基于PLC的球墨鑄鐵管?chē)婁\控制系統(tǒng)

張濟(jì)凡 高峰 劉路召 楊娜

摘 要：文章以球墨鑄鐵管生產(chǎn)線中的噴鋅機(jī)控制系統(tǒng)為背景，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由PLC控制器、上位監(jiān)控調(diào)度站及通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，可以完成對(duì)球墨鑄鐵管?chē)婁\過(guò)程的自動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)定、遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障處理。文章介紹了該系統(tǒng)的硬件組成和軟件構(gòu)成，并介紹了基于TIA PORTAL的監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，證明了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性及可靠性。

關(guān)鍵詞：PLC;噴鋅機(jī);控制系統(tǒng);球墨鑄鐵管

中圖分類(lèi)號(hào)：TK323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）02-016-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.007

文章針對(duì)新興鑄管某球墨鑄鐵管生產(chǎn)線中的噴鋅機(jī)，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的智能?chē)婁\控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成對(duì)球墨鑄鐵管?chē)婁\機(jī)設(shè)備的自動(dòng)控制、任務(wù)下發(fā)、工藝過(guò)程監(jiān)控、混流生產(chǎn)、配方參數(shù)監(jiān)控和設(shè)定，以及報(bào)警提示和故障診斷等，是一個(gè)實(shí)用性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高的控制系統(tǒng)[1]。

1 球墨鑄鐵管?chē)婁\機(jī)工藝流程

球墨鑄鐵管?chē)婁\機(jī)工藝流程圖如圖1所示。

待噴鋅的球墨鑄鐵管由前道工序生產(chǎn)完成后送來(lái)，同時(shí)MES系統(tǒng)將該支管子的任務(wù)清單發(fā)來(lái)，該任務(wù)單包含訂單號(hào)、管徑、管長(zhǎng)等信息。緩存區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)球墨鑄鐵管的短時(shí)間存貯，同時(shí)完成對(duì)來(lái)管的任務(wù)分解。球墨鑄鐵管由分管器送達(dá)對(duì)齊工位，在該工位會(huì)測(cè)量鑄管的管徑、管長(zhǎng)信息。同時(shí)，上述信息會(huì)和MES下發(fā)信息進(jìn)行對(duì)比：若信息一致，則按照MES信息進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn);若不一致，需人工核對(duì)，并轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)域自動(dòng)生產(chǎn)（按照測(cè)量的管徑信息調(diào)用相應(yīng)配方數(shù)據(jù)）。之后，噴鋅機(jī)會(huì)按照該支球墨鑄鐵管的信息，自動(dòng)調(diào)整高度、送絲速度、噴鋅速度、球墨鑄鐵管托輪旋轉(zhuǎn)速度等。球墨鑄鐵管經(jīng)撥管器到達(dá)噴鋅工位，在該工位會(huì)再次測(cè)量管徑，以保證數(shù)據(jù)正確，防止損傷設(shè)備。

2 噴鋅機(jī)控制系統(tǒng)總體方案

2.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

該控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)的主從結(jié)構(gòu)。其中，下位機(jī)系統(tǒng)包括：噴鋅機(jī)主PLC1+現(xiàn)場(chǎng)子站PLC2共1套（西門(mén)子1500系列），6套噴槍PLC3-PLC8（西門(mén)子1200系列），其作用是直接控制現(xiàn)場(chǎng)噴鋅設(shè)備，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分散控制、狀態(tài)判斷等。上位機(jī)系統(tǒng)包括：以組態(tài)軟件為核心的操作員站HMI及6套噴槍HMI，遠(yuǎn)程工程師站及生產(chǎn)線MES系統(tǒng)。其具有狀態(tài)顯示、配方設(shè)定、故障記錄、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。各套PLC及相應(yīng)上位系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示[2]。

2.2 主要過(guò)程控制

該系統(tǒng)完成的過(guò)程控制主要包括三部分：球墨鑄鐵管倒運(yùn)控制、球墨鑄鐵管?chē)婁\行走控制、噴槍啟停送絲控制。各參與過(guò)程控制的主要設(shè)備如下：

球墨鑄鐵管倒運(yùn)控制：包括驅(qū)動(dòng)緩存軌道、分管油缸、球墨管對(duì)齊設(shè)備、撥管器、柔性接管裝置和出管裝置、液壓站，由主PLC1+從PLC2控制。

球墨鑄鐵管?chē)婁\行走控制：包括噴鋅運(yùn)管行走車(chē)、旋轉(zhuǎn)托輪、噴槍升降裝置、除塵設(shè)備等，由主PLC1+從PLC2控制。

噴槍啟停送絲控制：包括電焊機(jī)、噴槍、送絲機(jī)構(gòu)，由相應(yīng)噴槍PLC聯(lián)合PLC1+PLC2共同控制。

2.3 系統(tǒng)控制方式

該系統(tǒng)共包括三種控制方式：

全手動(dòng)控制：一般適用于設(shè)備檢修期間或調(diào)試期間。當(dāng)選擇手動(dòng)模式時(shí)，將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到手動(dòng)模式。此時(shí)，操作員/調(diào)試員/維修員可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)進(jìn)行設(shè)備的啟?？刂?。

半自動(dòng)控制：一般適用于部分傳感器損壞或需測(cè)量噴鋅厚度時(shí)。當(dāng)選擇半自動(dòng)模式時(shí)，球墨鑄鐵管自動(dòng)倒運(yùn)功能失效，僅保留噴鋅機(jī)的基本噴鋅功能和相關(guān)故障診斷功能。

