鋁型材氧化著色生產線自動控制系統(tǒng)設計

劉繼修

(濟寧職業(yè)技術學院機電工程系，山東 濟寧 272037)

0 引言

鋁合金擠壓型材經陽極氧化電解著色工藝處理后可獲得更好的表面性能，被廣泛應用于建筑物的門窗、幕墻和卷簾。現(xiàn)有鋁材的陽極氧化著色生產工藝流程多而復雜，現(xiàn)場各種電控設備布局分散，電纜敷設工程量大且故障點多。目前，控制系統(tǒng)也普遍存在自動化程度不高等問題，很多系統(tǒng)仍采用人工操作，工人勞動強度大、工作效率低、產品性能不穩(wěn)定，且生產現(xiàn)場酸堿霧氣對操作人員的身體健康有較大影響。因此，提高整個系統(tǒng)的集成自動化水平是解決上述問題的有效途徑。

本文應用Profibus-DP現(xiàn)場總線，將控制中心主站S7-300 PLC與各從站PLC和遠程I/O設備、HMI通信網絡連接起來，開發(fā)出鋁型材氧化著色生產線自動控制系統(tǒng)。上位機通過工業(yè)以太網對其實施遠程監(jiān)控，分布式I/O單元分散到實際需要的現(xiàn)場設備附近，從而使整個系統(tǒng)的工程費用、裝配費用、硬件成本、設備調試和維修成本降到最低。

1 生產工藝流程及現(xiàn)場設備

本生產線全長30 m、寬10 m、高4.5 m，采用掛鍍直線型，對應鋁型材陽極氧化工藝而依次排列的設備分別為上料機、除油槽、堿蝕槽、中和槽、氧化槽、電解著色槽、封孔槽、烘干箱和卸料機，各個工序處理槽之間都設置至少一個水洗槽用于清潔［1－4］。由于每道工序的處理時間不同，根據(jù)生產負荷平衡原理，每道工序布置的工藝槽數(shù)也不盡相同，其中氧化4個槽、著色2個槽、低溫封孔2個槽，其余皆為1槽，共20個槽組。

系統(tǒng)控制的設備有:上卸料裝置、行車、冷凍機、加熱系統(tǒng)、過濾機、噴淋泵、純水制備機、給排水系統(tǒng)、排風及攪拌系統(tǒng)、氧化直流電源、電解著色交流電源和烘干爐等。其中，上卸料裝置的主要功能是鋁合金型材在上料區(qū)的裝送處理及卸料區(qū)的成品卸下處理。上料完畢，操作人員在上料區(qū)觸摸屏“品種設定畫面”中輸入處理型材的類型，如堿洗時間、氧化時間和著色時間等，并在觸摸屏“控制畫面”中給出上料完畢信號，自控裝置立即就會控制行車將料架吊起并將其送入各處理槽，按設定的工藝進行處理［3］。最后，成品被送至卸料區(qū)，卸料完畢由人工給出信號，過跨車及輔助傳送裝置自動將空導電梁從卸料區(qū)搬至上料區(qū)。生產線工藝 流程如圖1所示［2］。

圖1 生產線工藝流程圖Fig.1 Technological process of the production line

整條生產線共有3臺行車，且它們在同一軌道上運行。3臺行車分別由各機載控制箱PLC控制，并受系統(tǒng)控制中心協(xié)同調度。行車為單鉤龍門式結構，在鋼軌上運行，作業(yè)形式為橫吊式，水平行走變頻調速驅動，最大行走速度為35 m/min。掛具起吊架在垂直導軌上下運動，行車提升高度大于1000 mm。升降為雙速電機驅動，升降最大速度為12 m/min。行車能平穩(wěn)啟動和停靠，定位精度高，保證零件能按預置工位號自動、平穩(wěn)、準確地平移或升降至指定位置。系統(tǒng)控制中心根據(jù)季節(jié)室溫不同，使冷凍機或加熱系統(tǒng)自動接入，系統(tǒng)自動控制各槽組的溫度，使溫度參數(shù)滿足工藝要求［4］。氧化著色電源設備除由設備本身自控儀表完成自動控制外，還與系統(tǒng)控制中心進行通信連接，并由其控制運行。

2 系統(tǒng)硬件設計

S7-300 PLC作為DPM1主站，是整個控制系統(tǒng)的核心。行車分別由3個S7-200 PLC控制，上卸料、過跨車和輔助傳送裝置為分布式I/O設備，排風及攪拌系統(tǒng)由變頻器MM440驅動，它們均為從站。在上料區(qū)兩側設置2臺HMI，作為DPM2主站連接到Profibus-DP總線上［5］。主站間的通信為令牌方式，主站與從站間的通信為主從方式。上位機內裝WinCC，利用機內網卡CP1613與S7-300 PLC站CP343-1實現(xiàn)工業(yè)以太網通信，其控制系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure of the control system

