引言

在生产过程中，使用玻璃管转子流量计调节去离子水流量。在长时间工作后，转子流量计玻璃管内壁、转子上会粘附杂质污垢，因此需要定期清洗玻璃管转子流量计。传统的转子流量计清洗流程为人工拆卸、浸泡、清洗、组装，清洗效率低、清洗不彻底、玻璃管易损坏。为此，本文基于Ｓ７－１２００ＰＬＣ和ＨＭＩ设计一台清洗次数、时间、液位可设定，ＨＭＩ能实时显示液位和清洗状态，并可避免转子流量计破损的自动清洗机。

 

１清洗工艺设计

１．１总体方案

自动清洗机有两种清洗模式，即自动清洗模式和手动清洗模式。自动清洗机能够自动进水和排水，为提高清洗质量，采取循环清洗方法，即通过水泵将水打循环清洗转子流量计玻璃管内部和转子，清洗完成后通过泵将脏水排出。自动清洗机采用超声波清洗技术，能针对转子流量计的特殊结构实现内部的全面清洗，清洗时间短、效率高及清洗质量好［１］。超声波清洗机使用市场上成熟产品，具有加热且温控功能，超声功率可调。自动清洗机工艺设备包括阀、泵、液位计、超声波清洗机及其他管路接头等，工艺图如图１所示。阀１（ＦＶ－０１）为进水阀，进水时打开；阀２（ＦＶ－０２）为清洗阀，循环清洗转子流量计内部时打开；阀３（ＦＶ－０３）为排水阀，清洗完成排水时打开；泵（０１．００）在循环清洗和排水时启动；液位计（ＬＴ－０１）用于测量水位；超声波清洗机（０２．００）产生超声波并清洗转子流量计，同时能给水加热。

１．２自动清洗工艺控制设计

清洗次数、时间和液位可以设定，温度、超声功率可调；按下启动按钮，自动进水、循环清洗、超声、加热，清洗完成后自动排水；按下停止按钮，停止超声、加热、泵，关闭所有阀；为避免低液位带来的泵空转和加热隐患，液位需不低于０．１ｍ才能启动自动清洗；为了确保清洗效果，总清洗次数需不少于２次，其中第１次清洗为加洗涤剂清洗，第２次及以后为清水清洗，每次清洗时间不短于１ｍｉｎ，否则无法启动自动清洗。

 

自动清洗流程如下：（１）设定超声功率、加热温度，设定清洗次数、每次清洗时间、每次清洗液位。（２）非常好次启动，按下启动按钮，进水阀打开，或循环清洗启动，进水阀打开。水位达到设定液位后关闭进水阀，进入下一步。（３）启动超声、加热，打开清洗阀，启动泵。清洗时间到后关闭超声、加热、清洗阀，停泵，进入下一步。（４）打开排水阀，启动泵。排水完成后，关闭排水阀，停泵，进入下一步。（５）已清洗次数累加１次。已清洗次数小于设定清洗次数，进入步骤（２）中循环清洗。已清洗次数等于设定清洗次数时清洗完成。

 

１．３手动清洗工艺控制设计

手动控制进水阀加水；手动控制清洗阀、泵循环清洗；手动控制排水阀并启动泵排水；手动控制超声和加热；只有当液位不低于０．０２ｍ，且清洗阀或排水阀打开时才能启动泵；当液位低于０．０２ｍ，或清洗阀关闭，或排水阀关闭时，泵立即停止。手动清洗模式下，可以根据实际情况操作设备。

 

手动清洗流程如下：（１）在超声波清洗机上设定超声功率、加热温度。（２）手动打开进水阀，加到合适水位后关闭进水阀。（３）手动打开超声波、加热、清洗阀，启动泵。清洗完成后手动关闭超声波、加热、清洗阀，停止泵。（４）手动打开排水阀，启动泵。排水完成后手动关闭排水阀，停泵。

 

１．４急停控制要求

任何时候，一旦按下急停按钮，清洗机停止运行，所有阀关闭，泵停止，超声和加热关闭。自动清洗机有自动、手动模式状态指示灯，运行（自动模式下）和停止（自动下或急停）状态指示灯。

 

２硬件系统设计

 

２．１工艺设备选型

为了兼顾效率和成本，设计一次清洗４０台转子流量计。为了提高清洗效率，进水、排水和内部循环水管路选择内径２０ｍｍ，阀门选择电磁水阀。泵的流量要大，确保能尽快排完水。清洗液位没过转子流量计即可，因此液位变送器选择０～１ｍ量程。超声波清洗机选择清洗槽５３Ｌ，超声和加热启停由按钮开关控制（非常好次按下启动，第二次按下停止，第三次按下启动，如此循环），超声功率和加热温度在超声波清洗机上设定。

 

２．２控制设备选型

 

２．２．１Ｉ／Ｏ点分配

手动清洗模式使用较少，为了节省Ｉ／Ｏ点，减少电气接线和成本，手动模式下均在ＨＭＩ上操作。为了操作方便，手动、自动模式下均采用２ＮＯ旋钮开关控制，而自动模式下启停采用常开按钮开关控制。Ｉ／Ｏ点分配见表１。

２．２．２ＰＬＣ选择

所选择的ＰＬＣ应能满足控制要求，Ｉ／Ｏ点数要合适。ＰＬＣ产品的种类繁多，其结构形式、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，因此合理选择ＰＬＣ，使其具有较高的性价比显得非常重要［２］。本文选用西门子Ｓ７－１２００系列ＰＬＣ，Ｓ７－１２００设计紧凑、组态灵活，有功能强大的指令集。选择ＣＰＵ１２１５Ｃ，继电器输出，１４点数字量输入，１０点数字量输出，２点模拟量输入，２点模拟量输出，ＤＣ２４Ｖ供电，能满足本设计要求。

