工業(yè)控制系統(tǒng)在化纖行業(yè)的應(yīng)用

【摘要】本文介紹的工業(yè)控制系統(tǒng)是針對(duì)化纖行業(yè)而設(shè)計(jì)的，絲卷品種繁多，等級(jí)多樣，且日產(chǎn)數(shù)萬(wàn)錠，需要巨大的信息存儲(chǔ)和快速的查詢功能。該系統(tǒng)涵蓋的內(nèi)容比較全面，有總控信息處理，立庫(kù)調(diào)度，立體庫(kù)存儲(chǔ)，多種機(jī)器人搬運(yùn)絲卷及紙箱，多種物流線體輸送，人性化的人機(jī)界面等等。系統(tǒng)包含的網(wǎng)絡(luò)多樣，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。該物流自動(dòng)化包裝線項(xiàng)目的順利運(yùn)行，為化纖行業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展提供了新的模式，改變陳舊的生產(chǎn)模式，為化纖行業(yè)的發(fā)展注入新的生機(jī)。

【關(guān)鍵詞】多層控制網(wǎng)絡(luò)；信息追溯；自動(dòng)包裝；機(jī)器人夾具

1、引言

自動(dòng)化物流包裝線是集倉(cāng)儲(chǔ)、物流、包裝于一體的現(xiàn)代化全自動(dòng)生產(chǎn)線，自動(dòng)化工業(yè)控制分為5個(gè)部分，包括：總控系統(tǒng)，立體庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)，入庫(kù)系統(tǒng)，出庫(kù)系統(tǒng)，自動(dòng)包裝系統(tǒng)?？偪叵到y(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)為解決產(chǎn)品信息的追蹤、實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)以及按需生產(chǎn)的問(wèn)題，自動(dòng)控制信息處理的核心。立體庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)負(fù)責(zé)庫(kù)存管理和生產(chǎn)調(diào)度。入庫(kù)信息系統(tǒng)對(duì)絲錠逐一稱重記錄生產(chǎn)信息，通過(guò)人工外檢確保產(chǎn)品質(zhì)量，條碼識(shí)別后由出入庫(kù)機(jī)器人搬運(yùn)至托板，由堆垛機(jī)將托板送入立體庫(kù)。出庫(kù)系統(tǒng)是根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃的安排可揀選出庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、有序、高效的生產(chǎn)模式。自動(dòng)包裝系統(tǒng)將出庫(kù)的絲錠經(jīng)機(jī)器人裝箱，自動(dòng)稱重，貼標(biāo)，封箱，打包，機(jī)器人自動(dòng)碼垛等環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)不但能實(shí)現(xiàn)多個(gè)品種同時(shí)生產(chǎn)，還通過(guò)實(shí)時(shí)的信息交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢及報(bào)表等功能，將生產(chǎn)信息記錄歸檔，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品信息的可追溯性。

2、控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)分為五層網(wǎng)絡(luò)。第一層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。首先，將總控計(jì)算機(jī)，立庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)和服務(wù)器接入交換機(jī)然后將以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換成光纖，然后再將光纖轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)接入到現(xiàn)場(chǎng)的1#和2#交換機(jī)，第二層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是將1#交換機(jī)連接讀碼器，觸摸屏（HMI）以及現(xiàn)場(chǎng)PLC。2#交換機(jī)連接手工包裝計(jì)算機(jī)及自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)。第三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是將現(xiàn)場(chǎng)PLC采用Profibus-DP通訊連接現(xiàn)場(chǎng)電子稱和ASI網(wǎng)關(guān)。第四層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是將ASI網(wǎng)關(guān)通過(guò)ASI總線連接到現(xiàn)場(chǎng)的ASI模塊。第五層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是手工包裝計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232總線和現(xiàn)場(chǎng)電子稱，條碼打印機(jī)連接。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示

