基于PLC控制的正压型气力输送系统

徐炜， 姚文， 刘龙洋

(上海海事大学 科学研究院 航运技术与控制工程交通行业重点实验室，上海 201306)



基于PLC控制的正压型气力输送系统

徐炜， 姚文， 刘龙洋

(上海海事大学 科学研究院 航运技术与控制工程交通行业重点实验室，上海 201306)

通过对“SPRINT”系统工艺过程及控制要求的介绍和分析，研制了一套粉体气力输送的自动控制系统。采用西门子S7-300PLC作为主控制器，通过STEP7软件进行控制程序的设计及对系统硬件进行配置，使用WINCC Flexible开发HMI的监控界面，实现对被控对象的控制及对状态信息的监控。经过联合利华有限公司的使用，验证了控制系统的可靠性与稳定性。可有效节约经济成本，提高配料精度。

S7-300PLC；气力输送；WINCC Flexible；HMI；控制系统

定稿日期: 2016-01-31

0 引 言

气力输送是利用空气压差来实现粉状物料在密闭管道内运输的一种输送方式，其具有密闭、安全、清洁、易于实现自动化和连续操作等优点，已被广泛应用于化工、水泥、发电、粮食等行业[1]。但大多数工厂的气力输送系统需要通过手动操作来完成，自动化水平较低，很大程度上影响了输送的效率[2]。为满足联合利华股份有限公司对某种厨房清洁剂的制备，研制出一套“SPRINT”系统，该系统将气力输送工艺与气力输送控制系统相结合，对气力输送系统功能的实现方式在硬件和软件上进行合理的分工，完善了气力输送的控制系统，实现输送过程的自动化控制。

1 粉体气力输送及配料系统工艺流程

1.1 设备结构

整套系统包括拆包系统设备、气力输送设备、料仓及称重卸料设备、压缩空气管路等。中间料仓CH03容积为10立方米，带有称重传感器(5吨称重模块3个)及一个上料位传感器。中间料仓CH04容积为2立方米，带有称重传感器(2吨称重模块3个)及一个上料位传感器。每个料仓均带有气动助流卸料系统，顶部安装脉冲式袋式收尘器，底部均带有螺旋输送机，每条螺旋输送机的出口均带有气动蝶阀。中间料仓与混料机连接，卸料口带有气动球顶阀用于隔离混料机的水汽，混料机的顶部布置有加料收尘器，与物料接触的设备为SS304不锈钢，所有设备均为粉体专用，整个输送系统全封闭。

1.2 系统工艺流程分析

“SPRINT”气力输送系统工艺图如图1所示。该系统为正压型稀相气力输送系统，从大袋原料的卸包开始(工作区域在大袋卸包车间)，大袋原料经拆包输送至中间料仓，再由中间料仓通过螺旋输送机向混料机投料，实现CaCO3, NaCO3粉料的输送和配料。整个工艺过程可分为粉体的进料输送过程及配料过程。

(1)进料输送过程：CH03仓及CH04仓所存储的物料种类不同(CH03存储的为CaCO3粉料，CH04存储的为NaCO3粉料)但进料流程类似，以CH03仓进料为例说明。CH03仓进料时，先依次打开DV03、DV04、DV01气动分路阀，使得输送管道保持畅通；然后启动CH03仓顶收尘器1及大袋卸包区域的收尘器4，保证设备粉尘的排放符合标准，再启动罗茨鼓风机及气动电磁阀，使得输送管道中的压力值满足输送条件；最后启动大袋卸包装置及旋转阀，完成物料的进料和输送。

(2)配料过程：当中间料仓中物料的实际值大于配料设定值时即可进行配料。CH03仓配料过程与CH04仓类似，以CH03仓配料过程为例进行说明。CH03仓配料时，先打开气动蝶阀3及气动球顶阀，隔离混料机的水汽；然后打开气动蝶阀1，保证输送管道畅通；最后启动螺旋输送机1及气动助流气垫，将物料输送至混料装置。

图1 “SPRINT”气力输送系统工艺图

2 控制系统方案设计

根据用户和设备分布要求，控制系统由两个现场电控柜(EC00、CH03)和6 个手动操作箱(CH03-DM01-OP，CH04-DM01-OP，CH03-XM01-OP，CH04-XM01-OP，DM26-OP，EC01)组成；在大袋卸包设备上附加安置一个急停按钮(EC00-E)。此系统由一台安装在 CH03 柜内的SIEMENS S7-300 PLC 可编程控制器对系统设备运行实施自动监控，具有自行排堵，故障锁定、报警等功能；并与液体配料系统的电控系统连接。控制系统结构如图2所示。

