西門子自動(dòng)控制技術(shù)在礦棉制品碼垛及包裝中的運(yùn)用

賴 敏，張 浩

（1.文山學(xué)院 人文學(xué)院，云南 文山 663099；2.云南文山鋁業(yè)有限公司，云南 文山 663099）

礦棉是以冶金所產(chǎn)生的尾礦經(jīng)高溫融化、纖維化而制成的無機(jī)纖維，具有優(yōu)良的隔熱保溫、降噪等特性，在民用建筑及工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，并因它的綠色循環(huán)特質(zhì)得到國家的大力推廣[1]。因此國內(nèi)依附冶金企業(yè)的礦棉生產(chǎn)線如雨后春筍般不斷出現(xiàn)，生產(chǎn)線規(guī)模越來越大，生產(chǎn)設(shè)備也由國外進(jìn)口發(fā)展為以國產(chǎn)設(shè)備為主。在國內(nèi)目前的生產(chǎn)線中，碼垛、包裝設(shè)備與生產(chǎn)線設(shè)備多為不同生產(chǎn)廠家，兩套設(shè)備控制系統(tǒng)不能相互呼應(yīng)，造成兩套設(shè)備接口部分控制效果不理想，產(chǎn)出大量廢棄品，并且故障率較高，降低了生產(chǎn)效率。部分廠家為減少廢棄品，采用人工碼垛再送入包裝機(jī)的方式進(jìn)行生產(chǎn)，大大增加了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，包裝機(jī)溫度控制不穩(wěn)定，導(dǎo)致塑封包裝效果不穩(wěn)定，造成產(chǎn)品外包裝存在瑕疵，影響企業(yè)形象。本文以此為背景設(shè)計(jì)了一套基于可編輯邏輯控制器（PLC）和人機(jī)接口（HMI）的自動(dòng)碼垛包裝控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可匹配各類生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度，將礦棉板碼垛整齊，平穩(wěn)地送入包裝系統(tǒng)。

1 自動(dòng)碼垛包裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案

礦棉板的生產(chǎn)工藝流程為：冶金尾礦送入爐體進(jìn)行熔煉，滿足溫度后吹制成纖維，然后加入適量粘合劑，升溫固化成型，再按尺寸進(jìn)行切割。切割后的礦棉板通常為單層兩塊并排輸送，經(jīng)過碼垛機(jī)后成為單排多層送入熱縮包裝系統(tǒng)打包完成生產(chǎn)步驟。由此可見，碼垛部分的作用是將單層的礦棉板快速進(jìn)行多層碼垛，并經(jīng)輸送設(shè)備送入包裝機(jī)。自動(dòng)碼垛除實(shí)現(xiàn)以上功能外還要與礦棉生產(chǎn)線的速度匹配并保證碼垛整齊，同時(shí)對(duì)不同規(guī)格尺寸產(chǎn)品的堆垛層數(shù)還要方便可調(diào)[2]。

本文采用云南建水錳礦有限責(zé)任公司新材料公司年產(chǎn)2萬t巖棉生產(chǎn)線為應(yīng)用背景進(jìn)行論述，該部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為碼垛和傳輸兩個(gè)部分。碼垛部分由機(jī)架、接棉叉構(gòu)成。機(jī)架上部分安裝活動(dòng)導(dǎo)軌和氣缸，用于控制接棉叉的來回動(dòng)作。機(jī)架下部分安裝活動(dòng)導(dǎo)軌和鏈條傳動(dòng)電機(jī)，用于接棉叉的上下動(dòng)作。接棉叉先于上部接到前道工序傳送來的巖棉板，然后依據(jù)參數(shù)中設(shè)定的巖棉厚度參數(shù)下降設(shè)定距離，每堆放一層，叉子下降一次，直至設(shè)定層數(shù)（碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1）。達(dá)到設(shè)定層數(shù)后由傳送系統(tǒng)將多層巖棉板送入熱縮塑封機(jī)。塑封機(jī)的溫度應(yīng)可靈活調(diào)整，并穩(wěn)定控制所需溫度，以達(dá)到較好的包裝效果和能源節(jié)約。

圖1 碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 工藝控制難點(diǎn)及解決方案

由于巖棉板質(zhì)地較為松軟，且表面較為粗糙，板與板之間的摩擦力很大，使得如何保證整齊的碼垛效果成為現(xiàn)今生產(chǎn)中需要解決的難題。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，問題主要出在棉板經(jīng)輸送帶上叉和叉子下降后接住下一塊板這一環(huán)節(jié)。輸送沖力太小棉板可能無法全部上叉，沖力太大又可能沖過希望它停止的位置。而在叉子下降這一環(huán)節(jié)，現(xiàn)在多采用伺服電機(jī)來控制叉子下降的距離，經(jīng)驗(yàn)證此方法并不能穩(wěn)定精確地控制叉子的行程。降得少可導(dǎo)致后一塊板被前一塊板擋住而無法順利將巖棉板送上叉，降得多又導(dǎo)致巖棉板上到叉子前還有一個(gè)跌落過程，極易導(dǎo)致巖棉板碼垛不齊。針對(duì)以上問題設(shè)計(jì)如下解決方案：（1）在叉子伸出前部的機(jī)架上加裝擋板，適當(dāng)增加上叉前端皮帶的輸送速度，讓棉板沖到擋板后落到指定的區(qū)域；（2）以編碼器替代伺服電機(jī)控制器來控制叉子上下行程的距離，保證叉子每次下降的運(yùn)行距離穩(wěn)定；（3）叉子上的巖棉板到達(dá)設(shè)定數(shù)量后以氣缸控制平臺(tái)上抬前送入包裝機(jī)的方式替代現(xiàn)有的輸送輥加速前送入包裝機(jī)的運(yùn)送方式，保證碼垛好的巖棉板不會(huì)在送入到包裝機(jī)這段運(yùn)送過程中發(fā)生傾倒和顛簸等情況；（4）以PLC來控制包裝機(jī)的加溫及穩(wěn)定溫度。

