基于S7—200PLC的达岱砂石料加工系统

贾茜

摘要：砂石料加工系统将自动化技术、计算机技术和网络通信技术结合起来，实现整个加工过程的自动控制。该文主要介绍了砂石料加工系统的生产工艺和系统控制要求，本系统下位机采用西门子公司S7-200 PLC，文章主要就系统结构、PLC硬件配置、软件设计进行讨论，上位机监控界面采用WinCC flexible 2007，实现了砂石料加工的远程监控和自动控制。生产运行效果表明，该系统稳定可靠，管控实现了一体化，企业的经济效益得以提高。

关键词：PLC；砂石料加工；自动控制；WinCC flexible

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）03-0228-02

达岱砂石料加工系统由于工作环境恶劣，对可靠性、安全性要求较高，并以逻辑控制为主，按照现场生产工艺的实际要求，遵循先进、可靠、易扩展维护的原则，系统以可编程控制器西门子S7-200PLC作为现场控制中心，连接现场各控制对象。上位机使用以西门子MP277触摸屏作为人机交互界面，监视各设备的运行情况，并进行控制。系统主要完成数据采集、处理及逻辑控制，系统中电机起/停、电动机的主回路控制、各种保护、指示、手动干预功能、PLC与外部输入开关/输出执行元件的连接等功能。

1 系统概况

整个砂石料加工系统主要设备分为破碎设备、筛分及分级设备、给料设备、输送设备和其他。其中破碎设备有鄂式破碎机、高速立式冲击破、反击破各一台，筛分及分级设备由三个圆振动筛组成，给料设备包括棒条给料机一台和自同步惯性给料机二十台，输送设备是皮带输送机（俗称皮带），其中1000m的一条，800m的五条，650m的十条，另外还有两台电磁除铁器。

该砂石料加工系统采用三段破碎工艺，系统处理能力为240t/h，生产能力为190t/h。整个工艺流程主要分为粗破和筛分两个部分：

粗破部分：首先将采集回的原砂石料经棒条给料机，通过皮带输送机送至鄂式破碎机。接着一部分砂石料再输送到反击破加工后，直接进入储存量为两万立方米的半成品堆场；另一部分经圆振动筛筛分后进入半成品堆场。最后这些半成品一部分再经过自同步惯性给料机加工后由卡车运走，另一部分进入筛分车间。

筛分部分：将在粗破车间加工后的半成品再经过两台圆振动筛和立式冲击破的层层筛分与加工，经由皮带输送机分别送至80-40mm、40-20mm、20-5mm和常态砂这四种成品粗骨料堆场中。

系统控制方式分为三种：现地控制（现场手动控制，具有最高优先级别）、中控室手动控制（在中控室监控画面上手动控制）和上位机自动控制。根据生产工艺和生产安全要求，在中控室可对各控制单元实行自动操作控制，或下放控制权至各个操作站，决定对本控制单元实施远程自动、手动控制或者不动作；或由操作站再下放控制权给现场操作箱，在现场对设备进行启停操作。整个系统正常运行时，开、停机均采用PLC和计算机自动控制。操作工根据值班长的指示，选择设备组的运行方式（运行期间也可根据生产的需要变更运行方式）。当准备运行时，上位机首先对该种运行方式下的设备监控参数进行巡检，若满足设置要求时设备启动，不满足则发出报警信号要求系统处理，直到监控参数满足要求时方可启动下一台设备。操作工接到值班长的停机指令后，只需按下自动停机按钮，计算机根据程序设置进行自动停机巡检，完成停机控制。在砂石料加工系统的自动控制中，开、停机需遵循优先启动加工设备，后启动皮带运输机的逆料流开机，顺料流停机的原则：以给料机为首端，进料仓的皮带运输机为末端，开机时优先启动加工设备，后启动末端的皮带运输机，延时后再按照程序设定开启上一级皮带机；停机时则相反，停机顺序依次为给料机，皮带运输机，加工设备。

根据生产安全的要求，由于整个砂石料加工系统中主要设备单机功率都很大，18.5kw以上的设备需配置启动柜，提供电源；30kw以上的配置启动柜，由配电房直接供电，由控制台直接输出无源触点进行控制。启动方式采用自耦降压起动，也就是利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压，使得电机在启动时电流不会太大，等电机启动运行到一定转速后，利用时间继电器延时一定的时间后再全压运行。

2 系统硬件结构

2.1 控制系统结构

达岱砂石料加工系统主要分为上位机系统和下位机系统。上位机使用的是西门子公司的WinCC flexible HMI设备MP277触摸屏（两台），由于在工艺过程日趋复杂、对机器和设备功能的要求不断增加的环境中，获得最大的透明性对操作员来说至关重要。人机界面HMI提供了这种透明性。在270s的众多系列里，多功能面板MP277代表了对270s的扩展，MP277具有多种应用用途和良好的性价比，其配备的PROFIBUS接口可用于连接基于PROFINET的以太网接口，另外还有配有2个USB接口和多达64k颜色的TFT屏幕。在系统运行阶段，上位机主要对整个工况进行实时监控，完成对系统所有测点、电气参数检测、计算、报警记录等，是整个系统生产数据处理中心。并且上位机能对所有设备进行自动操作。

