基于WINCC的涂料灌裝生產線控制系統設計*

王卓君，閆 文，史蔚彪

（三江學院，南京 210001）

0 引言

涂料行業(yè)近年來發(fā)展較為快速，涂料作為化工液體產業(yè)，屬于易燃易爆的介質，很難實現對生產過程的人工操作。企業(yè)急需在罐裝環(huán)節(jié)提高自動化水平，以改善在市場中的競爭能力。

PLC 是一種多類型、小型化的自動控制技術開發(fā)的新一代工業(yè)全新控制化裝置，采用數字運算、執(zhí)行控制邏輯、算數運行操作將計數結果通過數字量或者模擬量送入輸入/輸出通道，對各種開關按鈕、傳感器、現場等的信號進行采集，再通過功能模塊控制各種工業(yè)化的實際生產過程。WINCC組態(tài)軟件是在計算機上在使用人員對操作系統的監(jiān)控與調試下，將運行畫面與實際生產要求進行人機界面的創(chuàng)立，通過實際操作系統的集成，采用接口通訊方式將WINCC組態(tài)軟件和編程開發(fā)軟件相結合進行使用。

在設計涂料染料控制系統的硬件組成方案的基礎上，采用西門子組態(tài)軟件WINCC V7.3 和Step7 V5.5 編程軟件，可實現對涂料染料自動化罐裝系統的過程控制及上位機監(jiān)控畫面的顯示和過程的仿真。在自動化控制方面，可以大大減輕工人們的勞動強度，提高實時生產的安全性。

1 涂料罐裝生產線的結構

涂料罐裝生產線的結構如圖1所示，具體如下。

（1）輸送工位。生產線的初始工位，完成空瓶從輸送帶移至傳送帶的操作。依靠電機帶動輸送帶，移動空瓶，將其帶至輸送帶末端；在末尾，由傳感器檢測控制氣缸將瓶子推至傳送帶上。

（2）灌裝工位。罐裝的核心部分。通過傳感器感應空瓶是否移至工位罐裝口下方，傳感器檢測到信號后，PLC 停止輸送，打開罐裝頭，完成灌裝，輸送線再次啟動。在系統運行過程中，PLC 監(jiān)控涂料罐的液位，到下限后，補料閥打開進行補料。

（3）套蓋工位。在瓶子到來之前，就要把瓶蓋事先取好。使用傳感器先確定瓶蓋位置，待取蓋電機移動至瓶蓋上方時進行取蓋；其次，取完后回到即將套蓋工位上方，等瓶子到達此工位時，通過傳感器檢測瓶子，控制傳動帶停；最后，由控制套蓋電機升降的氣缸，配合電機旋轉完成套蓋動作。

（3）成品下線工位。由傳感器感應配合PLC 里計數器完成計數操作，再由夾緊氣缸完成夾緊動作。升降電機正轉，驅動卸貨平臺上升，到位后，涂料瓶被氣缸推出，升降電機反轉，卸貨平臺下降完成卸貨[1]。

圖1 灌裝生產線結構圖

2 灌裝系統控制硬件組態(tài)方案

2.1 控制器的組態(tài)

自動灌裝生產線控制系統由WINCC上位機監(jiān)控，上位機和主站之間通過MPI網絡通信[2]。從站由下罐機運輸、傳送帶檢測、灌裝和旋蓋工位檢測、成品滿瓶計數檢測、模擬量補料供料功能5個分站點控制器組成。其中灌裝生產線主站采用CP5611 通訊卡建立與上位機和從站的通訊，采用西門子300系列新標準型CPU314PLC，通過添加信號模塊實現本站功能。供料檢測站添加了模擬量輸入輸出擴展模塊SM334。圖2所示為灌裝系統上位機結構框圖。