3 控制方式

3.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

礦棉的自動(dòng)碼垛包裝屬于礦棉生產(chǎn)系統(tǒng)中的兩個(gè)組成部分，可以單獨(dú)控制，也可以接入整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。根據(jù)控制工藝及控制流程的需要，系統(tǒng)需要做到礦以下控制要求：（1）系統(tǒng)可根據(jù)前端生產(chǎn)線速度調(diào)整當(dāng)下輸送速度，使得該部分輸送速度與前部生產(chǎn)線速度一致；（2）從現(xiàn)場(chǎng)控制角度上講，需要做到棉板位置檢測(cè)、執(zhí)行器件順序控制；（3）從數(shù)據(jù)處理角度上講，碼垛系統(tǒng)需要完成參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)運(yùn)算、實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、錯(cuò)誤監(jiān)控及報(bào)錯(cuò)等功能。通過PROFIBUS-DP與生產(chǎn)線主站進(jìn)行連接，讓主站也可檢查該部分的運(yùn)行情況，并將系統(tǒng)急停由主站整體控制，保證整條生產(chǎn)線的安全性。

3.2 碼垛控制理念及流程

該生產(chǎn)線為雙并排礦棉板設(shè)計(jì)，堆垛控制流程如下：

設(shè)備啟動(dòng)→輸送帶啟動(dòng)、叉子伸出→礦棉板通過輸送帶進(jìn)入叉子→叉子縮回→棉板落入抬棉平臺(tái)→抬棉平臺(tái)下降設(shè)定高度（棉板厚度，通常為60 mm）→抬棉平臺(tái)的礦棉板達(dá)到指定塊數(shù)（可設(shè)定，通常總高度不超過400 mm）→平臺(tái)下降到最低位→平臺(tái)側(cè)部氣缸動(dòng)作帶動(dòng)推礦棉板將棉板送入前端輸送滾輪→棉板通過輸送輥與平臺(tái)分離，平臺(tái)上升到初始位置，為下一輪接棉做好準(zhǔn)備→棉板向前輸送通過塑封區(qū)→塑封區(qū)光電開關(guān)感應(yīng)到棉板后停止輸送輥，同時(shí)驅(qū)動(dòng)塑封閘刀動(dòng)作切斷塑封膜并完成包裝封口→塑封閘刀上升到位，感應(yīng)開關(guān)驅(qū)動(dòng)輸送輥再次動(dòng)作→套著松散塑封膜的棉板進(jìn)入包裝機(jī)（設(shè)定溫度150～170 ℃）→包裝完成。

3.3 控制系統(tǒng)硬件配置

碼垛及包裝分別采用西門子S7-200 CPU224CN作為系統(tǒng)的兩個(gè)從站，西門子Smart700IE V3作為HMI監(jiān)控部分，并采用ABB變頻器作為傳送系統(tǒng)的變頻控制。本系統(tǒng)采用EM277通訊模塊作為DP從站來進(jìn)行S7-200PLC與主站的通訊，并擴(kuò)展EM231和EM232進(jìn)模擬量輸入輸出的控制。采用光電開關(guān)監(jiān)測(cè)是否有棉板輸送到叉子上，如果光電開關(guān)接收到信號(hào)則結(jié)合編碼器控制接棉叉下降到設(shè)定的棉板厚度，為接住下一塊棉板做好準(zhǔn)備。通過PLC控制變頻器的運(yùn)行頻率，達(dá)到使下段傳送帶頻率與前端生產(chǎn)線速度相匹配的運(yùn)行效果。采用K型熱電偶監(jiān)控包裝機(jī)的烘烤溫度，并結(jié)合溫度繼電器對(duì)加熱管進(jìn)行控制（硬件結(jié)構(gòu)見圖2）。

圖2 硬件組成

3.4 軟件設(shè)計(jì)

采用西門子STEP7-MICRO/WIN軟件對(duì)S7-200進(jìn)行編程。系統(tǒng)可分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，手動(dòng)模式可以對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)部件進(jìn)行單獨(dú)操作，自動(dòng)模式可根據(jù)程序邏輯對(duì)各個(gè)組成部件進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制[3]。同時(shí)，用戶可使用HMI輸入如“棉板厚度”、“堆疊層數(shù)”和“包裝機(jī)溫度”等工藝參數(shù)，在自動(dòng)模式下PLC可根據(jù)設(shè)定參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，并將監(jiān)測(cè)到的情況實(shí)時(shí)反饋（控制系統(tǒng)流程圖見圖3）。

