無線通訊在金屬輸送管熱處理生產(chǎn)線中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

左光群

（三一重工股份有限公司長沙研究院，湖南 長沙 410101）

輸送泵是一種在大型橋梁、高層建筑及隧道工地等混凝土工程中廣泛應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備。在正常工作時(shí)，其關(guān)鍵部件金屬輸送管內(nèi)的混凝土均在高強(qiáng)壓力下流動(dòng)，管道內(nèi)壁磨損嚴(yán)重，極大降低了金屬輸送管的使用壽命，增大了爆管機(jī)率。為了增大金屬輸送管的耐磨性，工程機(jī)械廠家在金屬輸送管制造完成后，會(huì)將金屬輸送管進(jìn)行加熱、淬火工藝處理，以增強(qiáng)內(nèi)管的耐磨性能。

鑒于產(chǎn)品對(duì)輸送管的大量需求，公司自主研制開發(fā)了一條自動(dòng)化混凝土金屬輸送管熱處理生產(chǎn)線。為了節(jié)約廠房的布置空間，將加熱爐與回火爐平列布置，淬火機(jī)的輸送方式則采用旋轉(zhuǎn)，其設(shè)備上安裝有電動(dòng)機(jī)、光電開關(guān)等多種電氣元件，如果采用有線方式傳遞數(shù)據(jù)，鋪線工作量大、成本高，與主控連接的線路無法解決纏繞問題。

在工作中這種情況常用的方法是采用導(dǎo)電環(huán)，但導(dǎo)電環(huán)如果線路較多，相應(yīng)成本也會(huì)大幅提升，且淬火機(jī)的工作環(huán)境長期處于“冰火兩重天”的工況，極易出現(xiàn)接觸不良、線路損壞等故障。為了解決存在的上述問題，本系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC直接控制淬火機(jī)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)所有淬火機(jī)動(dòng)作的獨(dú)立控制。淬火機(jī)用PLC則通過無線以太網(wǎng)與生產(chǎn)線主控系統(tǒng)S7-300 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的互傳，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線各部件的協(xié)調(diào)控制。

1 生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)與工藝過程

整條生產(chǎn)線長約300米，生產(chǎn)線的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由上料系統(tǒng)1、加熱爐2、淬火機(jī)3、回火爐4及下料系統(tǒng)5等組成。其中輸送管的加熱和保溫處理在加熱爐2中完成，當(dāng)溫度達(dá)到工藝要求后，系統(tǒng)會(huì)將金屬輸送管迅速送至淬火機(jī)1完成淬火處理，待淬火完畢，每個(gè)工位的金屬輸送管會(huì)按序依次送至回火爐4中進(jìn)行回火，然后送至下料系統(tǒng)5中完成下料。

圖1 生產(chǎn)線整體結(jié)構(gòu)圖

整條生產(chǎn)線用電設(shè)備布置較為分散，但除淬火機(jī)外其它的電器元件設(shè)備均為固定位置安裝，可方便將各處設(shè)備信息通過線纜接入S7-300 PLC主控系統(tǒng)，實(shí)行集中控制。但淬火機(jī)上的電器元件則跟隨淬火機(jī)旋轉(zhuǎn)，各電器元件連接如采用電線送至生產(chǎn)線主控系統(tǒng)則會(huì)造成纏繞，所以無法將淬火機(jī)電器元件信號(hào)送至生產(chǎn)線的主控系統(tǒng)。

為了解決淬火機(jī)線纜的纏繞問題，且淬火機(jī)上電器元件相對(duì)較少，需要IO點(diǎn)不多。所以淬火機(jī)的控制設(shè)計(jì)采用單獨(dú)的S7-200 PLC，必用的電源及其它重要導(dǎo)線則通過導(dǎo)電環(huán)接入系統(tǒng)。但為了減少線路故障，保證淬火機(jī)與整條生產(chǎn)線聯(lián)合作業(yè)的實(shí)時(shí)性與可靠性，淬火機(jī)上的其它信號(hào)則通過S7-200 PLC無線通訊模塊與生產(chǎn)線主控系統(tǒng)的S7-300 PLC進(jìn)行通訊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備控制系統(tǒng)采用德國西門子系列PLC，熱處理生產(chǎn)線主控系統(tǒng)選用S7-300 PLC ，這是一款中型的通用型PLC，它適合于自動(dòng)化工程中各種應(yīng)有場(chǎng)合，不僅循環(huán)周期短、處理速度快、指令集功能強(qiáng)大，而且可以用于各種較復(fù)雜的控制功能。在本系統(tǒng)中它主要用于控制上、下料電機(jī)的變頻調(diào)速，控制懸掛鏈的正反向運(yùn)行及行走速度，控制風(fēng)機(jī)的快慢調(diào)節(jié)。