圖2 灌裝系統上位機結構框圖

2.2 PLC輸入輸出設備的組態(tài)及I/O配置

PLC控制系統的硬件設備配置如表1所示。

表1 自動罐裝系統硬件配置

3 灌裝系統PLC程序設計

3.1 輸入輸出設備端口分配

罐裝系統輸入輸出設備端口分配如表2所示。

表2 灌裝系統I/O分配表

3.2 灌裝系統流程圖

涂料染料自動灌裝流水線的運行流程如圖3 所示。通過下罐機對涂料瓶輸送到流水線上，涂料瓶輸送到運輸帶后，運輸帶上的光電傳感器檢測到瓶子的信號，從而驅動電機對運輸帶向前運輸；涂料瓶隨著運輸帶向前運輸，當涂料瓶運輸到涂料灌裝工位上時，灌裝工位的涂料瓶使光電傳感器檢測到輸入信號，傳輸帶的電機停止運行工作，灌裝頭限位傳感器1 接通后開始對涂料瓶進行灌裝；當涂料瓶灌裝完成并且灌裝頭限位傳感器2 接通后，運輸帶電機再次運行驅動運輸帶向前運輸已灌裝完成涂料瓶；當旋蓋工位的光電傳感器檢測到已灌裝的涂料瓶，運輸帶電機停止運行，旋蓋手限位傳感器1接通后，開始對涂料瓶進行旋蓋；當涂料瓶旋蓋完成并且旋蓋手限位傳感器2接通后，完成成品滿瓶計數+1的計數，成品會隨著運輸帶運輸到下一個生產環(huán)節(jié)，當下罐機再次對涂料瓶下料時，灌裝生產線將會完成周而復始的生產環(huán)節(jié)。提供灌裝的涂料罐為50 L，當涂料罐內涂料小于5 L時，補料閥電磁閥將自動打開進行涂料補充；當涂料罐內涂料大于45 L時，補料閥電磁閥將會自動關閉閥門停止涂料的補充。

圖3 灌裝系統程序流程圖

3.3 涂料罐液位檢測程序設計

圖4 液位采集程序

液位為模擬量，通過A/D變換，0～10 V的模擬量輸入轉換為0～27684的數字量[3]，采集到PLC的存儲區(qū)。在控制程序里，先將模擬量輸入信號從PIW256 讀出，并對16 的整數進行數據類型的轉換后，將PIW256采集的數字量進行標度變換0.0～50.0 L實際工程值[4]，如圖4所示。

4 上位機監(jiān)控系統設計

結合S7-PLCSIM虛擬仿真部分，采用WINCC V7.3組態(tài)軟件在上位機上進行界面的組態(tài)[5]，實現自動監(jiān)控涂料染料灌裝生產線的功能。監(jiān)控界面主要功能包括：罐裝系統，具有手動、自動控制2種運行模式切換方式；成品計數統計；補料液位模擬量檢測；組態(tài)下罐過程畫面仿真；組態(tài)灌裝過程畫面仿真；組態(tài)旋蓋過程畫面仿真；組態(tài)灌裝生產線監(jiān)視總畫面；上位機相應過程運行狀態(tài)。

4.1 建立外部變量

在變量管理器中，展開新建立的“s7”，在名稱欄、地址欄中建立以下變量，數據類型選擇為二進制變量，長度為1，地址為位存儲器。在模擬監(jiān)控畫面，上位機控件按鈕選用必須為M區(qū)中間位儲存器，如圖5所示。

圖5 建立外部變量

由于組態(tài)過程S7-PLCSIM 仿真器無法實時捕捉過程量的變化，所以要建立以下外部變量（MD36、MW100～MW116）控制畫面的動態(tài)展示。

圖6 添加過程畫面

4.2 組態(tài)畫面

選擇“圖形編輯器”，鼠標右鍵建立4 個名為“Newpdl0”、“process1”、“process2”、“process3”畫面，將Newpdl0.Pdl作為起始畫面[6]，如圖6所示。

WINCC 上位機監(jiān)控主畫面如圖7 所示?？梢詫崿F涂料瓶的下罐、運輸、液位檢測、罐裝及旋蓋等動作，并具有工作狀態(tài)指示功能。如需要詳細監(jiān)控每個工位的工作過程，可以通過畫面切換按鈕切換到各個分畫面。下罐過程畫面如圖7所示；灌裝過程如圖8所示；控旋蓋過程如圖9所示。

圖7 組態(tài)下罐過程畫面

圖8 組態(tài)灌裝過程畫面

圖9 組態(tài)旋蓋過程畫面

5 結束語

整個控制系統采用了分布式結構，現場層、PLC 控制層和上位機層[7]。上位機在WINCC 環(huán)境下開發(fā)，實現了對整個工藝工程的實時控制。S7-300PLC 作為主控制器，通過MPI與上位機通信，現場層完成對輸送線、罐裝及旋蓋過程中的信號檢測和控制[8]。本系統的應用可以大大降低工人的勞動強度，改善工人的工作環(huán)境，提高安全性。