 

２．２．３ＨＭＩ选择

通常情况下采用自动清洗模式，ＨＭＩ只用于参数设定和监视，因此ＨＭＩ尺寸不必太大。本文选用西门子ＫＴＰ４００ＢａｓｉｃＨＭＩ，４．３英寸ＴＦＴ真彩液晶屏，６４Ｋ色，ＤＣ２４Ｖ供电，能通过Ｐｒｏｆｉｎｅｔ网络与ＣＰＵ１２１５Ｃ通信。Ｓ７－１２００ＣＰＵ和ＫＴＰ４００ＢａｓｉｃＨＭＩ用ＴＩＡ博途中的ＳＴＥＰ７Ｂａｓｉｃ（基本版）或ＳＴＥＰ７Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ（专业版）编程。ＴＩＡ博途（ＴＩＡＰｏｒｔａｌ）是西门子自动化的全新工

程设计软件平台，操作直观、上手容易、使用简单，用户能够对项目进行快速而简单的组态［３］，能够很方便地完成控制程序编写和ＨＭＩ画面组态。

 

２．２．４电气接线图设计

自动清洗机通过ＰＬＣ控制交流继电器的通断来实现电磁水阀、泵和清洗机的动作，目的是提高电路的可靠性和安全性。ＰＬＣ接线图如图２所示［４］。ＰＬＣ所有输出点均通过继电器隔离。其中Ｑ１．０、Ｑ１．１通过隔离后直接并联接到超声波清洗机超声和加热按钮开关上，实现对超声和加热的控制。

３控制系统设计

３．１硬件和通信组态

用ＴＩＡ博途软件ＳＴＥＰＶ１４ＳＰ１对系统进行硬件组态和通信组态。硬件组态有ＣＰＵ参数设置、输入输出模块参数设置及地址分配［５］。通信组态为ＰＬＣ和ＨＭＩＰｒｏｆｉｎｅｔ地址设置。硬件和通信组态如图３所示。

３．２控制程序设计

自动清洗模式下，能够通过ＨＭＩ设定清洗次数、时间和液位。对于自动清洗模式下的多次清洗，通过编写子程序实现。

 

３．２．１功能块、全局数据和变量分配

ＰＬＣ程序设计可根据控制需求合理使用几种编程语言，以提高程序的可读性和可维护性及编程效率，减少设备维护［６］。在编写程序前，先进行功能块、全局变量和内部变量分配。为便于调试和阅读，本文采用功能块和梯形图编写程序。功能块、主程序块和全局数据块说明见表２。

３．２．２控制程序编写

系统中模拟量只有液位。液位计输出ＤＣ０～１０Ｖ模拟信号，对应０～１ｍ液位，而ＰＬＣ工程量为０～２７６４８，因此需要转换。由于设定清洗时间和ＨＭＩ显示时间单位为ｍｉｎ，而ＰＬＣ定时器时间单位为ｍｓ，因此也需要转换。在功能块ＦＢ２中，通过ＮＯＲＭ＿Ｘ指令完成液位的实时线性转换，通过ＭＵＬ指令和ＤＩＶ指令完成时间的转换。液位转换如图４所示。

超声和加热的启停由按钮开关控制，为了确保超声和加热的启停状态控制准确无误，采用ＲＯＬ（循环右移）指令记录超声和加热的状态。在系统启动时，为记录超声和加热的１Ｂｙｔｅ存储字节赋初值２＃１０１０１０１０，第０位记录超声和加热状态，ＰＬＣ每一次输出信号循环右移动１位，如图５所示。

根据分配好的功能块、变量，完成非常终程序设计。部分程序如图６所示。

３．３ＨＭＩ组态

通过ＨＭＩ，可直观地随时了解、观察并掌握清洗机的工作状态，必要时还可通过ＨＭＩ界面修改相应参数，实现人工干预［７］。ＨＭＩ组态应简洁明了，该系统ＨＭＩ组态为３个画面，分别为清洗画面、自动清洗参数设定画面和手动清洗画面，如图７所示。

清洗画面，可实时显示清洗液位、阀、泵、超声和加热状态，显示已清洗时间和次数。清洗画面用于自动清洗模式。自动清洗参数设定画面，可设定总清洗次数、首次（加洗涤剂）时间、其次（清水）清洗时间和每次清洗液位，设定值必须满足要求，否则不能在操作面板上启动自动清洗。手动清洗画面，可手动操作阀的开关、泵的启停、超声和加热的启停，还实时显示液位。

 

４结语

在完成硬件安装，下装程序和组态画面，调试正常后，进行实际使用。自动清洗机清洗３６台转子流量计耗时约６０ｍｉｎ，比人工清洗少１６０ｍｉｎ，效率提高了７０％。清洗后的转子流量计均一次投用正常，无堵塞、流量无法调节、漏水等情况。

 

自动清洗机基于西门子Ｓ７－１２００ＰＬＣ和ＫＴＰ４００ＢａｓｉｃＨＭＩ设计，并结合了超声波清洗技术。通过自动清洗机清洗转子流量计，提高了清洗效率和清洗质量，避免了流量计损坏，降低了维护成本。该自动清洗机具有较高的实用价值。