引言

在生產過程中，使用玻璃管轉子流量計調節去離子水流量。在長時間工作后，轉子流量計玻璃管內壁、轉子上會粘附雜質污垢，因此需要定期清洗玻璃管轉子流量計。傳統的轉子流量計清洗流程為人工拆卸、浸泡、清洗、組裝，清洗效率低、清洗不徹底、玻璃管易損壞。為此，本文基于Ｓ７－１２００ＰＬＣ和ＨＭＩ設計一臺清洗次數、時間、液位可設定，ＨＭＩ能實時顯示液位和清洗狀態，并可避免轉子流量計破損的自動清洗機。

 

１清洗工藝設計

１．１總體方案

自動清洗機有兩種清洗模式，即自動清洗模式和手動清洗模式。自動清洗機能夠自動進水和排水，為提高清洗質量，采取循環清洗方法，即通過水泵將水打循環清洗轉子流量計玻璃管內部和轉子，清洗完成后通過泵將臟水排出。自動清洗機采用超聲波清洗技術，能針對轉子流量計的特殊結構實現內部的全面清洗，清洗時間短、效率高及清洗質量好［１］。超聲波清洗機使用市場上成熟產品，具有加熱且溫控功能，超聲功率可調。自動清洗機工藝設備包括閥、泵、液位計、超聲波清洗機及其他管路接頭等，工藝圖如圖１所示。閥１（ＦＶ－０１）為進水閥，進水時打開；閥２（ＦＶ－０２）為清洗閥，循環清洗轉子流量計內部時打開；閥３（ＦＶ－０３）為排水閥，清洗完成排水時打開；泵（０１．００）在循環清洗和排水時啟動；液位計（ＬＴ－０１）用于測量水位；超聲波清洗機（０２．００）產生超聲波并清洗轉子流量計，同時能給水加熱。

１．２自動清洗工藝控制設計

清洗次數、時間和液位可以設定，溫度、超聲功率可調；按下啟動按鈕，自動進水、循環清洗、超聲、加熱，清洗完成后自動排水；按下停止按鈕，停止超聲、加熱、泵，關閉所有閥；為避免低液位帶來的泵空轉和加熱隱患，液位需不低于０．１ｍ才能啟動自動清洗；為了確保清洗效果，總清洗次數需不少于２次，其中第１次清洗為加洗滌劑清洗，第２次及以后為清水清洗，每次清洗時間不短于１ｍｉｎ，否則無法啟動自動清洗。

 

自動清洗流程如下：（１）設定超聲功率、加熱溫度，設定清洗次數、每次清洗時間、每次清洗液位。（２）非常好次啟動，按下啟動按鈕，進水閥打開，或循環清洗啟動，進水閥打開。水位達到設定液位后關閉進水閥，進入下一步。（３）啟動超聲、加熱，打開清洗閥，啟動泵。清洗時間到后關閉超聲、加熱、清洗閥，停泵，進入下一步。（４）打開排水閥，啟動泵。排水完成后，關閉排水閥，停泵，進入下一步。（５）已清洗次數累加１次。已清洗次數小于設定清洗次數，進入步驟（２）中循環清洗。已清洗次數等于設定清洗次數時清洗完成。

 

１．３手動清洗工藝控制設計

手動控制進水閥加水；手動控制清洗閥、泵循環清洗；手動控制排水閥并啟動泵排水；手動控制超聲和加熱；只有當液位不低于０．０２ｍ，且清洗閥或排水閥打開時才能啟動泵；當液位低于０．０２ｍ，或清洗閥關閉，或排水閥關閉時，泵立即停止。手動清洗模式下，可以根據實際情況操作設備。

 

手動清洗流程如下：（１）在超聲波清洗機上設定超聲功率、加熱溫度。（２）手動打開進水閥，加到合適水位后關閉進水閥。（３）手動打開超聲波、加熱、清洗閥，啟動泵。清洗完成后手動關閉超聲波、加熱、清洗閥，停止泵。（４）手動打開排水閥，啟動泵。排水完成后手動關閉排水閥，停泵。

