程 云，周志軍，劉 軼，趙寧輝，高薈卓

（共享智能裝備有限公司，寧夏 銀川 750021）

1 設(shè)備設(shè)計(jì)背景

可編程控制器（Programmable Logic Controller），簡(jiǎn)稱PLC，是20 世紀(jì)70年代以來(lái)，在集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)控制設(shè)備。由于其具有功能強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的支柱產(chǎn)品。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在PLC 技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用方面發(fā)展很快，除有許多從國(guó)外引進(jìn)的設(shè)備、自動(dòng)化生產(chǎn)線外，國(guó)產(chǎn)的機(jī)床設(shè)備已越來(lái)越多地采用PLC 控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的繼電-接觸器控制系統(tǒng)。與繼電—接觸器系統(tǒng)相比系統(tǒng)更加可靠；占位空間比繼電—接觸器控制系統(tǒng)?。粌r(jià)格上能與繼電—接觸器控制系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)；易于在現(xiàn)場(chǎng)變更程序；便于使用、維護(hù)、維修；能直接推動(dòng)電磁閥、接觸器與于之相當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央執(zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。

工業(yè)級(jí)鑄造砂芯3D 打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用鑄造用砂作為構(gòu)建材料，與黏結(jié)劑配合使用，通過(guò)逐層打印的方式打印出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高精度的砂模。

工業(yè)級(jí)鑄造砂芯3D 打印設(shè)備在打印過(guò)程中，砂箱內(nèi)未被砂模占用的空間內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生一部分的舊砂，這些舊砂經(jīng)過(guò)回收分解還可以重復(fù)利用。因此，舊砂回收裝置便應(yīng)用而生。

2 本設(shè)備設(shè)計(jì)的內(nèi)容

舊砂回收裝置的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮以下幾點(diǎn)。

2.1 設(shè)備工作流程

可回收舊砂通過(guò)吸砂泵運(yùn)輸?shù)脚f砂回用裝置的主料倉(cāng)內(nèi)，通過(guò)控制主料倉(cāng)下方的蝶閥將舊砂排放到振動(dòng)篩當(dāng)中，同時(shí)啟動(dòng)振動(dòng)篩的振動(dòng)篩分功能，將可重復(fù)利用的舊砂與不可用利用的砂塊等雜質(zhì)通過(guò)不同的通道分別排放到合格料斗和不合格料斗，以便進(jìn)行重復(fù)利用。

2.2 設(shè)備設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過(guò)分析舊砂的特性，將舊砂進(jìn)行回收并篩分，以達(dá)到可重復(fù)利用的狀態(tài)，通過(guò)PLC 控制器以及傳感器等元器件，使舊砂回收裝置能夠自動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到穩(wěn)定回收，重復(fù)利用的效果。

2.3 裝置設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）確定I/O 設(shè)備。根據(jù)舊砂回收裝置控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的輸入、輸出設(shè)備。

2）根據(jù)I/O 點(diǎn)數(shù)選擇合適的PLC 類型。

3）分配I/O 點(diǎn)，分配PLC 的輸入輸出點(diǎn)，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。

4）設(shè)計(jì)舊砂回收裝置控制系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設(shè)計(jì)出周密完整的梯形圖程序，這是舊砂回收裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心工作。

5）將程序輸入PLC 進(jìn)行軟件測(cè)試并修改，使系統(tǒng)程序更加完善。

6）舊砂回收裝置整體調(diào)試，在PLC 軟硬件設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工完成后，就可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題要逐一排除，直至調(diào)試成功。

3 設(shè)備具體實(shí)施過(guò)程

3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

本設(shè)備的主要任務(wù)是基于西門子Smart 200 系列PLC 的控制系統(tǒng)，對(duì)摻雜其他成分雜質(zhì)的舊砂進(jìn)行篩分過(guò)濾。其主要組成部分如圖1 所示。

圖1 舊砂回收裝置主要組成部分

3.2 舊砂回收裝置的工作程序

（1）手動(dòng)放料閥具有手動(dòng)放料功能，按綠色按鈕打開，按紅色按鈕關(guān)閉；

（2）振動(dòng)篩有手動(dòng)啟動(dòng)功能，按綠色打開，按紅色關(guān)閉；

（3）振動(dòng)篩下料閥具有手動(dòng)功能，按綠色打開，按紅色關(guān)閉；

（4）系統(tǒng)具備報(bào)警功能，HMI 可查看，主料斗低料位被觸發(fā)缺料報(bào)警，不合格料斗高料位被觸發(fā)滿料報(bào)警，并設(shè)置復(fù)位按鈕。

