CPU ST20, DC/DC/DC, 12DI/8DO

SIMATIC S7-200 SMART, CPU ST20, STANDARD CPU, DC/DC/DC, ONBOARD I/O: 12 DI 24V DC; 8 DO 24 V DC; POWER SUPPLY: DC 20.4 - 28.8 V DC, PROGRAM/DATA MEMORY: 20 KB

摘 要：本文介绍了西门子 S7-200 SMART PLC、SMART LINE 触摸屏在啤酒自动计量灌装机上 的应用，阐述了设备工艺流程、控制系统的配置选型、软件设计和实现的功能。经测试，该 方案能完全满足新型啤酒自动计量灌装机的各项技术要求，运行稳定，性能良好。 关键词：S7-200 SMART SMART LINE 啤酒灌装

1　引言 我国啤酒行业经过 30 多年的持 续增长，到 2011 年，全国啤酒产量达 490 亿升，居世界一位，占世界总 产量的 1/4。但与发达国家相比，我国 的人均消费水平还很低，仍有很大的 上升空间。尤其是我国居民收入水平 的提高将会给啤酒的需求带来新的增 长。而啤酒灌装设备在啤酒行业的稳 步发展中扮演了非常重要的角色。 目前，啤酒灌装设备都已经实现 了自动化控制，但自动化程度参差不 齐。有些定容灌装设备采用简单的逻 辑控制器，给用户操作带来了很多不 便之处，例如：参数不易修改控制、 各种设备故障信息无法获取、灌装精 度比较差 ( 由于是定容灌装，容积取 决于啤酒桶的大小，而市面上的啤酒 桶质量参差不齐，容积大小没有统一 标准，无法实现精确灌装 )、无法统 计灌装啤酒的总量。对于双桶灌装设 备，一般采用两个逻辑控制器，由于 该类控制器本体点数较少，采用了两 个独立的控制器进行操作和接线都很 不方便。 2　技术路线 鉴于客户提出的新工艺需求，如 使用流量计实现计量灌装、能方便设 定各种参数、能显示灌装的数量和总 的灌装量，本系统采用 PLC 取代简 易的逻辑控制器。 由于客户装备的流量计是脉冲输 出，需要 PLC 具备高速计数功能， 同时PLC需要具备较高的处理速度。 根据客户的新需求，本系统采用西 门子 S7-200 SMART PLC 及 SMART LINE 触摸屏，将原始系统的两个独 立工序流程由一个控制器统一处理， 既满足了客户的工艺要求，也节约了 设备成本。 灌装机主要技术参数如表1所示。 《PLC&FA》 2013 年 01 月 WWW.CA168.COM 55 3　工艺流程 啤酒自动计量 灌装机工艺流程简 单概括为 3 个步骤： 定位→备压→注酒。 其 中， 定 位： 将注酒阀准确对准 啤酒桶口；备压： 向酒桶内充气打压， 同时可将浮球开关 击落；注酒：关闭 备压后开始注酒， 根据容积或流量测 量，灌酒结束整个 流程结束。控制工艺流程图如图 1 所示。 4　硬件架构设计 本系统使用的 I/O 点数较少，共 10DI/8DO，并且需要 两路单向高速计数器。由于设备电控柜空间狭小，对 PLC 的体积要求非常严格。客户对成本控制要求较高，不能接 受专用编程电缆带来的额外成本。针对以上要求，zui终选 用 S7-200 SMART 的 CPU SR20 模块做为 PLC 配置。 原始的灌装设备没有配备触摸屏，人机交互很不方便， 无法方便的设定参数、获取设备的故障信息。该自动计量 灌装机增加了 HMI 设备，选用了 SMART LINE 触摸屏， 64K 色真彩显示。SMART LINE 还集成了以太网接口，可 与 S7-200 SMART 通过普通网线直接连接，比串口通讯速 度有大幅提升。硬件配置如表 2 所示： 5　软件设计 5.1 PLC 编程设计 自动计量灌装机分清洗和灌装两种工作模式。清洗模 外形尺寸 (mm) 1000*750*1550 酒损率 3<‰ 净重 105kG 适用桶范围 5L~50L 生产能力 100 桶 / 小时 (20L) 设备总功率 100W 供电电压 220V 50Hz 计量精度 <1% 表 1 灌装机主要规格 图 1 工艺流程图 序号 型号 描述 订货号 数量 1 CPU SR20 继电器输出，220V供电， 12 输入 /8 输出，4 路单 向 60kHz 高速计数 6ES7 288-1SR20- 0AA0 1 2 Smart 700IE SMART LINE 触摸屏， 7 寸。64K 色真彩显示， 集成以太网接口 6AV6 648-0BC11- 3AX0 1 表 2 配件配置参数表 式下，点启动按钮后系统经过定位、备压然后注酒，只是 此时系统不会测量灌装的酒量，直到人为点击停止按钮。 