西門子PLC 模塊化設(shè)計(jì)在鋁錠打碼系統(tǒng)中的應(yīng)用

◎王莉靜

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南三門峽472000）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和信息化的普及，自動(dòng)化控制的智能制造時(shí)代已經(jīng)到來，工業(yè)4.0 對(duì)鋁工業(yè)生產(chǎn)加工領(lǐng)域帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前可編程控制器（通常稱為PLC）是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有配置靈活、處理速度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、多功能模塊化控制，性價(jià)比高等性能，能充分適應(yīng)不同的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，操作簡單，可靠性高，是應(yīng)用最廣泛的控制裝置之一。[1]

鋁錠鑄造機(jī)是用于通過大型混合爐及流槽將熔融電解鋁液鑄造成為規(guī)定重量熔用的普通鋁錠設(shè)備。[2]由鑄造機(jī)生產(chǎn)的鋁錠出廠前要進(jìn)行打標(biāo)記錄生產(chǎn)信息，傳統(tǒng)鋁錠打標(biāo)是由人工操作，記錄整垛鋁錠的參數(shù)信息，包含鋁錠生產(chǎn)廠家、鋁錠重量等內(nèi)容；工作效率低、工作環(huán)境差，且信息收集容易出錯(cuò)，鋁錠的生產(chǎn)信息無法溯源。筆者設(shè)計(jì)的西門子PLC 控制鋁錠打碼系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化打碼。

傳統(tǒng)人工打標(biāo)已經(jīng)非常落后，部分鋁錠生產(chǎn)企業(yè)采用進(jìn)口設(shè)備打碼，設(shè)備昂貴且維護(hù)費(fèi)用較高，增加生產(chǎn)成本；同時(shí)，操作人員技術(shù)水平較低，產(chǎn)品無法適應(yīng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)進(jìn)行低成本的更新；通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸與其他設(shè)備不匹配；這些問題都阻礙了進(jìn)口設(shè)備的廣泛推廣。國內(nèi)的打碼系統(tǒng)較多，但是針對(duì)鋁錠打碼且應(yīng)用QR 碼技術(shù)的寥寥無幾。本文設(shè)計(jì)的基于PLC 的氣動(dòng)馬達(dá)打碼系統(tǒng)具有打碼速度快、脈沖頻率高，精確定位精度高、參數(shù)設(shè)置靈活等特點(diǎn)，在工業(yè)過程控制中使用，可靠性高，便于監(jiān)控和信息反饋。同時(shí)，借助于工業(yè)化信息技術(shù)和QR 碼識(shí)別技術(shù)等先進(jìn)的手段，可以完成打碼數(shù)據(jù)信息的在線傳輸，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合與集成，為智能工廠的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案概述

以記錄整跺鋁錠參數(shù)信息為目標(biāo)，基于TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸作為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套基于PLC 控制的氣動(dòng)馬達(dá)打碼系統(tǒng)，通過硬件連線和軟件編程對(duì)打碼系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)整垛鋁錠行走至打碼工位，收到鋁錠行走的速度信號(hào)、鋁錠位置定位信號(hào)和方向信號(hào)。此刻自動(dòng)打碼系統(tǒng)準(zhǔn)備啟動(dòng)，首先由PLC 給出信號(hào)，電磁閥接收到信號(hào)后，控制氣缸伸出，氣缸帶動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)工作，[2]馬達(dá)前端的氣動(dòng)鋼針在約80 秒時(shí)間內(nèi)，依據(jù)程序的指令進(jìn)行準(zhǔn)確定位移動(dòng)和高頻率脈沖伸縮，完成在線自動(dòng)打碼，并記錄在鋁錠成品上；同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代化工業(yè)需求，將QR 碼及識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在打碼系統(tǒng)中，并將整垛鋁錠信息記錄準(zhǔn)確。然后把數(shù)據(jù)傳輸至倉庫管理中心，完成鋁錠的在線信息存儲(chǔ)和出庫。通過打碼信息的數(shù)據(jù)采集，倉庫管理中心能及時(shí)對(duì)生產(chǎn)情況和出庫數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。這樣節(jié)約了人力成本，創(chuàng)新了打碼技術(shù)和在線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，也大大提高了鋁錠生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

