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S7-200 SMART 在混凝土輸送泵車上的應用
文/濟南優阿圖自動化設備有限公司 王飛
摘要：
根據混凝土輸送泵車的工藝流程及控制要求，設計了一套基于S7-200 SMART 的控制系統；結合現場控制工藝需求，分析了硬件配置以及軟件控制流程；經過實際生產中的應用，該控制系統工作穩定，高效，滿足工藝需求。
關鍵詞：S7-200 SMART；混凝土輸送泵車
1、項目簡介
隨著建筑行業的智能化程度越來越高，很多建筑機械已經代替了人工作業，大大的提高了工作效率，降低了人力成本的支出。混凝土輸送泵，又稱混凝土泵，由泵體和輸送管組成。它是一種利用壓力，將混凝土沿管道連續輸送的機械，主要應用于房建、橋梁及隧道施工。目前主要分為閘板閥混凝土輸送泵和S閥混凝土輸送泵。為了提高輸送泵的移動性，一般將泵體裝在汽車底盤上，再裝備可伸縮或屈折的布料桿，構成輸送泵車。
●主要結構及泵送原理
以下以中谷電氣通常配套的混凝土輸送泵為例，介紹其結構特點與泵送原理：
結構： WF型混凝土輸送泵由料斗、泵送系統、液壓系統、清洗系統、電氣系統、電機、行走底盤等組成。
泵送機構由兩只主缸水箱、換向裝置、兩只混凝土缸、兩只混凝土活料斗、分配閥(S形閥)、擺臂、兩只擺動油缸和出料口組成。
原理： 混凝土活塞分別與主油缸活塞桿連接，在主油缸液壓油作用下，作往復運動，一缸前進，則另一缸后退；混凝土缸出口與料斗連通，分配閥一端接出料口，另一端能過花鍵軸與擺臂連接，在擺動油缸作用下，可以左右擺動。
泵送混凝土料時，在主油缸作用下，混凝土活塞前進，混凝土活塞后退，同時在擺動油缸作用下，分配閥與混凝土缸連通，混凝土缸與料斗連通。這樣混凝土活塞后退，便將料斗內的混凝土吸入混凝土缸，混凝土活塞前進，將混凝土缸內混凝土料送入分配閥泵出。
當混凝土活塞后退至行程終端時，觸發水箱中的換向裝置，主油缸1換向，同時擺動油缸換向，使分配閥與混凝土缸連通，混凝土缸與料斗連通，這時活塞后退前進依次循環，從而實現連續泵送。
反泵時，通過反泵操作，使處在吸入行程的混凝土缸與分配閥連通，處在推送行程的混凝土缸與料斗連通，從而將管路中的混凝土抽回料斗。
泵送系統通過分配閥的轉換完成混凝土的吸入與排出動作，因此分配閥是混凝土泵中的關鍵部件，其型式會直接影響到混凝土泵的性能。
●技術參數
整機性能：
分配閥形式：S管閥
最大理論輸送量（常規/高壓）：65/105M³/h
出口壓力（常規/高壓）：13/21Mpa
水平泵送（常規/高壓）：1000/1800m
垂直泵送（常規/高壓）：180/320m
混凝土管徑：Ø125/Ø150mm
塔羅度允許范圍外：8-23cm
料斗容積：0.7 M³
上料高度：<1460mm
拖行速度：≤8 km/h
總質量：8000kg
外形尺寸：長6750*寬2200*高2300（mm）
液壓系統：
形式：開式油路
泵送油壓：32 Mpa
攪拌油壓：14 Mpa
攪拌轉速：20-30 r/min
液壓油箱容積：680L
動力系統：
電機額定功率：110+110=220Kw
工作電壓：AC380V
電機轉速：1480 r/min
啟動方式：Y-△/軟啟動（選用）
2、方案確定
隨著公司發展壯大，許多產品開始銷往海外，為了進一步的開拓市場，占有市場份額，要求設備本身具有較高的穩定性，可靠性，電氣元件也需選擇知名度較高，穩定性可靠的品牌，而西門子是全球最大的電子和電氣公司之一，在工業，能源，醫療和城市基礎設施領域世界領先。同時混凝土輸送泵車要求設備CPU要有較高的運算速度，S7-200 SMART 的布爾指令運算速度僅為0.15us，與S7-200 相比提高了近1/3；同時S7-200 SMART 以太網口及MicroSD卡的使用也解決了賣出設備的升級時程序更新的不便。綜合各方面的考慮將原先使用的OMRON CP1E系列 PLC的控制系統替換為西門子S7-200 SMART PLC SR20的控制系統。
方案1、控制器選用西門子S7-200 SMART CPU SR20，屬于 S7-200 SMART標準型CPU，繼電器輸出，220V供電，12輸入/8輸出，恰巧滿足現有需求。
方案2、控制器選用西門子S7-200CN 6ES7214-1BD23-0XB8 ，屬于 S7-200 CN標準型CPU，繼電器輸出，220V供電，14輸入/10輸出，輸入點超出2點，輸出點也超出兩點，完全滿足現有需求。
綜合考慮一下，無論是產品性能，價格，還是軟件易用性等其它方面，S7-200 SMART PLC都具有相當的優勢，最終決定選擇方案一
3、產品硬件配置
電氣控制產品硬件配置
原設備所需的控制點數為數字量輸入12點，數字量輸出8點，恰巧貼合西門子SMART PLC SR20的12DI/8DO點數，輸入輸出的主要點為正泵、反泵、遠控/近控、主缸進/退、擺缸進/退、高壓/低壓、電機啟動/停止、接近開關*2、電磁閥*4、指示燈運行指示。
PLC選型配置表：
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序號
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型號
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描述
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訂貨號
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數量
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1
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CPU SR20
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S7-200 SMART標準型CPU，繼電器輸出，220V供電，12輸入/8輸出
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6ES7 288-1SR20-0AA0
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1
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設備的I/O點表:
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輸入地址
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符號定義
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輸出地址
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符號定義
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I0.0
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電機啟動按鈕
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Q0.0
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電機啟動
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I0.1
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高低壓轉換
