環(huán)形加熱爐中車輪坯物料跟蹤系統(tǒng)研究

李賢強(qiáng)，宮彥華，章 靜，沈曉輝，閻 軍

(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

車輪是列車的關(guān)鍵部件之一，其性能直接關(guān)系到列車運(yùn)行的安全性。為更好地控制車輪質(zhì)量，掌握車輪缺陷產(chǎn)生的根源以及與各工序工藝參數(shù)之間的關(guān)系，必須對(duì)每片車輪的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行跟蹤。環(huán)形加熱爐中的物料跟蹤是整個(gè)車輪生產(chǎn)物料跟蹤的難點(diǎn)，這是由環(huán)形加熱爐密閉和高溫的特殊環(huán)境及其特定的運(yùn)行方式所致的。關(guān)于加熱爐中的物料跟蹤已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，如Muresan等[1]和Su Fuyong等[2]研究了管坯加熱爐自動(dòng)化生產(chǎn)和物料跟蹤之間的關(guān)聯(lián)與應(yīng)用；和靜民[3]、李二偉[4]以工控機(jī)和PLC為平臺(tái)對(duì)步進(jìn)式加熱爐板坯跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)；李邈等[5]、楊金鼎等[6]、桂鳳平等[7]和孫長(zhǎng)江等[8]研究了環(huán)形加熱爐中管坯的物料跟蹤問(wèn)題。已有文獻(xiàn)主要是關(guān)于板坯在步進(jìn)式加熱爐、管坯在環(huán)形加熱爐中的物料跟蹤等方面的研究，而關(guān)于車輪坯在環(huán)形加熱爐中的物料跟蹤研究較少。板坯、管坯進(jìn)出加熱爐采用一進(jìn)一出的方式，而車輪坯進(jìn)出加熱爐采用加熱前集中進(jìn)入，即同一徑向位置同時(shí)放置幾塊坯料，加熱完成按照一件一出的方式從出料爐門出料。筆者根據(jù)車輪坯在環(huán)形加熱爐中的運(yùn)行特點(diǎn)，基于PLC和組態(tài)技術(shù)開(kāi)發(fā)車輪坯在環(huán)形加熱爐中的物料跟蹤系統(tǒng)，為更好地控制車輪質(zhì)量提供可靠的技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)功能和關(guān)鍵問(wèn)題

通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，在滿足目前生產(chǎn)需要和考慮未來(lái)生產(chǎn)需求的基礎(chǔ)上，物料跟蹤系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能。

1)進(jìn)、出環(huán)形加熱爐的坯料一一對(duì)應(yīng)

是指能準(zhǔn)確判斷坯料從進(jìn)入加熱爐直至加熱完畢過(guò)程中的位置和狀態(tài)。坯料進(jìn)入加熱爐可以通過(guò)圖像識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別其標(biāo)識(shí)，而在加熱爐的密閉系統(tǒng)中，需要通過(guò)位置編碼和坯料標(biāo)識(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)判斷坯料的運(yùn)行狀態(tài)，直至加熱完畢進(jìn)入下一工序。這也是加熱爐中物料跟蹤的目的。

2)集中監(jiān)控功能

環(huán)形加熱爐的運(yùn)行狀態(tài)和一些重要參數(shù)通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控界面顯示，以方便監(jiān)視和操作。由完整的工藝流程圖和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)配合上位機(jī)的遠(yuǎn)程操作功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加熱爐運(yùn)行狀態(tài)和重要參數(shù)的監(jiān)控。

3)自動(dòng)/手動(dòng)與正/反轉(zhuǎn)切換

根據(jù)生產(chǎn)需要如停機(jī)檢修等，能夠由自動(dòng)控制切換到手動(dòng)控制，根據(jù)實(shí)際情況決定加熱爐運(yùn)轉(zhuǎn)方式。

4)報(bào)警功能

這是物料跟蹤系統(tǒng)的重要功能之一。對(duì)一些重要參數(shù)設(shè)置報(bào)警條件，可以準(zhǔn)確而迅速地得到異常情況信息，確保系統(tǒng)準(zhǔn)確運(yùn)行。

