基于PLC和MES的擠出線(xiàn)生產(chǎn)規(guī)格自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用

王青峰，孫建恩

(三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200)

擠出線(xiàn)主要用于滿(mǎn)足全鋼和半鋼子午線(xiàn)輪胎胎面、胎側(cè)、墊膠和膠芯等擠出及擠出后進(jìn)行收縮、冷卻、稱(chēng)重和定長(zhǎng)等生產(chǎn)工藝需求，整條生產(chǎn)線(xiàn)主要由擠出機(jī)組、下游冷卻輔線(xiàn)和接取或卷取裝置三部分組成。以我公司一條全鋼胎面擠出線(xiàn)為例，詳細(xì)介紹該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，主要工藝流程如圖2所示。

圖1 子午輪胎胎面擠出聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意

圖2 子午輪胎胎面擠出聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)工藝流程圖

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)狀

我公司早期投用的全鋼胎面擠出線(xiàn)，由德國(guó)進(jìn)口三復(fù)合擠出機(jī)組、國(guó)產(chǎn)下游冷卻輔線(xiàn)和國(guó)產(chǎn)裁斷胎面自動(dòng)接取裝置三大部分組成。生產(chǎn)線(xiàn)采用西門(mén)子S7-300和羅克韋爾 Contrologix Logix5000 進(jìn)行控制，采用西門(mén)子MP277、組態(tài)王和易控分別做為擠出機(jī)組、下游冷卻輔線(xiàn)和自動(dòng)接取裝置的HMI，進(jìn)行配方的存儲(chǔ)及調(diào)用和實(shí)時(shí)顯示設(shè)備狀態(tài)。

生產(chǎn)線(xiàn)共采用3套PLC控制系統(tǒng)，分別控制擠出機(jī)組，下游冷卻輔線(xiàn)和自動(dòng)接取裝置，每套PLC控制系統(tǒng)為獨(dú)立單元，可獨(dú)立運(yùn)行。3套獨(dú)立的PLC系統(tǒng)之間未進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，僅有簡(jiǎn)單的啟停和安全急停信號(hào)互聯(lián)，整條生產(chǎn)線(xiàn)的配方分三部分，分別存儲(chǔ)在各自HMI中，需要切換新規(guī)格產(chǎn)品時(shí)，操作主手首先手動(dòng)切換相應(yīng)配方，由于生產(chǎn)線(xiàn)長(zhǎng)度超過(guò)120 m，在生產(chǎn)線(xiàn)上的實(shí)際物料是不同的規(guī)格，再由人工根據(jù)新規(guī)格實(shí)際到達(dá)的位置逐步依次手動(dòng)切換（如胎面達(dá)到裁斷裝置處需人工按切換規(guī)格），操作繁瑣，生產(chǎn)效率較低，且存在配方切換不及時(shí)或錯(cuò)誤的可能，存在較大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 建設(shè)智慧工廠(chǎng)的需求

為滿(mǎn)足智慧工廠(chǎng)要求，必須由軟件自動(dòng)跟蹤新規(guī)格的運(yùn)行位置，并依次自動(dòng)切換相應(yīng)裝置的配方數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生單個(gè)工裝的生產(chǎn)實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)供MES讀取和工裝RFID綁定，便于自動(dòng)送入立體庫(kù)，無(wú)需人工干預(yù)。因此三個(gè)獨(dú)立的部分應(yīng)作為一條生產(chǎn)線(xiàn)，生產(chǎn)線(xiàn)工藝配方通過(guò)MES統(tǒng)一管控，生產(chǎn)的產(chǎn)出實(shí)績(jī)和生產(chǎn)計(jì)劃及配方嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。

1.3 具體實(shí)施方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)和規(guī)格切換自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的要求，對(duì)原生產(chǎn)線(xiàn)軟硬件設(shè)施進(jìn)行評(píng)審，需在三套PLC系統(tǒng)分別添加一以太網(wǎng)模塊作為與MES系統(tǒng)通訊的硬件接口，即可滿(mǎn)足系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需求，決定基于原生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)整體采用MES+西門(mén)子S7300+羅克韋爾 Contrologix Logix5000+HMI+以太網(wǎng)通訊的體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 配方切換自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)組成