（5）工業(yè)吸塵器具有手動(dòng)開啟及關(guān)閉功能，開啟時(shí)手動(dòng)放料閥和振動(dòng)篩下料閥必須處于關(guān)閉狀態(tài)，上限為處于未觸發(fā)狀態(tài)。

（6）篩料開始：篩料時(shí)手動(dòng)放料閥處于關(guān)閉狀態(tài)，吸塵器也處于未工作狀態(tài)，合格料斗和不合格料斗上限位未被觸發(fā)，振動(dòng)篩開始震動(dòng)，延時(shí)5 s（時(shí)間可調(diào)），下砂口打開，下砂震動(dòng)塊延時(shí)2 s 開始震動(dòng)（時(shí)間可調(diào)），震動(dòng)可手動(dòng)關(guān)閉或打開；當(dāng)合格料斗上限位被觸發(fā)，關(guān)閉震動(dòng)塊，關(guān)閉下砂閥，延時(shí)5 s（時(shí)間可調(diào)）關(guān)閉震動(dòng)篩。當(dāng)合格料斗下位傳感器被觸發(fā)，振動(dòng)篩開始震動(dòng)，延時(shí)5 s（時(shí)間可調(diào)），下砂口打開，下砂震動(dòng)塊延時(shí)2 s 開始震動(dòng)（時(shí)間可調(diào)），以此循環(huán)；

（7）合格料斗：合格料斗從上次自動(dòng)篩料結(jié)束開始計(jì)時(shí)，每30 min（時(shí)間可調(diào)）掃描一次，當(dāng)料位處于高低料位之間時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)篩料，直到合格料斗加滿料，高料位被觸發(fā)停止；

（8）篩料停止：當(dāng)不合格料斗高料位被觸發(fā)，蜂鳴器開始鳴響，篩分自動(dòng)停止，先關(guān)閉下砂口，延時(shí)5 s（時(shí)間可調(diào)）關(guān)閉震動(dòng)篩，除非手動(dòng)復(fù)位，重新開啟方可工作；

（9）合格料斗上的震動(dòng)手動(dòng)開啟，也可手動(dòng)停止，在下料位被觸發(fā)時(shí)震動(dòng)自動(dòng)停止；無(wú)論篩料狀態(tài)，當(dāng)合格料斗下限位未被觸發(fā)，每5 min（時(shí)間可調(diào)）自動(dòng)啟動(dòng)合格料斗震動(dòng)塊，振動(dòng)5 s（時(shí)間可調(diào)）后關(guān)閉；

（10）在篩分情況下，當(dāng)回收罐下限位被觸發(fā)，延時(shí)10 s（時(shí)間可調(diào)）篩分停止，震動(dòng)停止，下料閥門關(guān)閉。

（11）拍下急停，系統(tǒng)所有動(dòng)作立即停止，并處于未啟動(dòng)狀態(tài)。

3.3 確定控制系統(tǒng)PLC 選型

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，西門子控制系統(tǒng)產(chǎn)品組態(tài)靈活，應(yīng)用廣泛，使用方便，和其他控制系統(tǒng)對(duì)比更加容易被市場(chǎng)所認(rèn)可和接受，開發(fā)周期短，因此選擇西門子Smart 200 系列PLC，編程軟件使用梯形圖，直觀易懂，操作簡(jiǎn)單。

3.4 控制點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)

控制點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 舊砂回用裝置點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)表

3.5 電氣原理圖繪制

電氣原理圖中所有電器元件都應(yīng)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號(hào)和文字符號(hào)表示。電氣控制系統(tǒng)圖一般有三種：電氣原理圖、電器布置圖和電氣安裝接線圖。電氣原理圖目的是便于閱讀和分析控制線路，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、層次分明清晰的原則，采用電器元件展開形式繪制。圖中包括所有電器元件的導(dǎo)電部件和接線端子，但并不按照電器元件的實(shí)際布置位置來(lái)繪制，也不反映電器元件的實(shí)際大小。舊砂回收裝置電氣原理圖如圖2 所示。