图2 控制系统框图

EC00 柜、EC01 箱和EC00-E 位于大袋卸包区域，完成对CH01-04 仓的进料自动控制和单体设备手动控制。系统自动控制在触摸屏上操作实现，单体设备手动控制通过EC00、EC01上的按钮实现。

CH03 柜和CH03-DM01-OP、CH04-DM01-OP、CH03-XM01-OP、CH04-XM01-OP、DM26-OP 5 个手动操作箱位于“SPRINT”配料区域钢平台的6 米平台上，通过与SPRINT 液体配料系统触摸屏(不在本气力输送系统内)的配合操作，完成对CH03、04 仓的进料、配料、清仓和称重计量的自动控制；通过手动操作箱完成对收尘器和螺旋输送机的手动控制。

3 硬件设计

3.1 S7-300PLC硬件组态

“SPRINT”系统采用西门子S7-300PLC作为主控制器，选择CPU313C-2DP作为S7-300PLC的主机模块。CPU313C-2DP紧凑型CPU，集成有16点数字量I/O点， 4个高速计数器；最大可扩展至992路数字量I/O点或248/124路模拟量I/O点[3]。在通信方面，CPU313C-2DP集成有MPI/DP接口，内置 MPI 接口可以最多同时建立 8 个与 S7-300/400 或与 PG、PC、OP 的连接，带有 PROFIBUS DP 主/从接口的 CPU 313C-2 DP 可以用来建立高速、易用的分布式自动化系统。

(1) I/O模块选型：通过对“SPRINT” 配料区域控制要求的分析可知，总共需要35个数字量输入点，24个数字量输出点，4个模拟量输入点及2个模拟量输出点。控制柜硬件模块组态图如图3所示，包括16点SM321数字量输入模块，8点SM322数字量输入输出模块，2点SM332模拟量输出模块输出变频器的给定频率，以及CP342-5通讯模块实现该区域的PLC与液体电控柜内PLC的通讯。该区域两个中间料仓中有两个称重传感器，每个称重模块会产生两个模拟量输入信号(电子称输入重量数据和状态数据),称重模块通过PROFIBUS-DP与主控器实现通讯。

图3 控制柜硬件模块组态

(2) 分布式I/O选型：根据设备的分布，拆包站设备与主控制器距离较远，若要将其相关信号直接传送给可编程控制器，需要铺设很长的电缆，不易实现且可能因为电磁干扰而降低系统的可靠性[4]。为解决此问题该系统采用了分布式I/O，分布式I/O在拆包站运行，利用PROFIBUS-DP确保CPU与I/O之间通信的稳定和畅通。本系统选用普通型的ET200分布式I/O接口模块IM153-1，并配置1个16点SM321数字量输入模块以及2个8点SM322数字量输入输出模块。

3.2 罗茨鼓风机

罗茨鼓风机属于气源机械之一，要保证气力输送系统的输送能力就必须选择合适的气源机械。此系统水平输送距离为50 m，垂直12 m，输送能力要求为5 t/h，输送风量要求较大，故选择FSL型三叶罗茨鼓风机，罗茨鼓风机结构紧凑，外形尺寸小，气体脉动变化小，输送的风量较均匀。由于风机通常属于大惯性负载，启动时的斜坡时间较长，不适合直接启动[5]，此处采用西门子SRW44软启动器实现软启动，避免启动时电流过大引起的系统故障，实现罗茨鼓风机的平滑启动。

3.3 收尘器

“SPRINT”系统中四个仓顶收尘器均为脉冲式袋式收尘器，仓顶袋式收尘器是适用于灰库库顶的一种高效净化专用设备，它采用了先进的清灰技术，具有气体处理能力大、净化效果好、结构简单、工作可靠、维护工作量少等特点。此系统中采用的是WAM公司生产的脉冲式袋式收尘器，可以通过脉冲控制仪设定脉冲时间和脉冲周期，以达到较好的喷吹清灰的效果。

