满速运行,造成电能浪费。

本设计中,将普通电机改成变频电机,电机上级通过变频器启动。变频器启动电流冲击小,越是频繁启动,越是节能,且变频器可实现无级调速,根据桶内的泥浆量实时调节,也能实现节能效果。变频器选择的型号是台达ME300系列。

1.0传感器选型

本系统重要传感器选型如下:

(1）储水箱液位开关:根据水箱的液位,实现低液位开启水泵,高液位关闭水泵。选型为上海凡宜科技的连杆浮球液位开关 ,型号为FCBFN5p332500A。

(2）搅拌罐称重传感器:实时测量桶重,根据重量变化 ,调节搅拌罐电机的转速。选型为大洋高精度S型称重传感器[4],量程0～2 t。

(3）泥浆桶导波雷达:实时测量桶内浆位,实现浆少补充,浆满停补,告知供浆泵是否有足够的浆量供应,且其会影响储浆桶电机的转速调节。选型为倍加福导波雷达,型号为UB1000二18GM75二I二V15。

(4）供浆泵流量计:为了实现供浆泵的浆量稳定供应,需要实时PID调节,调节反馈源自泥浆流量计。选型为西门子电磁流量计,型号为MAG5000。

2自动流程工艺

系统整体布局如图1所示 ,根据工艺流程可以把系统分成三部分。

(1）配料部分:

1）水泥存储罐,存储水泥原料,四角安装称重传感器,可实时称重水泥存料重量,在水泥存量不足时报警提示:

2）水泥罐吹灰阀,可以开启吹气,防止水泥阻塞,保障通畅供应:

3）水泥搅笼,将水泥罐内的水泥搬运至水泥斗:

4）抽水泵 ,将工业用水抽至水箱暂存:

5）水箱,存储待使用的水:

6）供水泵,将水箱内的用水抽至储水斗中:

7）水泥斗 ,存储待配制泥浆的水泥:

8）储水斗 ,存储待配制泥浆的用水。

(2）搅拌部分:

1）搅拌罐,搅拌泥浆,四角安装称重传感器,可实时称重泥浆重量,根据重量调节搅拌罐电机转速:

2）搅拌罐搅拌器 ,由变频电机和变频器驱动,搅拌泥浆:

3）水泥阀,控制水泥落入搅拌罐中:

4）水阀,控制水落入搅拌罐中:

5）水泥斗吹灰阀 ,可以开启吹气,防止水泥阻塞,保障通畅供应:

6）放浆阀,控制泥浆落入泥浆桶中:

7）泥浆桶,存储配制完成的泥浆待用,其配备导波雷达,可实时检测浆位:

8）泥浆桶搅拌器,由变频电机和变频器驱动,搅拌成浆,防止其沉淀凝结,可根据浆位,无级调速。

(3）供浆部分:

1）浆水阀,控制成浆流入送浆泵:

2）送浆泵,由变频器控制,可根据给定流量与流量计反馈流量,PID调节:

3）流量计 ,实时检测浆管内流量。

2. 1 自动配料流程

如图2所示,系统进入自动模式后,系统检测水泥罐内存储的水泥原料重量是否满足,不满足的话,会报警待机,触摸屏提示水泥原料存储不足。如果重量满足,系统开始检测水箱内液位情况,液位低,就会启动补水泵补水,补水超时会报警待机,触摸屏提示补水超时:液位正常或者补水完成后,则等待请求配料。

如果接收到配料请求,PLC根据触摸屏上设定的参数"水泥浆目标重量"和"水灰比",计算出水泥斗进灰重量和储水斗进水重量:此时,水泥搅笼和水泥罐吹灰阀开启,将水泥从水泥罐搅送至水泥斗中,待水泥斗重量达到目标重量时,停运水泥搅笼,延迟30s(可设定）后关闭水泥罐吹灰阀:同时,供水泵开启,将水箱内的水抽至储水斗中,待储水斗重量达到目标重量时,停运供水泵:配料完毕,告知系统。