2 系統(tǒng)的硬件模塊組成及特點(diǎn)

從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)來考慮，硬件模塊結(jié)構(gòu)由PLC、氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)、氣動(dòng)打標(biāo)裝置（氣動(dòng)鋼針）和控制柜組成。

2.1 PLC 的選型及特點(diǎn)

PLC 的選擇直接影響打碼系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，所以應(yīng)從機(jī)型的選擇、容量的選擇、I/0 模塊的選擇，電源模塊的選擇等幾方面考慮。在本控制系統(tǒng)中，綜合控制系統(tǒng)對(duì)PLC 的功能要求、使用的I/0 點(diǎn)數(shù)以及現(xiàn)場環(huán)境等因素，選擇了西門子PLC S-200smart，西門子PLC S-200smart 適用于各行各業(yè)的小型自動(dòng)化控制，其功能強(qiáng)大、可靠性高、指令豐富；操作便捷易于掌握、有較強(qiáng)的通訊能力和豐富的擴(kuò)展模塊，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。[1]西門子PLC 本身帶有高速脈沖計(jì)數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出頻率最大為10KHz，能夠滿足氣動(dòng)馬達(dá)打碼的要求。

該打碼系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由西門子PLC S7-200smart 主控，I/O 通信接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，HMI 觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，PLC 程序控制組件完成打碼功能，主要包括位移傳感器、光電接近開關(guān)、氣動(dòng)馬達(dá)、氣缸、氣動(dòng)鋼針和按鈕、指示燈等。

選擇型號(hào)為S7-200smart 本地站，本機(jī)集成24 輸入/16 輸出共40 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)?？蛇B接2個(gè)擴(kuò)展模塊，有RS485 通訊/編程口，具有PPI 通信協(xié)議、MPI 通信協(xié)議和自由方式通訊能力。端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。

2.2 氣缸的選擇

氣缸是將氣源的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出，影響氣缸型號(hào)的參數(shù)主要有氣缸缸徑、氣缸行程、氣缸的安裝形式和緩沖形式等。[2]為實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)氣動(dòng)鋼針按照固定頻率進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，結(jié)合工廠生產(chǎn)實(shí)際，氣缸移動(dòng)距離約為50mm，氣缸選擇為單軸氣缸，亞德客SC 系列標(biāo)準(zhǔn)氣缸SC50x80—S，氣缸由缸體和活塞桿組成，缸體兩端分別由進(jìn)氣口和出氣口。亞德客SC 系列產(chǎn)品免潤滑，帶有固定緩沖，氣缸終端還帶有可調(diào)緩沖，氣缸換向時(shí)平穩(wěn)無沖擊，且耐高溫，可以長時(shí)間工作。當(dāng)壓力氣體從氣缸一端進(jìn)入缸體，就會(huì)迫使活塞運(yùn)動(dòng)，為了確定氣缸內(nèi)活塞是否達(dá)到對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)位置，則在氣缸上安裝2 個(gè)磁性傳感器來檢測不同的位置信息。當(dāng)執(zhí)行元件上的傳感器給PLC 控制器發(fā)出信號(hào)，才能進(jìn)行下一步動(dòng)作。由于氣動(dòng)馬達(dá)要實(shí)現(xiàn)脈沖伸縮，氣缸的伸出時(shí)間必須保證，因此可以用PLC 定時(shí)方式控制氣缸電磁閥的通電時(shí)間。