圖3 控制流程圖

監(jiān)控操作畫面的設(shè)計(jì)使用西門子HMI組態(tài)軟件WINCC FLEXIBLE 2008。該軟件專為西門子觸摸屏所設(shè)計(jì)，集操作、監(jiān)控、報(bào)警功能為一身，可交換地滿足工業(yè)控制領(lǐng)域的相關(guān)需要。

3.5 I/O點(diǎn)分配

根據(jù)控制流程的設(shè)計(jì)，結(jié)合PLC硬件的地址容量，擴(kuò)展合適的開關(guān)量模塊及模擬量模塊，分配地址時(shí)注意地址的系統(tǒng)性分組，便于PLC與組態(tài)軟件結(jié)合時(shí)的便捷性。在模擬量定義地址時(shí)需要考慮地址的數(shù)據(jù)類型，如：實(shí)數(shù)性還是整形，避免因數(shù)據(jù)選擇的錯(cuò)誤造成組態(tài)軟件顯示輸出錯(cuò)誤。

控制程序編寫時(shí)應(yīng)充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性和局限性[4]，要充分運(yùn)用光電開關(guān)、感應(yīng)開關(guān)等元器件功能幫助操作員對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控，也要發(fā)揮這些元器件的功能保護(hù)設(shè)備不會(huì)因人為誤操作受到損傷，如：感應(yīng)接棉叉伸到位和縮到位的感應(yīng)開關(guān)，同時(shí)也要考慮到設(shè)備調(diào)試或檢修時(shí)需要單機(jī)啟停設(shè)備。

在程序設(shè)計(jì)合理性方面也應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)，流程前端設(shè)備狀態(tài)如不滿足控制工藝的需要?jiǎng)t需暫停后部流程的繼續(xù)動(dòng)作，以免產(chǎn)品進(jìn)入不滿足工藝要求的部分造成產(chǎn)品的瑕疵，如：可設(shè)定包裝區(qū)溫度是否達(dá)到設(shè)定值作為前端輸送輥是否運(yùn)行的條件（見圖4）。

圖4 設(shè)置后端是否運(yùn)行的條件

3.6 HMI組態(tài)畫面

組態(tài)畫面的建立是通過軟件將生產(chǎn)線的工藝流程直觀地反映在控制畫面之中，讓操作員及檢修人員能直觀地操作和了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在組態(tài)畫面時(shí)既要保證畫面的美觀，又要簡(jiǎn)潔地表現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程，在特定的設(shè)備顯示上應(yīng)將顏色變換、閃爍、指示燈開閉等功能寫入程序（碼垛機(jī)手動(dòng)控制界面見圖5）。同時(shí)，在變量連接時(shí)必須保證變量連接的正確，否則將造成畫面顯示數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)無法顯示。

圖5 碼垛機(jī)手動(dòng)控制界面

圖6 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置畫面

畫面輸入輸出域的選擇也應(yīng)正確應(yīng)對(duì)，在必要的數(shù)據(jù)上采用輸入域，如果輸入輸出域使用混亂或錯(cuò)誤，也可能造成將錯(cuò)誤或非法的數(shù)據(jù)輸入PLC程序之中，造成PLC程序的混亂，導(dǎo)致生產(chǎn)無法順利進(jìn)行。如：“參數(shù)設(shè)置”畫面中的數(shù)據(jù)都可采用輸入輸出域（見圖6），而“包裝機(jī)運(yùn)行畫面”中的“已包裝數(shù)量”數(shù)據(jù)區(qū)則只能采用輸出域，保證該數(shù)據(jù)不會(huì)因人為操作失誤而被輸入PLC。

3.7 通訊設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的通訊。在主站中組態(tài)EM277為系統(tǒng)從站，從而將S7-200PLC連接到生產(chǎn)線主站PLC[5]。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)通過DP接口將生產(chǎn)中的各類信息和指令上傳下達(dá)，使該部分與生產(chǎn)線的所有部分組成一個(gè)有機(jī)的整體，為生產(chǎn)服務(wù)。

傳送系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)采集生產(chǎn)線的運(yùn)行速度，根據(jù)需要將該速度轉(zhuǎn)化為各個(gè)變頻器的相應(yīng)頻率，通過模擬量輸出模塊將各個(gè)頻率發(fā)送給各變頻器，使之與整個(gè)生產(chǎn)線協(xié)調(diào)動(dòng)作（見圖7）：

圖7 傳送系統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)換

4 結(jié)束語

基于西門子PLC和HMI的控制系統(tǒng)，并通過PROFIBUS-DP與生產(chǎn)線前端設(shè)備聯(lián)為一體，解決了碼垛不整齊、碼垛過程中對(duì)礦棉板造成破壞、包裝機(jī)溫度控制不理想等存在的問題。通過現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試及試運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行，滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要。