 

１．４急停控制要求

任何時候，一旦按下急停按鈕，清洗機停止運行，所有閥關閉，泵停止，超聲和加熱關閉。自動清洗機有自動、手動模式狀態指示燈，運行（自動模式下）和停止（自動下或急停）狀態指示燈。

 

２硬件系統設計

 

２．１工藝設備選型

為了兼顧效率和成本，設計一次清洗４０臺轉子流量計。為了提高清洗效率，進水、排水和內部循環水管路選擇內徑２０ｍｍ，閥門選擇電磁水閥。泵的流量要大，確保能盡快排完水。清洗液位沒過轉子流量計即可，因此液位變送器選擇０～１ｍ量程。超聲波清洗機選擇清洗槽５３Ｌ，超聲和加熱啟停由按鈕開關控制（非常好次按下啟動，第二次按下停止，第三次按下啟動，如此循環），超聲功率和加熱溫度在超聲波清洗機上設定。

 

２．２控制設備選型

 

２．２．１Ｉ／Ｏ點分配

手動清洗模式使用較少，為了節省Ｉ／Ｏ點，減少電氣接線和成本，手動模式下均在ＨＭＩ上操作。為了操作方便，手動、自動模式下均采用２ＮＯ旋鈕開關控制，而自動模式下啟停采用常開按鈕開關控制。Ｉ／Ｏ點分配見表１。

２．２．２ＰＬＣ選擇

所選擇的ＰＬＣ應能滿足控制要求，Ｉ／Ｏ點數要合適。ＰＬＣ產品的種類繁多，其結構形式、容量、指令系統、編程方法、價格等各不相同，因此合理選擇ＰＬＣ，使其具有較高的性價比顯得非常重要［２］。本文選用西門子Ｓ７－１２００系列ＰＬＣ，Ｓ７－１２００設計緊湊、組態靈活，有功能強大的指令集。選擇ＣＰＵ１２１５Ｃ，繼電器輸出，１４點數字量輸入，１０點數字量輸出，２點模擬量輸入，２點模擬量輸出，ＤＣ２４Ｖ供電，能滿足本設計要求。

 

２．２．３ＨＭＩ選擇

通常情況下采用自動清洗模式，ＨＭＩ只用于參數設定和監視，因此ＨＭＩ尺寸不必太大。本文選用西門子ＫＴＰ４００ＢａｓｉｃＨＭＩ，４．３英寸ＴＦＴ真彩液晶屏，６４Ｋ色，ＤＣ２４Ｖ供電，能通過Ｐｒｏｆｉｎｅｔ網絡與ＣＰＵ１２１５Ｃ通信。Ｓ７－１２００ＣＰＵ和ＫＴＰ４００ＢａｓｉｃＨＭＩ用ＴＩＡ博途中的ＳＴＥＰ７Ｂａｓｉｃ（基本版）或ＳＴＥＰ７Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ（專業版）編程。ＴＩＡ博途（ＴＩＡＰｏｒｔａｌ）是西門子自動化的全新工

程設計軟件平臺，操作直觀、上手容易、使用簡單，用戶能夠對項目進行快速而簡單的組態［３］，能夠很方便地完成控制程序編寫和ＨＭＩ畫面組態。

 

２．２．４電氣接線圖設計

自動清洗機通過ＰＬＣ控制交流繼電器的通斷來實現電磁水閥、泵和清洗機的動作，目的是提高電路的可靠性和安全性。ＰＬＣ接線圖如圖２所示［４］。ＰＬＣ所有輸出點均通過繼電器隔離。其中Ｑ１．０、Ｑ１．１通過隔離后直接并聯接到超聲波清洗機超聲和加熱按鈕開關上，實現對超聲和加熱的控制。