3、系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介

該控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)數(shù)十種品種同時(shí)生產(chǎn)，數(shù)十種批號(hào)、不同等級(jí)的絲車可交替上線，滿絲車96錠絲卷，由工作人員將絲車推入液壓升降臺(tái)，經(jīng)由鏈?zhǔn)綑C(jī)將絲車運(yùn)送到機(jī)器人抓取位置，入庫(kù)機(jī)器人抓取絲車的A面，將絲卷放到入庫(kù)輥道的帶條碼標(biāo)簽小托盤的上，將絲卷信息與小托盤信息綁定。存入總控計(jì)算機(jī)，A面抓取完畢，絲車經(jīng)過(guò)180度的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，將絲車翻轉(zhuǎn)至B面，再由另一臺(tái)入庫(kù)機(jī)器人進(jìn)行絲卷上線操作。B面被抓取完畢，絲車放行，空絲車下線。所有的經(jīng)過(guò)絲卷上線工序的小托盤都要經(jīng)過(guò)電子秤稱重，并記錄到總控計(jì)算機(jī)，然后由外觀臺(tái)，由工人對(duì)絲卷外觀檢測(cè)，判定絲卷等級(jí)并提交到總控計(jì)算機(jī)。出入庫(kù)的機(jī)器人將絲卷抓取到立體庫(kù)的托板上，將絲卷信息與立體庫(kù)托板信息綁定。立體倉(cāng)庫(kù)中的絲錠經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的存放，待染色判定等級(jí)后即可出庫(kù)包裝。

在總控計(jì)算機(jī)上安排生產(chǎn)任務(wù)后，由立庫(kù)計(jì)算機(jī)調(diào)度堆垛機(jī)執(zhí)行出庫(kù)任務(wù)，堆垛機(jī)同時(shí)執(zhí)行入庫(kù)和出庫(kù)任務(wù)。為了滿足不同客戶的購(gòu)買需求及整箱包裝的目的，由總控計(jì)算機(jī)下達(dá)指令，將絲卷信息綁定到出入庫(kù)機(jī)器人的8個(gè)手指，出入庫(kù)機(jī)器夾具的手指可以單獨(dú)控制，根據(jù)生產(chǎn)需要可在總控系統(tǒng)中設(shè)置出庫(kù)絲錠的品種、等級(jí)和數(shù)量，通過(guò)出入庫(kù)機(jī)器人進(jìn)行選擇性的抓取出庫(kù)，省去了絲卷在車間的占地存儲(chǔ)，而且大大提高了生產(chǎn)效率，即揀選出庫(kù)，不需要出庫(kù)的絲錠返回立庫(kù)等待下次出庫(kù)，完全出庫(kù)完畢的大托盤可繼續(xù)入庫(kù)作業(yè)，出庫(kù)的絲卷分成五個(gè)等級(jí)AAA，AA，AA-，A，B。其中AAA，AA ，AA-由裹膜機(jī)自動(dòng)裹膜，在機(jī)器人裝箱工位前，將AAA，AA ，AA-三個(gè)等級(jí)分開排列，由裝箱機(jī)器人分別每六錠裝一箱，然后少量的A，B 級(jí)由人工套袋，并且人工裝箱，人工稱重，打印標(biāo)簽貼標(biāo)。由機(jī)器人裝箱的紙箱，需要稱重，并將信息上傳到總控計(jì)算機(jī)，由總控計(jì)算機(jī)對(duì)貼標(biāo)機(jī)下發(fā)打印標(biāo)簽指令，對(duì)滿箱進(jìn)行貼標(biāo)，自動(dòng)裝箱的紙箱和人工裝箱的紙箱進(jìn)行合流，進(jìn)入自動(dòng)封箱機(jī)封箱，自動(dòng)打包機(jī)打包。紙箱按照標(biāo)簽信息所示的絲卷的級(jí)別進(jìn)行自動(dòng)分道，碼垛機(jī)器人將滿箱抓取到對(duì)應(yīng)的大托盤上，由雙工位穿梭車將滿垛運(yùn)送下線，并且運(yùn)送空托盤到空閑的鏈?zhǔn)綑C(jī)上等待碼垛機(jī)器人下一次的碼垛任務(wù)。系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

4、該系統(tǒng)的特點(diǎn)

1）網(wǎng)絡(luò)逐層分布，系統(tǒng)安全穩(wěn)定

由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備離總控制室較遠(yuǎn)，采用以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖技術(shù)，解決了以太網(wǎng)傳輸距離的限制和網(wǎng)絡(luò)干擾的問(wèn)題，千兆交換機(jī)保證信息的實(shí)時(shí)傳輸。PLC系統(tǒng)與下層設(shè)備采用Profibus-DP通訊，更加經(jīng)濟(jì)，節(jié)約成本。現(xiàn)場(chǎng)傳感器設(shè)備采用ASI總線模式連接，減少了設(shè)備的故障，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，同時(shí)極大減少了現(xiàn)場(chǎng)施工的工作量。