本系统中用到的装置还有托利多称重传感器、WAM的气动球阀、旋转阀、蝶阀、料位传感器及螺旋输送机等。

4 系统软件设计

4.1 PLC程序设计

PLC程序设计是该控制系统的核心部分之一，系统程序采用STEP7 V5.5软件进行设计，使用梯形图语言，以模块化编程的思想设计若干个功能，OB1通过调用这些功能来完成整个系统的自动化控制。按控制要求本次程序设计了以下功能：FC12(CH3仓配料程序)，FC13(CH4仓配料程序)，FC14(CH3仓清仓程序)，FC15(CH4仓清仓程序)，FC16(收尘器处理)，FC17(带位置检测阀处理)，FC18(无位置检测阀处理)，FC19(电机控制处理)，FC20(P1&P2_P2&L2的数据处理)，FC21(振动器脉冲处理)，FC22(CH03仓进料程序)，FC23(CH04仓进料程序)，FC30(螺旋机变频器给定计算)，同时调用了系统功能FC105，FC106等。程序编写时要考虑仓间连锁和本仓连锁，每次进料控制只能向一个料仓进行输送，CH03仓和CH04仓的配料或清仓运行不能同时进行；CH03仓进料控制和配料控制可同时进行，但在清仓控制时不能同时配料、进料控制运行；CH04仓在任何时刻只能实施一种工艺控制运行。程序设计的主要部分为进料程序，配料程序及清仓程序。

(1) 进料程序设计：在大袋卸包区域内操作人员通过对控制柜上的触摸屏操作，完成把粉体原料输送到相应的料仓内。

进料程序流程图如图4所示，程序设计了六个程序段，分别对料仓加料输送进入、退出、加料输送开机过程、加料输送关机过程、低限监控及旋转阀开关进行控制。为了保证物料的利用率，减少废料的产生，输送过程中当高料位传感器CH03-IL01发出超限信号时系统并未停止进料，当同时检测到换袋指令(即一袋料加完)方可停止进料。另外为确保系统能安全输送，在启动及输送过程中对管道的压力、对应的料仓收尘器压力差进行实时监控，一旦管道压力及对应的料仓收尘器压力差达到危险值，即管道出现堵料及堵料趋势，或者对应进料仓的收尘器压力差达到危险值(过滤材料严重堵塞)，系统便进入自动排堵程序。在自动排堵过程中系统会关闭加料旋转阀及大袋卸包机；若2 分钟内不能完成排堵(压力上限信号不消失)，控制系统会自动关闭输送系统并报警，请求人工干预处理故障。

(2) 配料程序设计：配料控制工艺是向相应液体配料系统的混合罐进行投料，将运行相应的螺旋机、球顶阀、气动蝶阀和配料收尘器等设备。

配料程序流程图如图5所示，程序设计了十个程序段，分别对配料称重进入处理、配料称重退出处理、配料开机过程、配料计量处理、变频器调速处理、提前关机处理、配料停止重量计算、修正值限幅等进行控制。此程序设计的关键在于配料精度的控制，通常我们选择在重量设定值与实际称重值相等时，发出停机控制信号。现实中，设备接收到停机信号到设备完全停机，还需要一定的时间。由于惯性的作用，在这段时间里系统会把管道中的部分物料继续输送到配料仓中，产生较大的误差。为了达到高精度的配料要求，本控制系统采取螺旋输送机变频控制两段式加料及提前停机控制。

当中间料仓开始卸料至混料仓时，螺旋输送机高频运行，快速卸料，直到物料设定值与当前进料总量差值为70 kg(设定60 kg为频率变换阈值)螺旋输送机开始转换至低频运行。当物料设定值与当前进料总量差值小于60 kg时，螺旋输送机低频运行，低速卸料。螺旋输送机从高频运行降低至低频运行需要一个过程，故留下10 kg作为缓冲。变频控制中，要注意螺旋输送机运行最低频率不能低于变频器可以正常工作最小频率，本系统中变频器正常工作最小频率为8 Hz。

单纯的两段式加料满足不了系统配料的高精度控制，不能完全解决由于惯性作用引起的误差，因此控制系统加入提前停机控制。程序设计时设定提前停机的重量值CHset1，并且随着程序的运行对该值进行修正，修正方法为：当上一次卸料误差在-0.5 kg～+0.5 kg范围内，则此次停机重量值：