淬火機(jī)采用西門子S7-200 PLC對(duì)淬火機(jī)動(dòng)作進(jìn)行單獨(dú)控制，S7-200 PLC是一種經(jīng)濟(jì)型PLC，它設(shè)計(jì)緊湊,CPU就集成了輸入輸出，運(yùn)行速度快，具有實(shí)時(shí)處理能力，在淬火機(jī)控制系統(tǒng)中主要需完成對(duì)光電開關(guān)的檢測(cè)及水閥、電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

在本系統(tǒng)中，為了保證兩套系統(tǒng)之間通訊的及時(shí)性與有效性，提高全廠的自動(dòng)化水平，通訊網(wǎng)絡(luò)配置主要是由Profibus-DP網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)（INDUSTRIAL ETHERNET）組成兩層通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，Profibus-DP網(wǎng)則主要是完成PLC設(shè)備和遠(yuǎn)程I/O裝置之間的數(shù)據(jù)、信息通訊功能；而工業(yè)以太網(wǎng)則主要完成工控機(jī)及兩套PLC之間的數(shù)據(jù)、通訊功能，淬火機(jī)工作時(shí)時(shí)刻在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，直接連接通訊線至主控室實(shí)施起來困難，最合方案則是通過無線通訊技術(shù)完成淬火機(jī)S7-200 PLC與生產(chǎn)線主控系統(tǒng)PLC的通訊，完成時(shí)實(shí)數(shù)據(jù)的交換。具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

表1 電氣元件配置

由于西門子CPU是不帶無線通訊的，要保證數(shù)據(jù)發(fā)送、接收過程的實(shí)時(shí)性和可靠性，系統(tǒng)必須要加通信擴(kuò)展模塊或者無線路由器，我們對(duì)比了市場(chǎng)各項(xiàng)無線產(chǎn)品，同時(shí)結(jié)合車間干擾及距離的問題，選用了西門子成熟無線局域網(wǎng)的解決方案：SCALANCE W788-1PRO與SCALANCE W744-1PRO實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊的無線傳輸，將788作為接入點(diǎn)，744作為客戶端。

確定好無線局域網(wǎng)的元件后，在調(diào)試電腦上安裝無線搜索軟件-PST軟件，根據(jù)調(diào)試說明書按步驟完成無線SCALANCE W788-1PRO與SCALANCE W744-1PRO參數(shù)的設(shè)置，分別設(shè)置好各自的IP地址，建立工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)。整條金屬輸送管熱處理線的主要兩個(gè)CPU及無線通訊模塊等電氣元件配置見表1（不含生產(chǎn)線其它部件）。

3 系統(tǒng)軟件的編寫

為了實(shí)現(xiàn)整條熱處理生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制，需要生產(chǎn)線上的各部件：上、下料機(jī)構(gòu)、加熱裝置、風(fēng)機(jī)、淬火機(jī)等部件協(xié)同動(dòng)作，S7-300 PLC程序完成各部件的手、自動(dòng)控制，而S7-200 PLC程序負(fù)責(zé)完成淬火機(jī)的各動(dòng)作控制，但要完成協(xié)調(diào)動(dòng)作，需S7-200與S7-300兩個(gè)獨(dú)立PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，本部份主要闡述通訊的軟件實(shí)現(xiàn)方法。

3.1 S7-200與S7-300間通訊的設(shè)置

由于S7-200 PLC本身不具備以太網(wǎng)通訊能力，故需增加一個(gè)通訊模塊CP 243-1(型號(hào)：6GK7 243-1EX01-0XE0)。S7-200與S7-300之間的通訊程序主要在S7-200內(nèi)部完成，不需對(duì)S7-300進(jìn)行編程，只需留部份地址空間給系統(tǒng)則可以，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)賦值給該區(qū)間的地址，PLC則可根據(jù)值的變化實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線淬火過程的自動(dòng)控制，在操作的過程中有幾個(gè)關(guān)鍵步驟如下。

（1）設(shè)置S7-200、S7-300 PLC的IP地址

S7-200 PLC需要借助以太網(wǎng)通訊模塊CP 243-1與S7-300 PLC組網(wǎng)。在編程過程中需要在在工具菜單中選用以太網(wǎng)向?qū)нM(jìn)行通訊配置，對(duì)S7-200PLC的IP地址與子網(wǎng)掩碼進(jìn)行設(shè)定，這個(gè)IP地址必須應(yīng)該是唯一的，在以太網(wǎng)設(shè)備中不能與其它通訊設(shè)備同號(hào)，否則會(huì)造成通訊故障，具體設(shè)置提示操作如下圖3。