物料跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)坯料的位置跟蹤和系統(tǒng)的集中監(jiān)控功能。文中根據(jù)物料跟蹤系統(tǒng)應(yīng)具備的功能和關(guān)鍵問(wèn)題設(shè)計(jì)以PLC和編碼器為基礎(chǔ)，利用位置編碼和坯料標(biāo)識(shí)完成對(duì)車輪坯進(jìn)、出加熱爐的物料跟蹤及爐內(nèi)位置跟蹤。通過(guò)組態(tài)軟件制作的工藝流程界面和下位機(jī)PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換完成加熱爐運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)中重要參數(shù)變化的實(shí)時(shí)顯示，由上位機(jī)監(jiān)控界面向下位機(jī)S7-300PLC下達(dá)任務(wù)和操作指令。

2 車輪坯物料跟蹤的實(shí)現(xiàn)

為有效識(shí)別每一塊車輪坯，建立車輪流水號(hào)與連鑄圓坯流、坯號(hào)的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)類似身份證的鋼坯識(shí)別代碼，稱為鋼坯ID。

文中以PLC和編碼器為基礎(chǔ)完成車輪坯的物料跟蹤。首先，確定環(huán)形加熱爐前進(jìn)工位，保證準(zhǔn)確的停車位置。在減速齒輪箱上設(shè)置增量式編碼器，將角度位移轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖數(shù)值表示角度大小。因每相鄰布料角之間的夾角相等，即每相鄰布料角對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)值相等，由PLC高速計(jì)數(shù)模塊FM350-1得到編碼器的脈沖數(shù)值，通過(guò)脈沖數(shù)值即可以計(jì)算出環(huán)形加熱爐前進(jìn)工位，保證加熱爐的位置準(zhǔn)確。

環(huán)形加熱爐轉(zhuǎn)動(dòng)布料位置數(shù)n采用如下公式計(jì)算

式中：N為編碼器脈沖讀數(shù)；E為編碼器在360°旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)值；m為相鄰布料角之間夾角對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)值；γ為相鄰布料角之間角度；α為進(jìn)出料爐門間角度。

為實(shí)現(xiàn)車輪坯爐內(nèi)位置跟蹤，設(shè)計(jì)車輪坯放置的位置坐標(biāo)(以p[i][j]表示)，位置坐標(biāo)不隨環(huán)形加熱爐旋轉(zhuǎn)，相對(duì)地面固定，如圖1。i坐標(biāo)為環(huán)向位置，進(jìn)料爐門對(duì)應(yīng)環(huán)向位置為i坐標(biāo)起點(diǎn)，出料爐門對(duì)應(yīng)環(huán)向位置為終點(diǎn)，以00，01，02，…，74表示；徑向位置以j坐標(biāo)表示，同一徑向位置按照從內(nèi)向外的順序設(shè)置，以0，1，2表示。因位置坐標(biāo)的唯一性，需設(shè)計(jì)出與位置坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的位置編碼(以b[r][c]表示)，再將每塊車輪坯的鋼坯ID與位置編碼關(guān)聯(lián)，通過(guò)位置編碼和位置坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可以確定每塊車輪坯的爐內(nèi)位置及其鋼坯ID，實(shí)現(xiàn)車輪坯爐內(nèi)位置實(shí)時(shí)跟蹤。

圖1 位置坐標(biāo)示意圖Fig.1 Sketch map of position coordinate

以車輪坯3107(鋼坯ID)跟蹤過(guò)程為例。假設(shè)坯料3107由入料機(jī)械手放置在第一個(gè)環(huán)向位置的中間坐標(biāo)，其對(duì)應(yīng)初始位置坐標(biāo)為p[00][1]，將鋼坯ID與初始位置編碼關(guān)聯(lián)，爐門關(guān)閉后，鋼坯跟隨爐底旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行到一定時(shí)刻后，生成新的位置編碼，利用位置編碼與位置坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就能夠查找到鋼坯ID所對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)，進(jìn)而得到鋼坯ID在環(huán)形加熱爐內(nèi)的位置。