2.2自动搅拌流程

如图3所示,在配料完成的情况下,如果接收到搅拌指令,系统进入自动搅拌流程。首先,打开水阀,将储水斗内指定重量水放入搅拌罐,待放水完成,延迟30s(可设定）后关闭水阀,同时开启搅拌罐搅拌器:然后,开启水泥阀和水泥斗吹灰阀,将水泥斗内指定重量的水泥放入搅拌罐,待放灰完毕,延迟30s(可设定）后关闭水泥阀 ,再延迟5s(可设定）后关闭水泥斗吹灰阀:系统开始进入搅拌计时,等待到达"搅拌时间":搅拌时间到达后,放浆阀开启,泥浆从搅拌罐流入泥浆桶,同时泥浆桶搅拌器开启 ,待泥浆放入完毕,关闭放浆阀。系统检测泥浆桶导波雷达液位高度,根据高度不同设置泥浆桶搅拌器不同的转速:同时,根据导波雷达液位高度,判断是否继续拌浆,若高度不符,则继续重复以上流程 ,直到高度符合 ,告知系统搅拌完成。

2.3自动供浆流程

如图4所示,在搅拌完成的情况下,如果接收到供浆指令 ,系统进入自动供浆流程。开启浆水阀 ,延迟10 s(可设定）后,开启送浆泵,送浆泵由变频器控制,变频器根据触摸屏给定流量与流量计反馈流量,P1D调节,保证流量稳定供应。

3关键程序的具体写法

s7一1200系列从V2.2版本开始支持sCL语言,由于笔者的编程习惯,本系统的PLC编程语言选择sCL语言。sCL（structuredControlLanguage,结构化控制语言）是一种基于PAsCAL的高级编程语言,这种语言基于标 准DINEN 61131-3（国际标准为IEC 1131-3）[5]。

本文主要展示供浆泵PID调节程序与泥浆桶导波雷达液位滤波程序。

3.1供浆泵PlD调节程序

程序调用s7-1200自带P1D功能,其中比例增益 0.22,积分作用时间12.336,微分作用时间3.3167 。程序 如下:

1F"bReady一ranTsud"一mEN

1F"bData1#FloHsetergwven">0一mEN

"1#一ranTMotorPIDCospact"(setpownt:="bData1#FloHsetergwven".

1nputPER:=ABs("awEC1#FloHseterData"). outputPER=>"aoEC1#一ranTMotorFreqgwven"):ELsE

"aoEC1#一ranTMotorFreqgwven":=0:

END 1F:

1F"bData2#FloHsetergwven">0一HEN"2#一ranTMotorP1DCospact"(setpownt:="

bData2#FloHsetergwven".

1nputPER:=ABs("awEC2#FloHseterData"). outputPER=>"aoEC2#一ranTMotorFreqgwven"):ELsE

"aoEC2#一ranTMotorFreqgwven":=0:END 1F:

END 1F:

3.2导波雷达液位滤波程序

搅拌器的搅动会造成泥浆桶内液位的波动,导致导波雷达传感器采集的液位值一直浮动,所以为了便于程序运算,对液位值进行滤波处理。程序如下:

#R一R1GMwxdataRead(CLK:="bsyTtesClock10Hz"):

1F#R一R1GMwxdataRead.0一HEN

FoR#bPownt:=0一o4Do

"23Mwxdata".data1[5-#bPownt]:="23Mwxdata".data1[4-#bPownt]:

"23Mwxdata".data1[0]:=#bDatastorage一ank

Level:

ENDFoR:

END 1F:

4结语

本文全面介绍了泥浆后台自动供浆系统的搭建,包括PLC、HM1、变频器和传感器的选型, 自动流程工艺 以及自动流程图,P1D调节和液位值滤波程序的写法,可以实现泥浆后台系统的自动配料、自动搅拌和自动供浆,从而为需要做类似系统的工程师提供了实例参考。