2.3 氣動(dòng)馬達(dá)的選型

氣動(dòng)馬達(dá)安裝在氣缸伸出軸的前端，氣缸將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出后，從而來控制產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)執(zhí)行元件馬達(dá)。氣動(dòng)馬達(dá)是把壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能的裝置。氣動(dòng)馬達(dá)上裝的鋼針是直接實(shí)現(xiàn)鋁錠在線打碼的物理載體，氣動(dòng)馬達(dá)可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，能夠瞬時(shí)換向，而且在正反向轉(zhuǎn)換時(shí)，沖擊很??；工作安全，不受振動(dòng)、高溫、電磁輻射的影響，有過載保護(hù)作用，具有較高的啟動(dòng)力矩，可以直接帶載荷啟動(dòng)。啟動(dòng)、停止均迅速?？紤]到氣動(dòng)打碼鋼針的打碼位置準(zhǔn)確與否和打碼時(shí)間的長短等因素都會(huì)影響生產(chǎn)效率，所以選擇氣動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行高頻率打碼，是較好的實(shí)施方案。

氣動(dòng)馬達(dá)的選取取決于四大因素：功率、扭矩、轉(zhuǎn)速和耗氣量。綜合考慮生產(chǎn)實(shí)際，氣動(dòng)鋼針需要在80S 內(nèi)實(shí)現(xiàn)鋁錠在線自動(dòng)打碼，因此，選擇葉片式氣動(dòng)馬達(dá)。同時(shí)，安裝一個(gè)二位三通的電磁閥來控制馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向，確保馬達(dá)有壓縮空氣供給和殘留空氣排出。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)方案

鋁錠在線打碼系統(tǒng)自動(dòng)程序流程圖

氣動(dòng)打碼系統(tǒng)中的PLC 用于接收信號(hào)，并通過給電磁閥信號(hào)來發(fā)出執(zhí)行命令。當(dāng)前一工序完成在線計(jì)量稱重并碼垛后，運(yùn)送至打碼工位，檢測裝置檢測到鋁錠垛送至該位置，打碼工位接收到信號(hào)，開始工作。首先，PLC 給出電磁閥動(dòng)作信號(hào)，氣缸開始工作[2-3]，氣缸向鋁錠垛一側(cè)行走50mm，壓緊裝置下行，壓住鋁錠垛，此時(shí)鋁錠靜止不動(dòng)、氣動(dòng)針頭對(duì)準(zhǔn)鋁錠垛最高、最外層一側(cè)，PLC 給出氣動(dòng)馬達(dá)信號(hào)，氣動(dòng)鋼針由氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)開始高頻率振動(dòng)打碼，PLC 自動(dòng)切換至打碼程序，約80S 左右將實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息打碼在鋁錠垛上。（包含單位名稱、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)班次、重量、鋁錠純度、QR 碼等）打碼完成后，信號(hào)返回PLC，數(shù)據(jù)傳輸至倉庫管理中心，倉庫管理中心接收到數(shù)據(jù)信息，完成打碼（見上圖）。打碼工位接收到結(jié)束信號(hào)，PLC 發(fā)出執(zhí)行信號(hào)，壓緊裝置抬起，氣缸縮回到指定位置，開始下一次打碼準(zhǔn)備。[4]

3.2 I/0 地址分配表

在氣動(dòng)打碼系統(tǒng)工作過程中，系統(tǒng)控制對(duì)象為：電磁閥、氣缸伸出軸、氣動(dòng)馬達(dá)、電磁換向閥、氣動(dòng)鋼針。需要檢測的參數(shù)為氣缸伸出的極限位置、氣動(dòng)馬達(dá)脈沖信號(hào)、氣動(dòng)馬達(dá)的打碼位置、打碼信息的QR 碼位置檢測。

根據(jù)在線打碼系統(tǒng)的控制要求，整個(gè)控制系統(tǒng)的輸入點(diǎn)為6 點(diǎn)，輸出點(diǎn)為4 點(diǎn)，I/0 地址分配如下表所示。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