2.1 主控單元

主控單元采用西門子CPU315-2DP高性能PLC，電源模塊采用PS307，另配置2塊數(shù)字量輸入模塊SM321 DI32×24 V、2塊數(shù)字量輸出模塊SM322 DO32×24 V、1塊繼電器輸出模塊SM322 DO8×230 V和2塊模擬量輸入模塊SM331 AI8×12位。主單元接收來自控制柜的全自動啟動、周期停止和緊急停車等按鈕信號，現(xiàn)場氧化槽、著色槽的有料信號和通電/故障信號，烘干爐設備動作信號，水噴淋故障信號以及11路Pt100熱電阻溫度傳感器信號等，并按照工藝要求發(fā)出控制信號，讀取從站的狀態(tài)，從而控制有關設備運行。

2.2 行車控制單元

生產線共設3臺行車，分別負責上料區(qū)和前處理槽組，氧化著色，封孔、烘干和卸料區(qū)的料架移送。系統(tǒng)設計中每臺行車均設置一機載控制箱，控制系統(tǒng)均為西門子S7-200 CPU226CN，另配置1個16點輸入擴展模塊 EM221和1個擴展通信模塊EM227。3臺S7-200作為從站連接到Profibus-DP總線上，并受主站S7-300 PLC調度。每臺S7-200 PLC及擴展模塊完成各控制信號及定位信號的采集，實現(xiàn)行車運行、變頻器各種速度切換和報警燈的自動控制。起重機的水平行走采用交流變頻調速控制器進行速度控制，升降采用雙速電動機進行驅動。系統(tǒng)可以進行手動/自動操作，行車側面上設有各向運行的控制、急停等按鈕。在手動狀態(tài)下，各動作可以在人工控制下單獨進行操作;在自動狀態(tài)下，每道工序按照設定好的控制程序進行操作。

2.3 上卸料控制單元

上卸料控制單元、過跨車及輔助傳送裝置設置在生產線的兩端，均由分布式I/O模塊ET200M控制，作為DP從站連接到Profibus-DP總線上。上料控制單元配置了1塊SM321 DI32×24 V、1塊 SM322 DO32×24 V和1個接口模塊IM153-1，分別控制2臺上料機升降裝置的升降及儲料架的運轉。上料架驅動裝置采用氣缸或交流電動機驅動，采用三相交流動力電源。上料控制箱內的主要元件為斷路器、接觸器和繼電器等。卸料控制單元、過跨車及輔助傳送裝置配置了2塊SM321 DI32×24 V、1塊SM322 DO32×24 V和1個接口模塊IM153-1，用于控制卸料區(qū)各驅動裝置的運轉，完成成品的卸下并將空導電梁交與傳送裝置移至上料區(qū)。卸料區(qū)各傳動裝置用氣動裝置驅動，限位開關進行定位，卸料控制箱內主要元件為繼電器。上卸料控制裝置將運轉信息及故障信號通過Profibus-DP總線送至中央控制柜CPU，接受來自中央控制柜的指令，與起重機的行走進行協(xié)調，防止相互間碰撞。

2.4 排風及攪拌控制單元

通風系統(tǒng)主要設備包括風機、風罩和風管，采用槽邊排風及時排走廢氣。為使槽液均勻、提高處理效果，在槽的底部通入壓縮空氣攪拌導管，攪拌風源來自鼓風機或空壓機等裝置［4］。風機和鼓風機或空壓機均用變頻器驅動。由于設備噪聲大，一般將它們單獨安裝在一個房間內。變頻器采用西門子公司的MM440變頻器，通過CBP通信板作為從站連入Profibus網絡［6］。PLC通過總線，不斷地讀取和修改變頻器內部運行狀態(tài)信息，以完成對2臺電機的控制。

3 軟件設計

3.1 硬件組態(tài)