生產(chǎn)線(xiàn)配方由MES端創(chuàng)建并存儲(chǔ)在MES服務(wù)器，操作人員通過(guò)MES客戶(hù)端切換新規(guī)格時(shí)，系統(tǒng)將新規(guī)格切換標(biāo)識(shí)置位，MES識(shí)別到切換標(biāo)識(shí)后，通過(guò)以太網(wǎng)與MES-PLC接口進(jìn)行通訊將配方數(shù)據(jù)傳送到PLC配方緩存區(qū)，操作人員經(jīng)HMI確認(rèn)新配方數(shù)據(jù)，確認(rèn)無(wú)誤后下載到PLC配方執(zhí)行區(qū)，此時(shí)激活生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)格切換，并結(jié)合擠出機(jī)的狀態(tài)、壓力檢測(cè)和輔線(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)跟蹤新規(guī)格的料頭，隨著生產(chǎn)線(xiàn)的啟動(dòng)，系統(tǒng)自動(dòng)追蹤新規(guī)格料頭在生產(chǎn)線(xiàn)的位置，自動(dòng)依次切換相關(guān)配方數(shù)據(jù)，切換完成后激活配方切換完成標(biāo)識(shí)位。

MES系統(tǒng)可通過(guò)MES-PLC接口實(shí)時(shí)采集相關(guān)的設(shè)備、工藝和生產(chǎn)等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，降低生產(chǎn)過(guò)程的成本，提升管理水平和產(chǎn)品質(zhì)量。

2 軟件程序開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)軟件程序的開(kāi)發(fā)根據(jù)功能需求主要包括三大部分：一是PLC程序的設(shè)計(jì)，其中包括以太網(wǎng)模塊的硬件組態(tài)、配方接口控制程序設(shè)計(jì)、速度位移脈沖程序設(shè)計(jì)、規(guī)格跟蹤和配方切換程序設(shè)計(jì)；二是系統(tǒng)的控制運(yùn)行；三是人機(jī)交互界面HMI的設(shè)計(jì)。

2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)線(xiàn)PLC系統(tǒng)的硬件配置，配方自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)PLC程序開(kāi)發(fā)基于西門(mén)子315-2DP、AB 1756-L71、以太網(wǎng)通訊模塊等裝置開(kāi)發(fā)。

西門(mén)子S7-300 PLC采用STEP7 V5.6進(jìn)行組態(tài)和編程，羅克韋爾 Contrologix Logix5000 PLC采用RSLogix 5000 V20.03進(jìn)行組態(tài)和編程，程序設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）在原S7-300系統(tǒng)添加CP 343-1以太網(wǎng)通訊模塊，原Contrologix Logix5000系統(tǒng)添加1756-EN2T以太網(wǎng)模塊，對(duì)硬件組態(tài)程序進(jìn)行編程并根據(jù)MES系統(tǒng)要求設(shè)置IP地址。

（2）硬件組態(tài)后設(shè)計(jì)控制程序。

（3）硬件組態(tài)和程序設(shè)計(jì)完成，編譯保存通過(guò)編程電纜下載到PLC中。

（4）進(jìn)行在線(xiàn)聯(lián)機(jī)調(diào)試，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

無(wú)論是西門(mén)子還是羅克韋爾PLC系統(tǒng)，在硬件改變時(shí)必須對(duì)原系統(tǒng)的硬件組態(tài)或配置進(jìn)行重新編程，硬件組態(tài)的作用是在PLC系統(tǒng)中生成一個(gè)與實(shí)際硬件完全一樣的虛擬系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，需將系統(tǒng)需要的CPU、輸入、輸出、變頻器和觸摸屏等各類(lèi)配件的型號(hào)在編程軟件中進(jìn)行定義和配置。西門(mén)子和羅克韋爾因產(chǎn)品差異，硬件組態(tài)配置的方法不同，此文不詳細(xì)描述，僅將本系統(tǒng)應(yīng)用的部分硬件配置展示如下，如圖4和圖5所示。