全自動(dòng)控制：全自動(dòng)控制分為以MES任務(wù)單為依托的全局自動(dòng)控制和以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件為依托的區(qū)域自動(dòng)控制。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件檢測(cè)到管徑、管長(zhǎng)參數(shù)與MES下發(fā)任務(wù)一致時(shí)，自動(dòng)調(diào)用全局自動(dòng)控制模式，PLC系統(tǒng)會(huì)根據(jù)分解的任務(wù)清單控制噴鋅機(jī)的所有生產(chǎn)參數(shù)，自動(dòng)啟停設(shè)備、調(diào)節(jié)配方參數(shù)大小，并記錄相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件檢測(cè)到管徑、管長(zhǎng)參數(shù)與MES下發(fā)任務(wù)不一致時(shí)，自動(dòng)切換區(qū)域自動(dòng)模式，該模式下，PLC系統(tǒng)會(huì)按照預(yù)先設(shè)定（只與管徑有關(guān)）的配方參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)也會(huì)上傳相應(yīng)生產(chǎn)參數(shù)。

3 控制系統(tǒng)硬件組成

該系統(tǒng)的硬件主要包括中控室、PLC站及現(xiàn)場(chǎng)傳感器三部分，具體內(nèi)容下。

3.1 中控室

中控室由一臺(tái)工程師站和MES系統(tǒng)組成，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC相連，工程師站使用工控機(jī)，配置西門(mén)子軟件TIA PORTAL。MES系統(tǒng)使用小型工作站，軟件使用JAVA和SQL SERVER編程實(shí)現(xiàn)。

3.2 PLC站及操作臺(tái)

PLC選用西門(mén)子公司的S7-1200及S7-1500系列，上述兩種系列的PLC，硬件配置靈活、軟件編程方便。主PLC的CPU選擇CPU1515-2PN，配一塊128MB存儲(chǔ)卡，該款CPU集成了兩個(gè)不同網(wǎng)段的Profinet總線接口。其中，X1端口與噴槍PLC、ET200MP以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件通訊;X2端口接入工廠工業(yè)網(wǎng)，與中控室設(shè)備通訊。

根據(jù)工藝需求和控制要求，該系統(tǒng)共設(shè)置1個(gè)PLC柜和1個(gè)操作臺(tái)，數(shù)字量輸入SM521模塊若干，輸出SM522模塊若干;模擬量輸入SM531模塊若干，輸出SM532模塊若干。現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)配西門(mén)子精致面板（12寸）一面。

噴鋅噴槍各配置1面PLC柜，該P(yáng)LC的CPU選擇S7-1200系列產(chǎn)品，該系列CPU集成了Profinet總線接口，作為子站與主PLC連接。同時(shí)，配置西門(mén)精簡(jiǎn)面板KTP700一塊。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配置若干套編碼器，用來(lái)測(cè)量噴槍調(diào)整設(shè)備高度、鋅絲送絲速度、運(yùn)管車(chē)行走速度，通訊方式均通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備模擬量信號(hào)均采用4—20mA電信號(hào)，模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)軟件算法濾波后變成工程量進(jìn)行計(jì)算。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC控制軟件

PLC控制軟件是利用TIA PORTAL V15.1在WINDOWS10平臺(tái)下開(kāi)發(fā)的，可以完成地址、站址的分配以及用戶(hù)程序的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。軟件采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，根據(jù)所控制設(shè)備的實(shí)際情況，將噴鋅工藝流程分為若干個(gè)子流程，每個(gè)子流程對(duì)應(yīng)一個(gè)工位的功能。將各個(gè)控制功能和各種站點(diǎn)間的通訊數(shù)據(jù)分別編寫(xiě)在不同的程序塊中，主程序通過(guò)OB1塊調(diào)用各個(gè)功能，程序流程圖如圖3所示。

4.2 上位機(jī)HMI組態(tài)軟件

該系統(tǒng)操作臺(tái)及噴槍控制柜HMI采用TIA PORTAL軟件中的WINCC功能來(lái)完成對(duì)上位機(jī)的組態(tài)，對(duì)噴鋅機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、配方參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定或監(jiān)控。

該部分設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)功能：顯示現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括球墨鑄鐵管管徑、管長(zhǎng)、運(yùn)管車(chē)行走位置、噴槍實(shí)時(shí)高度、各電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、電流、噴槍反饋電流、電壓等數(shù)據(jù);顯示動(dòng)態(tài)工藝流程圖;進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置;報(bào)警提示和故障診斷;顯示噴槍電流歷史曲線;記錄單次生產(chǎn)周期鋅絲消耗量和歷史消耗量。

整套監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有多幅實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面，包括工藝畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面、報(bào)表畫(huà)面、曲線畫(huà)面等。其中，工藝畫(huà)面可顯示整個(gè)噴鋅機(jī)的基本狀態(tài)和工藝流程，現(xiàn)場(chǎng)傳感器的瞬時(shí)值能夠在相應(yīng)畫(huà)面中顯示[3]。

4.3 中控MES系統(tǒng)

噴鋅機(jī)MES系統(tǒng)采用JAVA軟件和SQL SERVER實(shí)現(xiàn)，主要功能包括前序工位的數(shù)據(jù)傳遞、任務(wù)單生成、任務(wù)下發(fā)、生產(chǎn)報(bào)表等。生產(chǎn)報(bào)表（鋅絲消耗量記錄）如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

文章所述噴鋅機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)以西門(mén)子PLC為控制核心，用HMI以TIA PORTAL組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)組態(tài)，中控MES作為信息調(diào)度。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制功能完善，安裝調(diào)試方便，滿(mǎn)足工廠自動(dòng)化控制的需求。

參考文獻(xiàn)

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[3] 王常力，廖道文.集散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993.