系統(tǒng)的硬件組態(tài)主要在Step 7軟件的HW Config中完成，包括主站組態(tài)和從站組態(tài)。主站組態(tài)為在0號機架1號槽位放置電源模塊PS3075A，2號槽位放置CPU315-2DP，4號槽位放置以太網模塊 CP343-1，5～8號槽分別放置數(shù)字量輸入、輸出及模擬量模塊。從站組態(tài)為3個 S7-200從站 EM227、2個分布式 I/O ET200M和2臺變頻器。當組態(tài)EM227時，需將其GSD文件導入Step 7中，方可組態(tài)從站通信接口。分別設置EM227、變頻器和ET200的網絡地址、數(shù)據(jù)交換區(qū)等屬性及相關參數(shù)。整個硬件組態(tài)和參數(shù)設置完畢后存盤編譯并下載到PLC中。硬件組態(tài)如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)圖Fig.3 Hardware configuration

3.2 程序設計

S7-300的程序設計采用結構化編程。本系統(tǒng)PLC程序用到了暖啟動OB100、主程序循環(huán)OB1、日期時間中斷OB10(設置為間隔中斷方式)、循環(huán)中斷OB35等組織塊和自定義的功能FC、功能塊FB、數(shù)據(jù)塊DB以及系統(tǒng)功能SFC和系統(tǒng)功能塊SFB等［7－8］。主機程序設計流程圖如圖4所示。

圖4 主機程序設計流程圖Fig.4 Flowchart of main program design

各從站S7-200的控制程序在Step7-MicroWIN V4.0中編寫，可用S7-200存儲區(qū)中的VB0～VB15與S7-300過程映像存儲區(qū)的IB0～IB7和QB0～QB7交換數(shù)據(jù)。

3.3 觸摸屏畫面組態(tài)設計

系統(tǒng)選用TP177B型觸摸屏，用WinCC flexible軟件對觸摸屏進行組態(tài)設計，實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的操作、工藝參數(shù)的管理維護和運行監(jiān)控。根據(jù)工藝要求，設計了系統(tǒng)菜單主界面、自動運行界面、手動操作界面、顯示與編輯工藝參數(shù)界面和報警信息界面，各個界面間可相互切換，操作方便。下面針對系統(tǒng)菜單主界面和自動運行界面進行說明。

①系統(tǒng)菜單主界面

系統(tǒng)開機后，首先顯示用戶信息及當前日期和時間，接著進入系統(tǒng)菜單主界面。點選“運行方式”后進入運行方式選擇界面，可以點選“自動運行”和“手動菜單”。該界面還可提示當前控制系統(tǒng)的狀態(tài)是在操作運行中還是在停止狀態(tài)。利用該畫面中設置的觸摸開關，可以對系統(tǒng)進行操作，如上料完畢、暫停、停止等。點選“顯示運行參數(shù)”后進入系統(tǒng)當前運行參數(shù)顯示界面，可以顯示當前運行的程序號、各槽位設定的工藝參數(shù)和當前運行參數(shù)?！皺z查工藝參數(shù)”和“編輯工藝參數(shù)”最多可以檢查和修改16個程序號的工藝配方數(shù)據(jù)。“報警信息”可用于系統(tǒng)維護。

②自動運行界面

自動運行界面中設計了多個工藝流程示意圖，可分畫面顯示上卸料機、過跨車及輔助傳送裝置、排風風機及攪拌空壓機的運行狀況及當前料架位置、各行車所處的位置和運行方向、吊鉤位置、各工序實際運行的時間等實時信息。此畫面可以監(jiān)控生產運行狀況。

4 上位機監(jiān)控功能實現(xiàn)

為方便生產調度和數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)設置了上位機，并通過工業(yè)以太網與主站連接。上位機內裝WinCC組態(tài)軟件，主要實現(xiàn)主畫面、分站設備運行狀態(tài)、操作畫面、實時曲線、歷史曲線、報警畫面及報表數(shù)據(jù)顯示等監(jiān)視功能。

主畫面通過流程圖和實時數(shù)據(jù)，生動直觀地顯示整個生產線的運行情況。分站設備運行狀態(tài)畫面則以動畫、指示燈形式直觀地表示出從上料到卸料沿線各分站相關設備的運行和故障狀態(tài):操作畫面可對設備進行遠程啟?？刂?、緊急停車和故障復位等;實時曲線、歷史曲線、報警畫面和報表數(shù)據(jù)等分別以不同的方式監(jiān)視系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)，并可定期歸檔存盤［9－10］。

5 結束語

采用Profibus現(xiàn)場總線技術，將鋁型材氧化著色生產線各分散設備進行集成，由主站PLC控制，利用工業(yè)以太網通過上位機實現(xiàn)遠程監(jiān)控。實際運行表明，系統(tǒng)自動化水平高、故障率低、操作維護方便，有利于實現(xiàn)柔性生產、改善操作人員的工作條件。同時，各種物料能源也能得到最合理的利用，降低了生產成本，提高了產品質量。

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