圖4 S7-300組態(tài)畫(huà)面

胎面擠出線(xiàn)配方主要由擠出機(jī)溫度、擠出機(jī)轉(zhuǎn)速，冷卻線(xiàn)接取速度、收縮比、各段速度調(diào)節(jié)輥位置及張力、冷卻前寬度、冷卻前米重、冷卻后寬度、裁斷長(zhǎng)度和冷卻后米重等構(gòu)成，主要配方如表1所示。

原生產(chǎn)線(xiàn)配方分為三部分存儲(chǔ)在各自HMI中，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需將三部分配方存儲(chǔ)在MES服務(wù)器，MES系統(tǒng)端根據(jù)表1內(nèi)容進(jìn)行配方結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并根據(jù)工藝需求設(shè)計(jì)合理的存儲(chǔ)空間來(lái)保存足夠多的配方數(shù)；PLC系統(tǒng)端主要進(jìn)行三部分程序的設(shè)計(jì)，一是分別在擠出機(jī)、下游冷卻輔線(xiàn)和自動(dòng)接取裝置的PLC系統(tǒng)中根據(jù)表1內(nèi)容設(shè)計(jì)單獨(dú)的配方暫存區(qū)，用來(lái)存放MES端下載的配方；二是在擠出機(jī)PLC系統(tǒng)根據(jù)表1內(nèi)容設(shè)計(jì)完整的配方暫存區(qū)，并在擠出機(jī)HMI開(kāi)發(fā)完整配方數(shù)據(jù)展示畫(huà)面和相關(guān)控制程序，用于操作主手查看配方數(shù)據(jù)和操作，檢查沒(méi)有問(wèn)題后接收傳送配方到各個(gè)配方暫存區(qū)；三是在下游冷卻輔線(xiàn)和自動(dòng)接取裝置PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)配方切換控制程序，識(shí)別自動(dòng)跟蹤信號(hào)后自動(dòng)將暫存區(qū)配方傳送到配方執(zhí)行區(qū)。

表1 胎面擠出線(xiàn)配方接口表

下游冷卻線(xiàn)，由16段傳送裝置組成，每一段的速度由調(diào)節(jié)輥裝置控制，由于橡膠制品的特殊性，前一段傳送裝置和后一段傳送裝置的速度是不同的。為保證規(guī)格切換接頭跟蹤的準(zhǔn)確性，需設(shè)計(jì)一相同位移不同速度脈動(dòng)信號(hào)Add-On指令，程序功能設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）右鍵Add-On Instructions新建一個(gè)指令，命名為T(mén)racing_Pusle;

（2）打開(kāi)Tracing_Pusle指令的Parameters and Local Tags，根據(jù)功能要求，建立新的輸入、輸出和本地標(biāo)簽；

（3）打開(kāi)Tracing_Pusle指令的Logic，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；

（4）設(shè)計(jì)完成后，編譯保存，并將指令下載到PLC中。

本程序中，由于原系統(tǒng)中實(shí)際的速度數(shù)據(jù)為整數(shù)，在本指令程序中需要對(duì)速度輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換并需一100MS脈沖給信號(hào)，在不同的速度信號(hào)下，每200 mm位移生成一脈沖信號(hào)Pusle_200 mm程序如圖6所示。

圖6 速度位移脈沖程序

生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)格切換開(kāi)始，系統(tǒng)將規(guī)格切換標(biāo)識(shí)位置位，生產(chǎn)線(xiàn)啟動(dòng)后，根據(jù)擠出機(jī)的壓力、出口胎面溫度和胎面檢測(cè)等綜合條件判斷出新規(guī)格的胎面產(chǎn)出，程序識(shí)別5個(gè)速度位移脈沖也就是1 000 mm的胎面接頭，將標(biāo)識(shí)位復(fù)位，系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤這5個(gè)脈沖在生產(chǎn)線(xiàn)的位置，程序功能設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）打開(kāi)Tasks,在MainProgram右鍵新建Rou tine命名為Recipe_Tracing;