３控制系統設計

３．１硬件和通信組態

用ＴＩＡ博途軟件ＳＴＥＰＶ１４ＳＰ１對系統進行硬件組態和通信組態。硬件組態有ＣＰＵ參數設置、輸入輸出模塊參數設置及地址分配［５］。通信組態為ＰＬＣ和ＨＭＩＰｒｏｆｉｎｅｔ地址設置。硬件和通信組態如圖３所示。

３．２控制程序設計

自動清洗模式下，能夠通過ＨＭＩ設定清洗次數、時間和液位。對于自動清洗模式下的多次清洗，通過編寫子程序實現。

 

３．２．１功能塊、全局數據和變量分配

ＰＬＣ程序設計可根據控制需求合理使用幾種編程語言，以提高程序的可讀性和可維護性及編程效率，減少設備維護［６］。在編寫程序前，先進行功能塊、全局變量和內部變量分配。為便于調試和閱讀，本文采用功能塊和梯形圖編寫程序。功能塊、主程序塊和全局數據塊說明見表２。

３．２．２控制程序編寫

系統中模擬量只有液位。液位計輸出ＤＣ０～１０Ｖ模擬信號，對應０～１ｍ液位，而ＰＬＣ工程量為０～２７６４８，因此需要轉換。由于設定清洗時間和ＨＭＩ顯示時間單位為ｍｉｎ，而ＰＬＣ定時器時間單位為ｍｓ，因此也需要轉換。在功能塊ＦＢ２中，通過ＮＯＲＭ＿Ｘ指令完成液位的實時線性轉換，通過ＭＵＬ指令和ＤＩＶ指令完成時間的轉換。液位轉換如圖４所示。

超聲和加熱的啟停由按鈕開關控制，為了確保超聲和加熱的啟停狀態控制準確無誤，采用ＲＯＬ（循環右移）指令記錄超聲和加熱的狀態。在系統啟動時，為記錄超聲和加熱的１Ｂｙｔｅ存儲字節賦初值２＃１０１０１０１０，第０位記錄超聲和加熱狀態，ＰＬＣ每一次輸出信號循環右移動１位，如圖５所示。

根據分配好的功能塊、變量，完成非常終程序設計。部分程序如圖６所示。

３．３ＨＭＩ組態

通過ＨＭＩ，可直觀地隨時了解、觀察并掌握清洗機的工作狀態，必要時還可通過ＨＭＩ界面修改相應參數，實現人工干預［７］。ＨＭＩ組態應簡潔明了，該系統ＨＭＩ組態為３個畫面，分別為清洗畫面、自動清洗參數設定畫面和手動清洗畫面，如圖７所示。

清洗畫面，可實時顯示清洗液位、閥、泵、超聲和加熱狀態，顯示已清洗時間和次數。清洗畫面用于自動清洗模式。自動清洗參數設定畫面，可設定總清洗次數、首次（加洗滌劑）時間、其次（清水）清洗時間和每次清洗液位，設定值必須滿足要求，否則不能在操作面板上啟動自動清洗。手動清洗畫面，可手動操作閥的開關、泵的啟停、超聲和加熱的啟停，還實時顯示液位。

 

４結語

在完成硬件安裝，下裝程序和組態畫面，調試正常后，進行實際使用。自動清洗機清洗３６臺轉子流量計耗時約６０ｍｉｎ，比人工清洗少１６０ｍｉｎ，效率提高了７０％。清洗后的轉子流量計均一次投用正常，無堵塞、流量無法調節、漏水等情況。

 

自動清洗機基于西門子Ｓ７－１２００ＰＬＣ和ＫＴＰ４００ＢａｓｉｃＨＭＩ設計，并結合了超聲波清洗技術。通過自動清洗機清洗轉子流量計，提高了清洗效率和清洗質量，避免了流量計損壞，降低了維護成本。該自動清洗機具有較高的實用價值。