根據(jù)以上分析，結(jié)合正常生產(chǎn)、初裝爐、清爐、停止、反轉(zhuǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)車輪坯在環(huán)形加熱爐中的物料跟蹤流程圖，如圖2。

圖2 跟蹤流程圖Fig.2 Tracking flow chart

位置坐標(biāo)是固定不變的，在PLC中設(shè)置為地址。AR代表PLC的地址寄存器，是專門用于尋址的1個(gè)特殊指針區(qū)域。位置編碼的信息包含在AR1中。利用指針的尋址功能，當(dāng)AR1的地址與位置坐標(biāo)地址一致時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了位置坐標(biāo)與位置編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)。

L P#8.7 把指針值裝載到累加器1；

LAR1 把指針從累加器1裝載到AR1；

AI[AR1,P#0.0] 查詢I8.7的信號(hào)狀態(tài)；

=Q[AR1,P#1.1] 給輸出位賦值。

3 上位機(jī)系統(tǒng)

3.1 上位機(jī)監(jiān)控界面搭建

在環(huán)形加熱爐物料跟蹤系統(tǒng)中，利用PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和相應(yīng)的自動(dòng)控制，同時(shí)和上位機(jī)通訊以交換數(shù)據(jù)。為直觀、形象、實(shí)時(shí)顯示車輪坯位置情況，使用組態(tài)王6.53將車輪坯生產(chǎn)工藝流程引入上位機(jī)監(jiān)控界面，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢車輪坯在加熱爐內(nèi)位置，異常情況人工干預(yù)等功能。主要包括：1)位置跟蹤。通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理，可由鋼坯ID查詢車輪坯位置或顯示某一位置鋼坯ID；2)實(shí)時(shí)顯示。實(shí)時(shí)查看設(shè)備工作狀況和生產(chǎn)工藝流程；3)報(bào)警功能。定義報(bào)警產(chǎn)生條件，操作人員實(shí)時(shí)接收?qǐng)?bào)警信號(hào)，以采取相應(yīng)措施；4)異常情況處理。如鋼種切換出現(xiàn)空位、鋼坯ID讀入錯(cuò)誤等，操作人員可人工干預(yù)。文中設(shè)計(jì)的監(jiān)控界面布局(如圖3)分為三部分：1)位于界面左端的車輪坯位置顯示畫面，實(shí)時(shí)顯示車輪坯位置及加熱爐運(yùn)行狀態(tài)；2)位于界面中間的切換按鈕和顯示窗口，完成查詢和基本信息顯示功能；3)位于界面右端的狀態(tài)和報(bào)警指示，通過(guò)指示燈表明設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和車輪坯生產(chǎn)情況。在該界面中，整個(gè)車輪坯生產(chǎn)工藝流程和系統(tǒng)的主要功能都展現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)環(huán)形加熱爐內(nèi)的任一位置，在“顯示點(diǎn)擊鋼坯ID”的對(duì)話框即可顯示其對(duì)應(yīng)的鋼坯ID；在“查詢鋼坯位置”對(duì)話框中輸入所要查詢的鋼坯ID，爐內(nèi)對(duì)應(yīng)位置會(huì)以閃爍的色彩提示操作人員；設(shè)置了急停、正反轉(zhuǎn)、自動(dòng)/手動(dòng)切換按鈕；對(duì)加熱過(guò)程中每一段溫度情況進(jìn)行監(jiān)控，若超出預(yù)先設(shè)定值系統(tǒng)以紅色給出報(bào)警。

實(shí)現(xiàn)以上功能的關(guān)鍵是建立界面圖形與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的動(dòng)畫連接，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)中變量值變化時(shí)，對(duì)應(yīng)圖形位置或狀態(tài)隨之改變。文中以生產(chǎn)實(shí)際和系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)定義變量，如鋼坯ID、位置坐標(biāo)等，既有模擬量、開(kāi)關(guān)量，也有字符型量；以組態(tài)王6.3對(duì)不同變量所要求響應(yīng)速度為依據(jù)決定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略：1)需長(zhǎng)期保存的非共享數(shù)據(jù)采用文件管理系統(tǒng)直接讀取；2)對(duì)工作量大而組態(tài)軟件無(wú)特殊要求的共享數(shù)據(jù)存放在外存數(shù)據(jù)庫(kù)中；3)對(duì)每個(gè)采樣周期都要更新的數(shù)據(jù)存放于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2 通訊連接