（2）根據(jù)程序功能，建立新標(biāo)簽；

（3）打開(kāi)Recipe_Tracing指令的Logic，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；

（4）設(shè)計(jì)完成后，編譯保存，并將指令下載到PLC中。

下游冷卻線(xiàn)每段傳送裝置都需要調(diào)用Tracing_Pusle指令和BSL指令，以裁斷裝置配方跟蹤和配方切換程序?yàn)槔?，如圖7所示。

圖7 裁斷裝置配方接頭跟蹤和配方切換程序

（1）當(dāng)配方接頭到達(dá)下坡傳送帶末端，Tracing_xp_BSL[0].9置位，將新配方單條裁斷長(zhǎng)度設(shè)定值傳送到執(zhí)行地址；

（2）速度位移脈沖指令，根據(jù)裁斷傳送帶的實(shí)際速度產(chǎn)生200 mm位移脈沖信號(hào)Tracing_CD_Pusle；

（3）200 mm位移脈沖信號(hào)Tracing_CD_Pusle每置位一次，BSL指令將Tracing_CD_BSL數(shù)組內(nèi)配方跟蹤位左移一位，移動(dòng)長(zhǎng)度Length計(jì)算方式如下：

L—裁斷傳送帶長(zhǎng)度，mm

Tracing_CD_BSL數(shù)組大小根據(jù)計(jì)算得出的Length值合理設(shè)置。

2.2 系統(tǒng)控制運(yùn)行

系統(tǒng)由本地和遠(yuǎn)程兩種模式，為了防止MES端異常情況，確保生產(chǎn)線(xiàn)正常運(yùn)行，系統(tǒng)保留原規(guī)格切換功能的設(shè)計(jì)，即本地模式，生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)格的切換操作與原設(shè)計(jì)相同。遠(yuǎn)程模式下，生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)格切換由系統(tǒng)自動(dòng)完成，無(wú)需人員的干預(yù)，遠(yuǎn)程模式下規(guī)格切換詳細(xì)流程如圖8所示。

圖8 規(guī)格切換流程

2.3 HMI設(shè)計(jì)

系統(tǒng)HMI基于原生產(chǎn)線(xiàn)的HMI進(jìn)行升級(jí)，原HMI安裝在主操作臺(tái)，監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)和修改相關(guān)參數(shù)等。擠出機(jī)組HMI采用西門(mén)子MP277觸摸屏，該觸摸屏應(yīng)用SIMATIC Wincc Flexble 2008 sp3軟件進(jìn)行畫(huà)面程序的編寫(xiě)，可通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)、DP和MPI進(jìn)行通訊。下游冷卻輔線(xiàn)和自動(dòng)接取設(shè)備HMI采用的基于工控機(jī)的組態(tài)王和易控上位機(jī)軟件，采用kingview和INSEPEC軟件進(jìn)行畫(huà)面程序編寫(xiě)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，在相關(guān)HMI上開(kāi)發(fā)了配方顯示界面，生產(chǎn)線(xiàn)配方接頭跟蹤畫(huà)面等程序，從而達(dá)到應(yīng)有的效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)投入使用以來(lái)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和工藝評(píng)審，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行表現(xiàn)出如下優(yōu)勢(shì)：

（1）生產(chǎn)線(xiàn)工藝配方通過(guò)MES統(tǒng)一管控，生產(chǎn)線(xiàn)僅保留在產(chǎn)配方，提升了工藝管理水平。

（2）降低生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)格切換時(shí)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)化配方切換流程，提升了生產(chǎn)效率。

（3）杜絕原生產(chǎn)線(xiàn)出現(xiàn)的規(guī)格切換錯(cuò)誤和切換不及時(shí)等問(wèn)題。

（4）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)的信息化管理，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集積累為后期運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析提升現(xiàn)場(chǎng)管理水平和產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)打下基礎(chǔ)。