例如：該系統(tǒng)中自動(dòng)碼垛系統(tǒng)的PLC組態(tài) 如圖3所示。

PLC的CPU選用 西門子的CPU315-2DP，該CPU本身自帶一個(gè)DP接口，主站還用一組西門子IM365模塊擴(kuò)展一個(gè)機(jī)架，主站使用ET200（CP343-1）模塊來(lái)和HMI，讀碼器，總控計(jì)算機(jī)等設(shè)備的以太網(wǎng)通訊，該P(yáng)rofibus-DP網(wǎng)絡(luò)包含有兩個(gè)ASI網(wǎng)關(guān)，電子秤，伺服控制器。電子秤用于2x3裝箱機(jī)器人將絲卷裝入紙箱的后的稱重，伺服控制器配合伺服電機(jī)，帶動(dòng)碼垛機(jī)器人進(jìn)行10條分道的碼垛。

2）信息可追溯。

該自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線，絲卷日產(chǎn)4.5萬(wàn)錠，每錠絲卷都要綁定機(jī)臺(tái)號(hào)、落紗號(hào)、規(guī)格、批號(hào)、錠位號(hào)、絲車號(hào)、置紗盤號(hào)、等級(jí)、斷絲、張力異常、過(guò)尾、染色、重量、托板號(hào)、箱號(hào)等等信息。所以該控制系統(tǒng)的服務(wù)器需要和自動(dòng)落紗系統(tǒng)，染色系統(tǒng)信息交互，信息共享。并且在外觀檢查，外觀降等，染色檢查等在每個(gè)關(guān)鍵的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，都有條碼識(shí)別來(lái)獲取并記錄生產(chǎn)信息。如：絲車在上線前，需要復(fù)檢絲車信息、絲卷稱重信息上傳總控、外檢工位的絲卷判定信息提交總控、立庫(kù)托板信息和絲卷信息綁定記入總控、絲卷出庫(kù)后，與紙箱信息綁定等等?？偪氐男畔⑻幚硐到y(tǒng)還提供強(qiáng)大的生產(chǎn)信息查詢功能，報(bào)表自動(dòng)生成及打印，網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作，巨大的數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)等功能實(shí)現(xiàn)了信息的可追溯性。

3）系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜自動(dòng)化程度高

該系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首家針對(duì)化纖行業(yè)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。自動(dòng)化控制的復(fù)雜程度很高，獲得了國(guó)家重點(diǎn)科技獎(jiǎng)項(xiàng)。

4）人性化的人機(jī)對(duì)話功能

在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線附近，分布著數(shù)十臺(tái)HMI供操作者查看生產(chǎn)信息及設(shè)備狀態(tài)，HMI提供了強(qiáng)大的查詢及操作功能，系統(tǒng)中的所有傳感器的檢測(cè)信號(hào)、電機(jī)及電磁閥的輸出狀態(tài)都一目了然。在HMI上每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元都有手動(dòng)和自動(dòng)切換功能，全面詳細(xì)的報(bào)警功能，非常容易操作，為操作人員快速處理設(shè)備故障提供了強(qiáng)有力的支持。

5）機(jī)器人夾具自主研發(fā)

該系統(tǒng)中使用的所有機(jī)器人夾具【包括1x6（一排六列）入庫(kù)機(jī)器人夾具，2x4出入庫(kù)機(jī)器人夾具，2x3裝箱機(jī)器人夾具，碼垛機(jī)器人夾具】都由我單位設(shè)計(jì)，研發(fā)，生產(chǎn)，加工而成，在沒有任何參考案例的條件下，機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)工作遇到了很多困難，依靠我們的不斷摸索，持續(xù)改進(jìn)，結(jié)構(gòu)完善，解決了機(jī)器人夾具上手指的變距問(wèn)題，電纜斷線問(wèn)題，手指固定端斷裂問(wèn)題，增加了液壓緩沖器解決了夾具上活動(dòng)部位的沖擊大問(wèn)題?，F(xiàn)機(jī)器人夾具均運(yùn)行良好。目前我單位設(shè)計(jì)的機(jī)器人夾具已經(jīng)申報(bào)國(guó)家專利技術(shù)，擁有獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

5、結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化物流包裝線的已經(jīng)使用兩年，該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，自動(dòng)化程度很高，且控制系統(tǒng)可靠，極大了減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了工人的數(shù)量，解決了化纖企業(yè)的用工荒問(wèn)題，相信這也是未來(lái)5-10年化纖行業(yè)的發(fā)展的必然模式。