在上位機(jī)中，采用組態(tài)王6.53既要實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)管理者之間良好的人機(jī)接口，以文字和圖形的形式實(shí)時(shí)反映整個(gè)環(huán)形加熱爐控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，還要及時(shí)地向下級(jí)PLC傳遞控制系統(tǒng)的任務(wù)和操作指令，必要時(shí)自動(dòng)執(zhí)行關(guān)鍵性的操作。因此，上位機(jī)除了接收可編程序控制器傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并顯示外，還要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、查詢等。組態(tài)王和S7-300PLC之間通訊的硬件連接為利用PLC上的MPI編程口，上位機(jī)上插1塊CP5611通訊卡，通訊卡和PLC之間使用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換接頭和通訊電纜連接。軟件設(shè)置為：1)確保組態(tài)王所在上位機(jī)已安裝STEP7 5.0及以上版本軟件，通過(guò)STEP7硬件組態(tài)環(huán)境打開(kāi)S7-300PLC的CPU屬性對(duì)話框，為MPI通訊建立MPI網(wǎng)格，設(shè)定MPI通訊波特率為19.2 k；2)組態(tài)王對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)設(shè)置根據(jù)組態(tài)王中對(duì)應(yīng)的設(shè)備定義向?qū)В篜LC→西門子→S7-300系列→S7-300MPI(通訊卡)。其中，設(shè)備地址要與MPI接口地址一致。

3.3 功能測(cè)試與模擬結(jié)果

通過(guò)組態(tài)王6.53自帶的PLC仿真測(cè)試功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試。系統(tǒng)定時(shí)掃描下位機(jī)仿真PLC的輸出信號(hào)，根據(jù)仿真信號(hào)模擬控制物料的運(yùn)動(dòng)、狀態(tài)變化等；通過(guò)上位機(jī)界面輸入控制信號(hào)發(fā)送給仿真PLC，測(cè)試人工干預(yù)功能等。在仿真狀態(tài)下，對(duì)發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤和缺陷進(jìn)行檢測(cè)和修改后，進(jìn)行聯(lián)機(jī)測(cè)試。

上位機(jī)與下位機(jī)通訊連接完成后，物料跟蹤系統(tǒng)模擬運(yùn)行。通過(guò)爐內(nèi)某個(gè)位置，上位機(jī)監(jiān)控界面能夠顯示其對(duì)應(yīng)鋼坯ID；輸入需要查詢車輪坯的鋼坯ID，以不同顏色提示工作人員其在爐內(nèi)對(duì)應(yīng)位置，如圖3。圖3顯示的結(jié)果表明位置編碼計(jì)算、位置編碼與位置坐標(biāo)的關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確無(wú)誤，實(shí)現(xiàn)了車輪坯的位置跟蹤，達(dá)到預(yù)期目的。

圖3 監(jiān)控界面與模擬結(jié)果Fig.3 Picture of monitoring interface and simulated result

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)1種以工控機(jī)和組態(tài)王軟件構(gòu)建上位機(jī)，S7-300PLC為下位機(jī)的車輪坯環(huán)形加熱爐物料跟蹤系統(tǒng)。利用PLC的自動(dòng)控制功能和編碼器的位置跟蹤，根據(jù)生產(chǎn)工藝與加熱爐運(yùn)行特點(diǎn)完成車輪坯進(jìn)、出環(huán)形加熱爐及在爐內(nèi)的物料跟蹤，實(shí)現(xiàn)車輪坯進(jìn)出環(huán)形加熱爐及在爐內(nèi)的位置跟蹤。并采用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示車輪坯爐內(nèi)位置和生產(chǎn)過(guò)程。模擬結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)了物料跟蹤的目的，為進(jìn)一步研究實(shí)際生產(chǎn)中車輪坯在環(huán)形加熱爐中物料跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

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