基于PLC的煙氣道生產線自動化研究

陳作炳，張自晴，蔣代杰

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

0 引言

住宅用煙氣道是一種將廚房烹飪時產生的油煙或衛(wèi)生間里渾濁氣體排出的管道制品。我國煙氣道行業(yè)發(fā)展二十余年來，仍然鮮見大型企業(yè)，而多為小型企業(yè)以及手工作坊，工人勞動強度大，工作環(huán)境惡劣，整體工藝水平和產品質量也參差不齊。目前，煙氣道多為一次性成型工藝進行生產，且一種模具只能生產一種規(guī)格的產品［1］，加之整個過程多為人工完成，產品質量及質量穩(wěn)定性都不高［2］。南昌航空大學謝友寶等人［3］對煙氣道生產線做過自動化改造的嘗試，但仍未擺脫一模一用、內外模整體輸送的技術約束［4］，生產線和制造工藝都有諸多改進的余地，且自動化水平亦可進一步提高。

現(xiàn)今一種新的水泥煙氣道生產線被開發(fā)出來:改進了成型工藝，內、外模分開，且一種模具能生產數種規(guī)格的產品，以PLC 為核心的控制系統(tǒng)使其實現(xiàn)了機電液氣一體化的自動化生產。

1 生產線整體裝置及生產工藝分析

1.1 工藝及設備分析

該生產線主要包括:配料系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、成型系統(tǒng)、養(yǎng)護室以及輔助系統(tǒng)［5］。主要部分示意圖如圖1所示。工藝上，采用普通水泥配置砂漿并在下料后進行高頻振動并用真空抽水裝置抽走析出的水，使其迅速達到脫內模強度以縮短脫模時間。之后產品進入蒸汽養(yǎng)護室以提高脫模強度，從而縮短生產周期。生產工藝流程如圖2所示(圖中調整外模的操作僅在需要更改產品型號時使用)。

圖1 生產線布置平面圖

設備方面，區(qū)別于傳統(tǒng)的一次成型煙氣道生產模具，該條線上使用的模具將原有專利產品進行改良［6］，其內模和外模是分開的:內模與兩個步進電機、兩組絲桿以及真空抽水裝置等組成固定在振動裝置上的內模組件6，外模則在線上循環(huán)使用。內模絲杠由一臺步進電機單獨驅動，帶動內模縮放，因此它能自動脫內模且能適應多種型號的煙氣道生產;另一個步進電機帶動的絲杠用來將線上的外模拉入和送離內模組件。幾種類型的外模亦可調整，以生產多種型號的產品。

圖2 生產工藝流程圖

1.2 工作循環(huán)分析

生產線的工作循環(huán)概括如下:在E 區(qū)，成品被取走后外模經傳送鏈、傳送小車轉運至噴油裝置11 時被噴油以利于脫模，外模離開傳送小車后進入長傳送鏈4。若在線上出現(xiàn)短時間可以解決的設備故障，外模將在D 區(qū)被阻攔而不用停下整條生產線。每一段傳送鏈均由獨立的電機帶動，其啟停集中控制。外模傳送到A 區(qū)時被阻攔并被識別，以便接下來進入相應的工位。外模繼續(xù)被傳送，在相應位置的接近開關感應到它后，液壓限位裝置升起阻擋其前進，液壓升降裝置將外模頂起，然后內模組件中的步進電機動作，通過絲桿裝置將外模拉入內模組件，而后限位裝置和升降裝置復位。氣壓推桿5 動作自動合側板，套網、壓扣及下料等工序人工完成。之后經過振動和抽水使產品成型，達到脫內模強度后步進電機動作自動脫內模。接著絲桿裝置將帶有半成品的外模重新送上已升起的升降裝置，升降裝置下降將其置于傳送鏈上，經傳送小車3 送至蒸汽養(yǎng)護區(qū)C 入口并由液壓推桿1 推入。此時，一組已養(yǎng)護好的產品從C 區(qū)出口被推出進入E 區(qū)開側板，人工將成品吊走堆放，整個生產過程如此反復。在同一個生產班中如需改變外模規(guī)格可在不停機的情況下直接調整空的外模，或用起吊設備在取成品區(qū)吊換外模。

以上過程除取成品、套網和下料部分需人工干預外，其余工序都按既定程序自動完成。8 個成型工位的限位、升降裝置等相互連鎖以保證產品在線上不會干涉，而相關工位停留時間和設備運轉速度都由實驗得來，輸送鏈和轉運小車的速度調整由可調式減速器實現(xiàn)。

