鎳極板自動化生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

張姍ZHANG Shan；李瑋LI Wei；魏新宇WEI Xin-yu

（①西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，昆明 650224；②咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，西安 721000）

0 引言

鎳作為重要的金屬元素，被廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械電子、智慧農(nóng)業(yè)、航空航天等高端領(lǐng)域。隨著市場對鎳極板產(chǎn)量以及規(guī)格與質(zhì)量的不斷擴(kuò)大，同時對企業(yè)鎳極板的加工提出了更高的要求。但目前，國內(nèi)鎳極板生產(chǎn)過程中，自動化程度整體不高，目前暫時未實現(xiàn)鎳極板智能生產(chǎn)過程。導(dǎo)致產(chǎn)品成本高、生產(chǎn)線效率低、次品率高等問題。

本文以鎳極板生產(chǎn)線的智能控制系統(tǒng)為設(shè)計對象，通過對現(xiàn)有的鎳極板生產(chǎn)線工藝流程及機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析研究后制定出合理的自動化生產(chǎn)線總體設(shè)計方案；同時，對生產(chǎn)線系統(tǒng)的硬件架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計（包括動作控制系統(tǒng)的電氣原理圖和硬件結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D的設(shè)計，以及可編程控制器、人機(jī)界面、伺服驅(qū)動器與伺服電機(jī)、變頻器與交流電機(jī)、傳感器、接觸器等元器件的配置選型）；在此基礎(chǔ)結(jié)合系統(tǒng)硬件對生產(chǎn)線系統(tǒng)的軟件架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計（包括各個子模塊的PLC程序功能、人機(jī)交互界面及遠(yuǎn)程上位機(jī)終端的界面設(shè)計與實現(xiàn)，整個控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)采用modbus tcpip的方式組態(tài)與連接）。由于鎳極板生產(chǎn)線較長，以工作站為單位進(jìn)行實時狀態(tài)監(jiān)控管理和實時報警功能，各工作站可觸摸屏畫面查看設(shè)備故障點并進(jìn)行處理，遠(yuǎn)程終端可查看及存儲整條生產(chǎn)線各設(shè)備的運行狀態(tài)、報警及產(chǎn)量信息等。

1 鎳極板生產(chǎn)線整體設(shè)計方案

1.1 生產(chǎn)線功能要求

根據(jù)鎳極板生產(chǎn)線的工藝流程，并結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)車間的實際要求，對生產(chǎn)線系統(tǒng)的功能要求梳理如下：①鎳極板生產(chǎn)線至少包括以下功能模塊：液壓站單元控制模塊、料箱單元控制模塊、剪切單元控制模塊、沖鉚單元控制模塊、自動送耳單元控制模塊以及穿棒/排板單元控制模塊和中央操縱控制模塊；②整條生產(chǎn)線由中央控制器集中監(jiān)控運行，正常運行時，可以獨立完成鎳極板的自動生產(chǎn)；③各生產(chǎn)單元模塊化設(shè)計，實現(xiàn)整條生產(chǎn)線控制系統(tǒng)風(fēng)險分散，各生產(chǎn)單元模塊可獨立控制運行且任何單元故障不會影響其他控制單元工作；④整條生產(chǎn)線具有完善的自動保護(hù)以及實時監(jiān)控報警能力的特點；⑤整條生產(chǎn)線具備數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)分析的能力。

1.2 生產(chǎn)線方案設(shè)計

根據(jù)鎳極板生產(chǎn)的工藝流程以及功能要求分析，利用模塊化的思想將完整的生產(chǎn)線系統(tǒng)劃分為以下子模塊：液壓站單元控制模塊、料箱單元控制模塊、剪切單元控制模塊、沖鉚單元控制模塊、自動送耳單元控制模塊以及穿棒/排板單元控制模塊和中央操縱控制模塊。整條生產(chǎn)線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 生產(chǎn)線工藝流程分析

在充分了解鎳極板生產(chǎn)線的現(xiàn)場工藝需求后，對鎳極板的生產(chǎn)工藝流程以及控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過深入生產(chǎn)車間現(xiàn)場了解到，鎳極板的簡要生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 鎳極板生產(chǎn)線工藝流程圖

2 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

硬件是生產(chǎn)線實現(xiàn)控制功能的先決條件，鎳極板生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)所需要的硬件有：可編程控制器、伺服驅(qū)動器及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、變頻器、觸摸屏以及各類傳感器等。使用到的傳感器主要有光電傳感器、行程開關(guān)、接近開關(guān)、磁性開關(guān)等，主要用于工位狀態(tài)監(jiān)測及各執(zhí)行元件的運行狀態(tài)監(jiān)控功能，其工作原理可簡要描述為，傳感器將接受到的模擬信號轉(zhuǎn)成標(biāo)準(zhǔn)信號并輸入至PLC，PLC對輸入的各個信號進(jìn)行運算處理并執(zhí)行相應(yīng)的控制動作。