灌装模式下有两种模式可选：定容模式和计量模式。前者 根据啤酒桶的容积进行灌装，当满桶时通过导流阀将浮球 顶起灌装结束；后者通过流量计给定的脉冲进行计量计算， 当数值达到设定容积以后灌装结束。实现方式如下： (1) 流量计。本系统是双桶灌装系统，采用了两个流量 计，流量计给 PLC 的是单相脉冲信号，106 个脉冲为 1L， 据此将系统中设定的灌装容量转换成容量脉冲数 ( 容量脉 冲数 =106× 灌装容量 )，然后将实际的灌装量与设定的灌 装容量进行比较控制注酒阀的开闭； (2) 高速计数器。S7-200 SMART 集成了 4 路高速计数 器，在本系统中只使用了 HSC0 与 HSC1 两个高速计数器， 占用 I0.0 和 I0.1 两个输入点。由于是单相计数，选择工作 模式 0 即可。Micro/WIN SMART 集成了 HSC 向导，在向 导中直接选择 HSC0、HSC1。由于系统默认模式 0，直接 点击生成按钮，便生成两个高速计数程序 (HSC0_INT 与 HSC1_INT)； (3) 高速计数编程。主程序中仅需用 SM0.1 或沿触发 调用生成的子程序一次即可，然后可以在 HC0 和 HC1 读 出当前的脉冲数，然后在程序中比较计算。至于内部复位 高速计数器，只需用沿触发调用生成的子程序一次，程序 图如图 2 所示： 5.2 HMI 画面设计 (1) 参数画面如图 3 所示：可设定定位时间、备压时间、 灌装容量、灌装系数及选择清洗及灌装模式，可实现灌装 的数量及灌装的总容积，并且用户可在非工作状态及开锁 的情况下清除； 图 2 编程设计图 图 3 参数画面图 56 《PLC&FA》 PLC& 工业计算机 PLC And Industrial Computer (2) 灌装画面如图 4 所示：可显示当前灌装的工作模式、 设备的工作状态及灌装量，能够动态显示定位及当前的灌 装量。 6 结束语 S7-200 SMART 基本指令执行时间达 0.15μs，CPU 本体集成了以太网口，只需普通的网即可下载和调试程 序，zui大限度的降低编程电缆的成本，也非常容易获取。 SMART LINE 触摸屏相比一代有很大的提高，颜色更加 丰富，增加了以太网接口，无论是下载程序还是与 PLC 通 讯都比较方便。 STEP 7-Micro/WIN SMART 软件相比其它软件非常的 图 4 灌装画面图 小巧，兼容性非常好，可以打开 S7-200 的程序。向导功能 有了很大的改进，相比传统的向导操作更加灵活，比如高 速计数器向导，可同时对多个高速计数器进行设置，可在 同一页面下显示，能同时生成多个计数程序。其次软件的 窗口设计非常实用，比如将“变量表”、“符号表”、“状 态图表”、“数据块”、“输出窗口”、“交叉引用”功 能都做成了单独的窗口，点击相应的标签便可自由切换。 这些窗口可以与程序编辑界面同时显示，在编程调试时非 常实用。 作者简介 田礼科（1982-）男 工程师，现任职于上海腾希电气技术有限公司，主要研究方向为称重、伺服、自动化系统 及标准传动领域。 参考文献 [1]西门子 (中国 )有限公司.S7-200 SMART产品样本及系统手册[Z]. 西门子 ( 中国 ) 有限公司，2012. [2] 西门子 ( 中国 ) 有限公司 .SMART LINE 触摸屏样本及编程手册 [Z]. 西门子 ( 中国 ) 有限公司，2012. 保证平整机的出口始终大于入口张 力的。而这就不符合平整机稳定轧 制工艺的需要了，这样有可能促进 平整花和轧皱缺陷的产生。因此在 进行实际的张力控制时应该对该张 力设定值进行适当的优化，可以考 虑的方法为固定一个张力设定值， 监控另一个设定值，使两者之差始 终大于两个张力检测仪的zui大叠加 测量误差值。例如保持平整机入口张 力维持根据数学模型计算出来的设 定值，而平整机出口的张力设定值在 经过数学模型计算出来后还要进行 检查，如果该设定值减去平整机入口 张力设定值小于 6.5kN，就将平整机 出口张力设定值修正为平整机入口 张力设定值加6.5kN。 5 结束语 在工厂中应用的各种数学模型中 有一些并没有考虑到测量误差造成的 影响，因此可能会对控制的效果产生 不良的影响。因此一方面要在数学模 型开发时就要评估各个变量的测量误 差可能对控制效果造成的zui大影响。 在可能对控制效果产生不良影响时就 要通过一定的手段加以规避。另一方 面在工厂实际应用中要具体问题具体 分析，就要过于相信所谓的数学模型。