圖2 舊砂回收裝置電氣原理圖

3.6 控制程序及觸摸屏程序編寫

PLC 控制程序采用STEP7-MicroWINSMART軟件進(jìn)行編寫，采用通俗易懂的梯形圖作為編程語(yǔ)言，如圖3 所示。

圖3 舊砂回收裝置梯形圖

觸摸屏界面程序采用WinCC flexible SMART V3 軟件進(jìn)行編寫，操作簡(jiǎn)單，可以快速入門，如圖4所示。

圖4 winCC 界面編寫設(shè)計(jì)程序

3.7 現(xiàn)場(chǎng)裝配，安裝調(diào)試

電氣安裝一般包括電氣裝置安裝、橋架鋪設(shè)、電纜敷設(shè)、接線等工作，所有元器件應(yīng)按制造廠規(guī)定的安裝條件進(jìn)行安裝。對(duì)于手動(dòng)開關(guān)的安裝，必須保證開關(guān)的電弧對(duì)操作者不產(chǎn)生危險(xiǎn)，組裝前首先看明圖紙及技術(shù)要求，檢查產(chǎn)品型號(hào)、元器件型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量等與圖紙是否相符，檢查元器件有無(wú)損壞，元器件組裝順序應(yīng)從板前視，由左至右，由上至下。同一型號(hào)產(chǎn)品應(yīng)保證組裝一致性，面板、門板上的元件中心線的高度應(yīng)符合規(guī)定。所有電器元件及附件，均應(yīng)固定安裝在支架或底板上，不得懸吊在電器及連線上。接線面每個(gè)元件的附近有標(biāo)牌，標(biāo)注應(yīng)與圖紙相符。除元件本身附有供填寫的標(biāo)志牌外，標(biāo)志牌不得固定在元件本體上。

PLC 軟件調(diào)試需要將設(shè)計(jì)好的程序?qū)懭隤LC后，首先逐條仔細(xì)檢查，并改正寫入時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。用戶程序一般先在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，實(shí)際的輸入信號(hào)可以用按鈕來(lái)模擬，各輸出量的通/ 斷狀態(tài)用PLC 上有關(guān)的發(fā)光二極管來(lái)顯示，一般不用接PLC實(shí)際的負(fù)載（如接觸器、電磁閥等）?？梢愿鶕?jù)功能表圖，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候用開關(guān)或按鈕來(lái)模擬實(shí)際的反饋信號(hào)，如限位開關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開。對(duì)于順序控制程序，調(diào)試程序的主要任務(wù)是檢查程序的運(yùn)行是否符合功能表圖的規(guī)定，即在某一轉(zhuǎn)換條件實(shí)現(xiàn)時(shí)，是否發(fā)生步的活動(dòng)狀態(tài)的正確變化，即該轉(zhuǎn)換所有的前級(jí)步是否變?yōu)椴换顒?dòng)步，所有的后續(xù)步是否變?yōu)榛顒?dòng)步，以及各步被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是否發(fā)生相應(yīng)的變化。

在調(diào)試時(shí)應(yīng)充分考慮各種可能的情況，對(duì)系統(tǒng)各種不同的工作方式、有選擇序列的功能表圖中的每一條支路、各種可能的進(jìn)展路線，都應(yīng)逐一檢查，不能遺漏。發(fā)現(xiàn)問題后應(yīng)及時(shí)修改梯形圖和PLC 中的程序，直到在各種可能的情況下輸入量與輸出量之間的關(guān)系完全符合要求。

如果程序中某些定時(shí)器或計(jì)數(shù)器的設(shè)定值過(guò)大，為了縮短調(diào)試時(shí)間，可以在調(diào)試時(shí)將它們減小，模擬調(diào)試結(jié)束后再寫入它們的實(shí)際設(shè)定值。

在設(shè)計(jì)和模擬調(diào)試程序的同時(shí)，可以設(shè)計(jì)、制作控制臺(tái)或控制柜，PLC 之外的其他硬件的安裝、接線工作也可以同時(shí)進(jìn)行。

4 結(jié)論

基于西門子Smart 200 系統(tǒng)控制的舊砂回收裝置最終設(shè)計(jì)完成，通過(guò)上電檢查，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和優(yōu)化完善，達(dá)到了設(shè)計(jì)之初所定的目標(biāo)。目前已進(jìn)行批量化生產(chǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，在多家客戶處運(yùn)行，成為3D 砂型打印機(jī)必備的配套設(shè)備之一。