1.3 生產效果分析

生產原料為42.5 MPa 普通硅酸鹽水泥與砂按1∶3比例配制的水泥砂漿，并用高強度耐堿網格布作為加強筋。外模的循環(huán)周期為244 min，在成型工位震動抽水后20 min 脫內模，產品在70 ℃蒸汽室養(yǎng)護時間為208 min，線上生產節(jié)拍4 min 每根(試驗條件下最快可達到3 min 每根)，10 h 單班制日生產能力為150 根。

2 控制系統(tǒng)構成

2.1 執(zhí)行機構

整條生產線需要集中控制的執(zhí)行機構包含普通電機、步進電機、液壓缸、氣壓缸、電磁閥、機械限位開關以及數種光電傳感器。配料系統(tǒng)獨立成系統(tǒng)，做好原料配比并設置好下料量，人工按下對應按鈕即可對應不同產品類型進行下料。以上執(zhí)行機構在生產線上的功能如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要執(zhí)行機構

2.2 控制系統(tǒng)硬件

2.2.1 主站PLC

CPU315-2DP。300 系列標準型CPU，適用于中小型控制系統(tǒng)，作為本控制系統(tǒng)的主站。無集成I/O 口，可連接擴展模塊，具有中、大規(guī)模的程序存儲容量及PROFIBUS-DP 主站/從站接口，可用于大規(guī)模的I/O 配置［7］。

2.2.2 I/O 模塊

SM321(32DI)，SM322(32DO)，SM331(8AI)。I/O模塊結構緊湊，組裝簡單靈活，且能優(yōu)化配合，接線方便。該系統(tǒng)擴展在主站上的I/O 數為:71DO，21DI，2AI?？紤]系統(tǒng)余量，選用以上I/O 模塊。

2.2.3 從站PLC

CPU224CN。小型PLC，可連接擴展模塊，集成14 DI/10 DO，16K 字節(jié)存儲空間，2 路獨立的20 kHz 高速脈沖輸出(Q0.0 和Q0.1)，可用于控制兩個步進電機［8］。1 個RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。

2.2.4 通訊模塊

EM277。PROFIBUS-DP 從站模塊，可將從站CPU224CN 連接到主站CPU315-2DP，主站可以通過EM277 對從站進行讀/寫數據。多個EM277 通過串行總線相連，主站可訪問多個聯(lián)網的EM277，主站中完成從站地址配置和I/O 配置。

2.2.5 人機界面

SMART700IE。集成以太網接口和RS485 串口，通訊功能強勁。通過Wincc fiexible 進行組態(tài)，用戶可以自由地組合文字、圖形畫面、數字及按鈕等，可對系統(tǒng)中重要的參數進行實時監(jiān)控和顯示，同時通過人機界面對系統(tǒng)進行參數設置，手動狀態(tài)下對系統(tǒng)進行操作。本例中控制柜面板上旋鈕及按鈕包含:系統(tǒng)開關、手自動選擇、急停及復位。其余操作均在該觸摸屏上實現(xiàn)。其顯示界面如圖3所示。

圖3 人機界面顯示界面

2.3 光電傳感器

2.3.1 接近開關

本研究所用SENSOPART IS530 型電感式接近開關利用金屬導體與交變電磁場的相互作用來工作。金屬導體進入傳感器所產生交變電磁場內，金屬內便產生渦流從而吸收能量，減小震蕩幅度。到達一定的程度，傳感器便能感知這一變化從而輸出開關信號，達到非接觸測量工件到達的目的。傳感器輸出為開關信號，接入DI 模塊SM321 中即可。其主要參數如表2所示［9］。

表2 接近開關參數

2.3.2 激光測距傳感器

本研究所用SENSOPART FT80RLA 型激光測距傳感器采用三角測量法進行測量。被測物體的反射、顏色以及紋理(光澤度)對測量精度無影響，因而能檢測出各種不同的材料工作距離，且精度較高。測量信號(電流信號4 mA～20 mA)用屏蔽電纜(RVVP 6 ×0.75)接入AI模塊SM331 中即可。傳感器主要參數如表3所示［10］。