圖3 S7-200的IP地址及子網(wǎng)掩碼設(shè)置

完成S7-200 PLC的IP地址設(shè)置后，根據(jù)以太網(wǎng)向?qū)?，需要配置控制系統(tǒng)中需與之通訊的遠(yuǎn)程S7-300 PLC的IP地址。即在淬火機(jī)的控制器中，系統(tǒng)將本地PLC（S7-200）設(shè)置為客戶機(jī)，將遠(yuǎn)程主控PLC（S7-300）設(shè)置為服務(wù)器，遠(yuǎn)程屬性TSAP（Transport Service Access Point）為03.02，再輸入遠(yuǎn)程S7-300的IP地址（192.168.0.3）。

（2）定義數(shù)據(jù)交換地址

完成S7-200與S7-300的IP地址設(shè)置后，系統(tǒng)還需指定該通訊交互的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，即點(diǎn)擊圖4中的數(shù)據(jù)傳輸按鈕進(jìn)入雙PLC數(shù)據(jù)交換定義界面如圖4所示，S7-200可從遠(yuǎn)程S7-300 PLC中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，系統(tǒng)只需填寫數(shù)據(jù)通訊的字節(jié)個(gè)數(shù)，填寫發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)和接收數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址，本圖4中則表示從S7-300 PLC的MB1000開始讀取10個(gè)字節(jié)到本地PLC VB0開始的10個(gè)字節(jié)的區(qū)域中。此處可根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)際儲(chǔ)存長度需求進(jìn)行配置讀取數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)。

圖4 定義數(shù)據(jù)交換地址

（3）程序調(diào)用ETHx-CTRL和ETH0-XFR

按系統(tǒng)提示完成以太網(wǎng)配置后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在程序中生成ETHx-CTRL和ETH0-XFR兩個(gè)功能塊，程序可直接調(diào)用功能塊（如圖5所示），完成S7-200 PLC程序的編寫并下載后，程序則可正常與S7-300 PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程無線通訊，系統(tǒng)則能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程生產(chǎn)線主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的讀寫。

圖5 PLC 程序調(diào)用

3.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)選用的是一臺(tái)研華工業(yè)用計(jì)算機(jī)，安裝在監(jiān)控室內(nèi)，方便操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。組態(tài)軟件采用亞控科技的組態(tài)王，此軟件可遠(yuǎn)程進(jìn)行生產(chǎn)線的過程控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行信息。

淬火機(jī)作為整條生產(chǎn)線的子設(shè)備，淬火界面只是一個(gè)子界面顯示程序（如圖6所示），該界面可實(shí)時(shí)監(jiān)控S7-200 PLC與S7-300 PLC的通訊狀態(tài)，如出現(xiàn)異常，該界面會(huì)出現(xiàn)故障提示。

S7-200 PLC會(huì)實(shí)時(shí)將各工位工作狀態(tài)信息、噴水閥等信號(hào)經(jīng)無線通訊發(fā)送給S7-300主控PLC，同時(shí)S7-300PLC也會(huì)實(shí)時(shí)將操作人員在淬火界面設(shè)置的淬火時(shí)間長短、手動(dòng)操作各淬火工位的動(dòng)作等信號(hào)能過無線通訊送至淬火機(jī)的S7-200 PLC。從而實(shí)現(xiàn)雙PLC的實(shí)時(shí)讀寫操作。

圖6 淬火機(jī)監(jiān)控界面

在本界面查詢到10個(gè)淬火工位的淬火、噴水的動(dòng)作，查詢當(dāng)前淬火水壓是否符合工藝要求。

也可在該界面完成手動(dòng)優(yōu)先操作，在淬火過程中如出現(xiàn)異常現(xiàn)象，可隨時(shí)將操作轉(zhuǎn)換至手動(dòng)操作，以保證生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，不影響后續(xù)生產(chǎn)節(jié)奏，待故障處理完成后，再將系統(tǒng)切換至自動(dòng)狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文主要介紹了金屬輸送管熱處理生產(chǎn)線中旋轉(zhuǎn)淬火機(jī)與生產(chǎn)線主控系統(tǒng)通過無線通訊建立數(shù)據(jù)通訊的軟、硬件實(shí)現(xiàn)過程。

無線通訊模塊的成功應(yīng)用則很好的解決了旋轉(zhuǎn)淬火機(jī)與生產(chǎn)線主控系統(tǒng)的多信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞問題，而且抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)方便，為生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制提供了很好的技術(shù)保障。目前，該項(xiàng)目已投入批量生產(chǎn)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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