CHset2=CHset1

否则：

CHset2=CHset2-CHset1

并将停机重量值限定在1 kg～3.5 kg之间，因此系统的配料精度会随着系统的不断运行不断提高最终将误差固定在±0.5 kg。

图4 进料程序流程图

图5 配料程序流程图

(3) 清仓程序设计：清仓控制是为了更换生产品种而设置，将运行相应的螺旋机、球顶阀、振动器和仓顶收尘器等设备。控制系统中用到的仓顶收尘器均为脉冲式袋式收尘器，当滤袋上留下的粉料达到一定量时，清灰装置会按压差设定值或者时间设定值自动关闭离线阀，然后控制程序打开电控脉冲阀，进行停风喷吹，通过压缩空气的瞬间喷吹可以大大增加滤袋内压力，即可将滤袋上积攒的粉料送至料斗中，最后由卸灰装置排出[6]。程序设计了五个程序段，分别对清仓进入，清仓退出，清仓开机过程、清仓关机过程及综合故障检测进行控制。

4.2 人机界面设计

人机界面(Human Machine Interaction，简称HMI)是人与计算机之间传递、交换信息的媒介，实现人与控制系统之间的对话[7]。本系统中采用MP277触摸屏作为控制级的人机界面，采用SIMATIC WinCC flexible 2007进行开发，根据要求设计了三个界面，如图6～图8所示。

图6 料仓操作画面

触摸屏开始显示的是料仓操作画面，当系统处于自动状态时，操作工通过操作界面来控制系统的运行，当需要查询设备的状态反馈信号及分路阀的管路指向时，按状态查询键，画面即可切换至信号状态画面；查询设备的故障报警信息时按故障查询即可切换至故障查询画面。

图7 信号状态画面

图8 故障查询画面

5 结束语

本文针对基于PLC控制的粉体气力输送系统，介绍了“SPRINT”配料区域粉体输送及配料的工艺流程，通过对工艺流程的分析提出了控制方案，对硬件进行组态，最后对系统控制程序及人机界面进行设计。整套系统现已成功的应用于联合利华某工厂的厨房清洁剂的生产，配料误差控制在5‰左右，实现了CaCO3,NaCO3粉料的高精度输送，扩大了生产规模，极大地提高了生产效率。

[1] 曹宪周,鲁选民.气力输送技术的发展及其在粮食行业中的应用[J].粮食与饲料工业,2011,34(6):14-18.

[2] 杨伦，谢一华.气力输送工程[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 廖常初.S7-300/400PLC应用教程[M].2版.北京：机械工业出版社，2012.

[4] SIMENS SIMATIC分布式I/O 设备ET 200M 操作说明[EB/OL]. (2009-05-19)[2015-12-20]. http://www.ad.siemens.com.cn/download/docMessage.aspx?Id=1860

[5] 王汝辉.软启动器在风机上的应用[J].科技与生活,2011,5(2):196. [6] 卜英勇,姚秀超,李变红,等.基于PLC的锅炉清灰装置自动控制系统设计[J].仪表技术与传感器,2013,50(7):71-73.

[7] 刘增祥.气力输送实验系统设计与研究[D].南京:南京理工大学，2005.

Positive Pressure Pneumatic Conveying System Based on PLC Control

Xu Wei, Yao Wen, Liu Longyang(Marine Technology &

Control Engineering Key Laboratory, Scientific Research Academy, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

According to presentation of the “SPRINT” system and requirements analysis of its process control, a set of automatic control system for powder pneumatic conveying was designed. For the system the Siemens S7-300PLC was used as the main controller. The control program was designed and hardware was configured with STEP7. In addition, HMI monitoring interface was developed with WINCC Flexible, which can monitor the status information of equipment in running process. It proved that this control system was reliable and stable by applying this system for Unilever. It not only saves economic cost for Unilever, but also improves the accuracy of ingredients.

S7-300PLC; pneumatic conveying; WINCC flexible; HMI; control system

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.029

TP273

A

1000-3886(2016)03-0092-04

徐炜(1992-)，女，安徽安庆人，硕士生，主要研究方向为工业控制。 姚文(1957-)，男，上海人，高级工程师，硕士，主要研究方向为工业控制。 刘龙洋(1990-)，男，河南济源人，硕士生，主要研究方向为工业控制。