表3 測距傳感器參數

該傳感器的以上特性適合本例工況，加上自制的金屬保護外殼，能保護傳感器免受撞擊破壞或水泥砂漿的附著。

2.4 模塊連接與通訊

CPU315-2DP 作為系統(tǒng)主站，其上擴展的I/O 模塊作為接收系統(tǒng)信息并輸出相應信號以控制生產線上的執(zhí)行機構。8 組CPU224CN 作為從站，通過EM277 與主站通訊，每一個從站控制一個工位上兩臺步進電機、一個震動電機以及一個真空抽水裝置。主站和從站之間通過PROFIBUS 總線網絡進行通訊，CPU315-2DP 處理與其相連的I/O 模塊以及從站的信息。以上模塊及從站與步進電機間的主要連接圖如圖4所示(其余6 組從站及觸摸屏與主站之間的PPI/MPI 映射轉換器未示出)。

圖4 PLC 及主要部件連接圖

2.5 軟件

西門子S7-300 系列PLC 的編程軟件為SMATIC STEP7，主要完成硬件組態(tài)、配置物理地址及通訊端口等。西門子S7-200 系列PLC 的編程軟件為STEP7-Micro/win，主要編制步進電機控制、震動電機控制及真空抽水電機控制程序。觸摸屏Smart700ie 的編程軟件為WinCC flexible，完成觸摸屏畫面制作。

3 外模識別區(qū)功能實現(xiàn)

生產線上的外模需要循環(huán)使用并要求將不同型號的外模自動識別并自動送入相應工位。由電子標簽卡和讀卡器等組成的基于射頻識別技術的識別系統(tǒng)作為一種成熟的技術被應用于諸多領域，本例中如果給每一個外模貼上電子標簽卡，并在識別區(qū)安裝讀卡器，理論上可以很好地解決該問題。然而該生產線工況較為惡劣，且有諸多電機頻繁啟停等造成的電磁干擾，讀卡器系統(tǒng)可靠性因此會降低;且外模在生產轉運過程中難免磕碰，安裝于外模上的電子標簽卡容易受損;此外，該系統(tǒng)需要其他配套硬件和技術，成本較高。經過諸多的考察論證后，一種基于測距傳感器的識別方法被開發(fā)出來并成功應用于該生產線。該法在惡劣的工況能穩(wěn)定運行，且其成本和技術門檻都低于前法，且能直接接入以PLC 為中心的自動控制系統(tǒng)而無需添加其它硬件。其布置原理圖如圖5所示。

外模從右至左沿X 方向被傳送進入識別區(qū)，接近開關檢測到外模后限位裝置升起阻擋其前進，此時軌道兩端的測距傳感器測出相應距離a 和b。檢測完成后限位裝置降下，被識別的外模進入相應工位。在PLC的程序中，每一種外模對應一種距離c，c=3 400－(a +b)。a 和b 的可測范圍皆為250 mm～750 mm，則將a和b 分成300 mm、400 mm、500 mm、600 mm 以及700 mm共5 個測量位，外模上的擋光板依此安裝。因此c 的值為2 800 mm、2 700 mm、2 600 mm 直到2 000 mm 共9 種，這樣便可識別9 種型號的模具(本例中只有7種)。由于外模在傳送鏈上Y 方向的位置偏差所造成的a 和b 值的偏差，對c 值沒有影響。本研究在PLC程序中再對c 值予以修正，則可保證識別的準確性。

圖5 識別區(qū)原理圖

4 結束語

本研究改進了水泥煙氣道產品的成型工藝，在不使用快干水泥的前提下使脫內模時間得以縮短而不影響產品性能;新的模具擺脫了傳統(tǒng)設備的技術束縛，模具能調整以適應多種型號的產品，從而減少了模具的成本投入，也使生產線能同時生產數種型號的產品;PLC 控制系統(tǒng)的開發(fā)使生產線實現(xiàn)了自動化，繁重的人工操作被取代且產品的質量穩(wěn)定性也隨之提高;識別區(qū)利用測距傳感器與PLC 的配合實現(xiàn)了自動識別，提高了識別的可靠性且成本低于成套的射頻識別系統(tǒng)。

研究中亦發(fā)現(xiàn)不足之處:兩個工位仍需人工干預，生產效率有進一步提升的空間。后期效果表明，如果提升生產線規(guī)模對生產效率會有提升，兩條生產線并列布置共用配料系統(tǒng)、液壓站以及氣站能充分發(fā)揮這些配套設施的價值。

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