整條生產(chǎn)線由液壓站單元控制模塊、料箱單元控制模塊、剪切單元控制模塊、沖鉚單元控制模塊、自動送耳單元控制模塊以及穿棒/排板單元控制模塊和中央操縱控制模塊組成，每個模塊分別配有控制柜，來實現(xiàn)智能控制系統(tǒng)中電機(jī)以及相應(yīng)執(zhí)行元件的動作控制。整條生產(chǎn)線中使用的PLC型號以及I/O點分配情況，如表1所示，在程序的設(shè)計中，我們必須充分考慮系統(tǒng)對各模塊的控制要求以及各控制信號之間的聯(lián)鎖控制關(guān)系，同時，還要注意觸摸屏中各控制鍵參數(shù)的設(shè)置要與PLC中的參數(shù)一致，確保通過觸摸屏準(zhǔn)確控制生產(chǎn)線的正常運行。

表1 PLC選型表

3 鎳極板生產(chǎn)線工藝流程以及控制流程設(shè)計

由于該條生產(chǎn)線較長，模塊單元較多，故在此，我們選擇以工位1（進(jìn)料工位）到工位2（對中工位）為例，分析該模塊的工藝流程以及系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)。

3.1 生產(chǎn)線工藝流程

工位1（進(jìn)料工位）到工位2（對中工位）的工藝流程圖如圖3所示。

圖3 工位1（進(jìn)料工位）到工位2（對中工位）的工藝流程圖

3.2 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

鎳極板生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件采用博途V15實現(xiàn)，按照模塊化設(shè)計原則，下面以料箱工位為例進(jìn)行軟件設(shè)計。在程序設(shè)計過程中，將程序進(jìn)行分組，主要有模式、報警、自動、遠(yuǎn)程通訊、工作站間S7通訊，如圖4所示。

圖4 軟件分組

在模式組中，主要程序有手動模式、自動模式和維修模式三種供操作人員選擇。設(shè)備模式狀態(tài)以及從哪里進(jìn)入的模式，均可在本地觸摸屏或者遠(yuǎn)程終端實時查看。

其中自動模式中，本著安全生產(chǎn)第一的原則，在操作人員切換到自動模式后，需等待3s，系統(tǒng)才會進(jìn)入自動運行模式，此時按下啟動按鈕，才能啟動自動運行。在進(jìn)入維修模式后，系統(tǒng)取消各工位之間的連鎖信號，以確保維修過程人員及設(shè)備安全，便于維修。在程序設(shè)計過程中，根據(jù)設(shè)備動作需要，適時插入報警信息，當(dāng)產(chǎn)生高級報警（如緊急停止等），控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)丟失，需要人工解除報警信息恢復(fù)正常后，方可重新啟動運行。而單工位的報警信息，僅影響相應(yīng)工位動作的運行。在程序中，主要有液壓閥、電磁閥、伺服電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)的控制，傳感器監(jiān)測鎳極板的位置，根據(jù)程序設(shè)定的工藝完成相關(guān)的動作流程。單個工作站調(diào)試穩(wěn)定后，可進(jìn)行整條生產(chǎn)線測試，與此同時，監(jiān)控程序，監(jiān)測各子模塊對應(yīng)的程序是否正常。

3.3 智能決策輔助控制技術(shù)

在鎳極板自動化生產(chǎn)線在防呆處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，自動控制系統(tǒng)中集成智能決策系統(tǒng)，系統(tǒng)可自動根據(jù)各種不同工況、不同工位產(chǎn)生的報警信息對操作人員提供操作決策支持。當(dāng)系統(tǒng)積累大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)后，還可通過數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等智能算法，提出更優(yōu)的生產(chǎn)工藝參數(shù)，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。

4 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的優(yōu)勢

鎳極板生產(chǎn)線選擇采用西門子CPU 214C DC/DC/DC，14入10出（6ES7 214-1AG40-0XB0）的CPU，開關(guān)量輸出選用SM1222 8×24VDC（6ES7 222-1BF32-0XB0），開關(guān)量入輸出模塊選用：SM1223 16×24V DC輸入/16×24VDC輸出（6ES7 223-1BL32-0XB0）。通訊方式采用西門子專有的S7通訊，完成站點之間，信息的交互；同時，利用相同的硬件，采用modbus tcpip方式，實現(xiàn)站點與上位機(jī)的信息交互。鎳極板整條生產(chǎn)線的自動化運行，實現(xiàn)了中央集中控制與各模塊單元的單獨運行，大大提高了后期安裝與維修的便利度；同時，最大程度的降低了整條產(chǎn)線的風(fēng)險，各模塊的獨立運行不會因為其他模塊單元的故障而停止運行，甚至可以只讓部分單元模塊單獨運行，實現(xiàn)其相應(yīng)模塊功能，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性。

5 結(jié)論

本條鎳極板生產(chǎn)線采用了國內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)備，通過配置強(qiáng)大的自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)安全啟動、自動設(shè)定、自動操作、遠(yuǎn)程操控及生產(chǎn)管理等多項功能。采用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式，實現(xiàn)多種通訊組合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時交互，確保生產(chǎn)線中各品種規(guī)格的高效和高質(zhì)量生產(chǎn)。