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Q0.1
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電機運行
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I0.2
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正泵（近控/遠控）
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Q0.2
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正泵（泵送指示）
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I0.3
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反泵（近控/遠控）
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Q0.3
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反泵（泵送指示）
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I0.4
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左缸（擺缸）
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Q0.4
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DT1(泵送電磁閥）
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I0.5
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右缸（擺缸）
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Q0.5
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DT2(泵送電磁閥）
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I0.6
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前進（主油缸）
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Q0.6
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DT3(泵送電磁閥）
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I0.7
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后退（主油缸）
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Q0.7
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DT4(泵送電磁閥）
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I1.0
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接近開關SQ1
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I1.1
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接近開關SQ2
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I1.2
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遠/近控轉換
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I1.3
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緊急停車
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S7-200 SMART CPU 模塊本體標配以太網接口，集成了強大的以太網通信功能。一根普通的網線即可將程序下載到PLC 中，方便快捷，省去了專用編程電纜。通過以太網接口還可與其它CPU 模塊、觸摸屏、計算機進行通信，輕松組網。
S7-200 SMART具備SD卡讀寫功能，集成Micro SD 卡插槽，使用市面上通用的Micro SD 卡即可實現程序的更新和PLC 固件升級。只需將程序寫入SD卡，插入PLC后上電，即可完成程序的寫入，無需電腦及編程線的使用。客戶的程序很多臺機器都相同，使用此功能有兩方面優勢，一是不用帶PC機即可下載PLC程序，二是大大節省了工程師下載程序所用時間。
4、軟件設計
4.1 PLC 程序設計
1、S7-200 SMART PLC的程序開發主要包括電動機啟動程序、運行指示，接近開關功能等。
1） 電機啟動：
這是電動機啟動停止的程序，I0.0為電動機啟動信號，通過檢測脈沖信號即讓M0.0置位，然后進行星型啟動，同時定時器T37運行，8S后由星型啟動轉變為三角形啟動，至此電動機啟動完成。
2） 運行指示：
這是正泵，反泵的運行指示，M3.0是遠近空正泵觸發中間標志位，驅動Q0.2正泵指示；M3.1是遠近空反泵觸發中間標志位，驅動Q0.3正泵指示
3）接近開關實現正反泵：
該部分是通過兩個傳感器（接近開關）I1.0，I1.1檢測主油缸開到位，關到位，并實現正反泵的交替運行（主油缸由兩套液壓缸及兩套物料缸組成，主要工作原理為：1號液壓缸帶動1號物料缸正泵運行時從料斗中吸料，當傳感器檢測到主油缸開到位后，通過程序控制擺缸擺到1號物料缸，然后1號液壓缸帶動1號物料缸反泵運行，將1號物料缸中的料進行物料泵送）
5、應用體會
S7-200 SMART的運算速度較三菱或歐姆龍同檔次產品速度更快，對設備運行效率有一定程度的提升，本機集成以太網口，節省編程電纜費用，以太網通訊速率快，易于上位機與PLC或PLC與觸摸屏的通訊。S7-200 SMART在小型自動化應用中已是非常多的數量，極大地降低了設備成本。
此設備是西門子小型自動化產品整體解決方案的典型應用。相比于之前多品牌電氣元件并存，統一的西門子解決方案在有效控制成本的前提下，提升了設備的性能和品牌，操作也更加簡便，在市場競爭中更具優勢，客戶非常滿意。
6、參考文獻
[1] S7-200 SMART 選型手冊，系統手冊
[2]混凝土輸送泵車設備使用說明書
[3] 深入淺出S7-200PLC（北京航空航天大學出版社）
作者簡介
王飛（1989.5），男，濟南，銷售經理，濟南優阿圖自動化設備有限公司 E_mail:wangflyingfei@163.com QQ:1024586968
在論文出版之際，非常感謝陳中川與韓榮斌先生對王飛修改論文的耐心指導，同時感謝同事李浩勛與同學張學健協助修正論文！
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