4.1 系統(tǒng)的測試與性能分析

鋁錠打碼系統(tǒng)安裝完畢后，對(duì)PLC 控制程序的運(yùn)行進(jìn)行測試，射頻識(shí)別設(shè)備靈敏、可以準(zhǔn)確控制氣缸和氣動(dòng)馬達(dá)的動(dòng)作、準(zhǔn)確定位；打碼鋼針的動(dòng)作精準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的打碼效果，通過打碼記錄在鋁錠上的產(chǎn)品信息尺寸約60×40mm，打印時(shí)間在預(yù)定的80S 內(nèi)，精確度較高，打碼系統(tǒng)的設(shè)備安裝合理。

4.2 企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)例

通過對(duì)硬件安裝測試和PLC 控制程序調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了氣缸和氣動(dòng)馬達(dá)的準(zhǔn)確定位；打碼鋼針的精準(zhǔn)動(dòng)作，在鋁錠上記錄了尺寸約60×40mm 的產(chǎn)品信息。

該氣動(dòng)在線打碼系統(tǒng)已經(jīng)在某鋁錠制造企業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用，與上一工序碼垛裝置能很好地協(xié)調(diào)工作。經(jīng)過試生產(chǎn)和實(shí)踐，證明該裝置適應(yīng)能力強(qiáng)、體積小、安裝方便靈活，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)符合鋁錠行業(yè)生產(chǎn)需求。同時(shí)可在控制柜上模擬現(xiàn)實(shí)打碼效果，可直接在屏幕上進(jìn)行觀察。工作適應(yīng)性強(qiáng)，能夠連續(xù)工作24 小時(shí)以上。打碼系統(tǒng)能夠提供造字程序、自動(dòng)記憶打碼數(shù)據(jù)及自動(dòng)記憶設(shè)定的打碼狀態(tài)、流水號(hào)數(shù)等。同時(shí)，鋁錠打碼完成后，可將打碼信息傳輸至倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)，便于追溯打碼信息。該設(shè)備單套售價(jià)6 萬—8 萬；每月節(jié)省4 人工資，約2 萬，每年可節(jié)省人力成本投入24 萬。

4.3 打碼系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，打碼精度和穩(wěn)定性增強(qiáng)，打碼速度快，提高了作業(yè)有效時(shí)間，生產(chǎn)效率高，經(jīng)濟(jì)效益高；降低了人工打碼的打印大錘、針頭和印盒等耗材的使用；改善了打碼現(xiàn)場作業(yè)的惡劣環(huán)境，不易引發(fā)安全事故，夏天高溫生產(chǎn)不易出現(xiàn)中暑現(xiàn)象，避免了人工打碼過程中，大錘（或錘頭）飛出傷人；提升了打碼質(zhì)量，避免了錯(cuò)打、漏打和打碼不清楚等情況，減少了因?yàn)槿斯ご虼a錯(cuò)誤產(chǎn)生的廢品而給企業(yè)造成很大的損失；應(yīng)用了QR 碼及識(shí)別技術(shù)，與信息技術(shù)緊密結(jié)合，也實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化，并加快和推進(jìn)了智能工廠的建設(shè)；將物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同交互，及時(shí)借助數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將采集的打碼信息進(jìn)行記錄和傳輸。大大節(jié)省了人力和物力，充分體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)的信息化、集約化優(yōu)勢[5-6]。

輸入/輸出端口分配表

5 結(jié)語

介紹了氣動(dòng)馬達(dá)在鋁錠在線自動(dòng)打碼系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，通過PLC 來控制氣缸和氣動(dòng)馬達(dá)，從而帶動(dòng)氣動(dòng)鋼針高頻率振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化智能工廠的打碼技術(shù)和在線傳輸技術(shù)，應(yīng)用前景良好。該氣動(dòng)打碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，可以解決小型鋁錠加工行業(yè)打碼的技術(shù)難題，提高了鋁錠生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，又能節(jié)約人力成本和經(jīng)濟(jì)成本，加快了企業(yè)的發(fā)展速度，具有明顯的社會(huì)效益。同時(shí)對(duì)其他鋁加工行業(yè)自動(dòng)打碼系統(tǒng)的改進(jìn)和提高具有十分積極的意義。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)效益較高，非常容易推廣使用。