下位机系统主要由西门子公司S7-200可编程控制器（两台）作为监控核心。充分利用了可编程控制器能够适应极其恶劣的工作环境，可靠性高，抗干扰能力强的特点，并且系统的安装、调试工作量小，配置相应的通讯接口便可与现场设备通讯。该部分主要是根据操作员设定的操作方式，来完成相对应不同的功能。

该系统的数字量输入信号主要有现地箱事故开关输入信号、现地箱现地输入信号、现地箱集控输入信号、现地箱现地起停输入信号168个，现地箱控制电源断路器输入信号42个，断路器输入信号14个，系统急停1个，全线警铃1个，逆料启动2个，顺料停机2个，控制台现地/集控转换输入信号4个。数字量输出信号主要有设备起停输出信号42个，事故开关输出信号42个，现地箱电源断路器分合指示输出信号42个，允许启动、系统停止、系统起动、闪光蜂鸣器、全线警铃各2个。根据以上所述，在下表中给出S7-200PLC的硬件配置。

2.2 通讯方式选择

S7-200 PLC支持多种通信协议，比如PPI（点对点接口）、MPI（多点接口）和PROFIBUS（现场总线）。这些协议都是基于七层开放系统互联模型（OSI），并通过一个令牌环网来实现其功能。它们都是基于字符的异步通信协议，由起始位、八位数据、偶校验和一个停止位组成。

达岱砂石料加工系统采用的是PPI（点对点接口），PPI是主/从协议，通信网络中的S7-200 CPU都作为从站。编程站和HMI是通信网络中的主站，在整个网络中使用PPI多主站电缆，并且使用STEP 7-Micro/WIN提供给它的地址，两台S7-200PLC作为从站。S7-200CPU上有两个端口，端口0作为编程口与编程计算机连接，端口1与触摸屏通过PPI多主站电缆通讯，两台S7-200CPU之间也可以用网络读写指令相互读取数据（点对点通信）。

3 系统软件设计

系统软件设计主要分为PLC控制程序设计和上位机监控界面设计两部分。

3.1 PLC控制程序设计

该设计部分是该系统的重要软件设计部分，开发环境是西门子公司自动化产品系列 STEP7-Micro/WIN 4.0编程软件，编程方式采用模块式结构，这种编程方式有效的增强了程序的可读性，对后续的调试维护工作起到事半功倍的效果。

本系统程序主要分为：主程序、通讯子程序、系统条件判断子程序、逻辑控制子程序以及保护功能子程序。系统条件判断子程序流程图如下所示。

图1 系统条件判断子程序流程图

系统的逻辑控制子程序整个流程主要分为手动控制和自动控制。手动控制又分为软手动与硬手动，在这里指的是软手动控制，上位机触摸屏与PLC通信，操作员通过监控画面远程控制、管理生产过程；自动控制指的是根据上位机所给定的参数，自动控制现场设备的运行。

3.2 上位机监控界面设计

上位机监控组态软件采用的是西门子WinCC flxible2007组态软件进行设计，主要设计了起始界面、工艺流程界面、时间设置界面、数据查询界面以及报警界面主要实现了工况、数据、设备状态、报警的实时显示，工艺参数的修改，报表的生成及打印，手动、自动控制的切换等功能。

其中工艺流程界面由粗破车间界面和筛分车间界面两部分组成。在集控状态下，整个界面可以清晰的动态显示出各个设备起动或者停止的顺序，即逆料起动、顺料停机的原则；在现地状态下，操作员通过设置参数来控制哪台设备启动或者停止，在界面中也是一目了然的。

时间设置界面是设置设备起动、停止延时时间的界面，每个设备通过设置一个int类型的变量与PLC程序中定时器的PT端口的变量连接，这样就可以在上位机中设置时间通过PLC强大处理数据的能力去控制现场设备。

数据查询界面主要包括了事故开关状态、断路器开合状态、设备起停状态以及远程设备现地状态，操作员可以通过这些状态界面完全监控整个现场。另外还有一个手动界面，操作员也可以操作各个设备所关联的按钮来手动控制现场设备的起停。

4 结束语

以S7-200PLC为核心，采用自带的PPI接口组成小型PLC通讯网络，监控整个砂石料加工中各设备的起停、延时、事故状态。通过人机交互界面，实现了操作过程的可视化，这种控制技术对于中小规模监控场合，具有较大的推广价值。

参考文献：

[1] 方承远，张振国. 工厂电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2] 西门子（中国）有限公司自动化驱动集团. S7-200系统手册[M].北京：北京航天航空大学出版社，1999：1-66.

[3] 西门子（中国）有限公司自动化驱动集团. 深入浅出西门子S7-200PLC[M].3版.北京：北京航空航天大学出版社.2007：1-295.

[4] 张德江.计算机控制系统[M].北京：机械工业出版社，2007：87-90.

[5] 沈治.基于S7-200PLC的堆垛机自动控制系统的设计[J].工矿自动化，2010，12（3）：66-74.

[6] 胡寿松.自动控制原理[M].4版.北京：科学出版社，2001：1-455.