基于PLC的飲料瓶自動裝箱作業(yè)網(wǎng)絡通信系統(tǒng)設計

桂 恒，周楊芳

(上饒職業(yè)技術(shù)學院，江西 上饒334109)

0 引言

飲料灌裝入箱是現(xiàn)代飲料加工企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的重要環(huán)節(jié)。目前，大多數(shù)企業(yè)引進的灌裝入箱生產(chǎn)設備以單套作業(yè)模式為主，鮮少采用工業(yè)互聯(lián)集約網(wǎng)絡通信技術(shù)，存在單次灌裝生產(chǎn)數(shù)量有限、集約化作業(yè)效率低、網(wǎng)絡通信控制便捷性不足等弊端。采用PLC可編程控制技術(shù)并引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模式構(gòu)建“主-從”計算機網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，能夠較好地解決上述問題，有利于提升飲料加工企業(yè)灌裝入箱的生產(chǎn)作業(yè)效率?；诖耍归_相關(guān)的硬件和軟件設計研究。

1 設計概述

系統(tǒng)基于西門子S7-200型PLC設計，為解決常規(guī)飲料瓶自動裝箱生產(chǎn)設備存在的網(wǎng)絡通信不便捷、集約化生產(chǎn)能效低等問題，特引入西門子工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)搭建和自動化生產(chǎn)解決方案，構(gòu)建“主-從”計算機組網(wǎng)體系，采用“主站操縱器-從站分流機-從站裝箱機”工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模式。整套系統(tǒng)的主要硬件模塊由3臺飲料瓶裝箱機、1臺包裝分流機和1臺TD200主站操縱器組成，軟件編程采用西門子S7-200型PLC專用編程軟件STEP7實現(xiàn)，通信組網(wǎng)基于STEP7軟件中的“NETR/NETW”指令向?qū)?gòu)建。實際作業(yè)時，TD200主站操縱器負責整套系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)設置、驗證和發(fā)送，包裝分流機則根據(jù)接收到的控制程序?qū)嬃掀?、粘合劑和紙箱有序地分配給裝箱機，3臺裝箱機按照組網(wǎng)傳送指令完成灌裝作業(yè)。

2 硬件設計

2.1 硬件組網(wǎng)設計

系統(tǒng)硬件組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用“主-從”結(jié)構(gòu)組建作業(yè)通信網(wǎng)絡，主要分為1個主站和4個從站。主站由TD200硬件系統(tǒng)構(gòu)成，并配置1臺安裝Windows操作系統(tǒng)的計算機作為上位控制機，用于配置系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信參數(shù)、向從站發(fā)送裝箱作業(yè)程序、查看系統(tǒng)工作時的網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)等。從站由分流機和3臺裝箱機組成，其中，分流機由1臺CPU224型的S7-200PLC控制，在接收到主站傳輸?shù)难b箱控制指令后，由PLC向3臺裝箱機發(fā)送灌裝控制程序，控制裝箱機有序地進行飲料瓶集約化包裝、粘合、入庫等操作；3臺裝箱機分別由3臺CPU222型的S7-200PLC控制，各PLC接收到分流機發(fā)送的指令后進行有序作業(yè)。

圖1 系統(tǒng)硬件組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 硬件模塊設計

該系統(tǒng)硬件模塊主要由中央控制器、組網(wǎng)通信模塊、傳感器系統(tǒng)、傳送裝箱模塊等組成。

2.2.1 中央控制器

中央控制器是整套系統(tǒng)的“大腦”，分為主站控制器(以1臺CPU226型的S7-200PLC為核心)、分流機控制器(以1臺CPU224型的S7-200PLC為核心)和裝箱機控制器(以3臺CPU222型的S7-200PLC為核心)。其中，主站與分流機之間以RS485線纜進行通信連接，分流機與各裝箱機之間以雙絞線和PPI通信線纜進行連接，構(gòu)成自上而下的網(wǎng)絡通信體系，并根據(jù)裝箱作業(yè)的要求在STEP7軟件中進行網(wǎng)絡通信參數(shù)設置。

2.2.2 組網(wǎng)通信模塊

組網(wǎng)通信模塊采用西門子公司研發(fā)的網(wǎng)絡中繼器，將系統(tǒng)中各設備級聯(lián)結(jié)起來，構(gòu)建自動化生產(chǎn)通信網(wǎng)絡環(huán)，設置波特率為9 600 bps，通信距離可達1 200 m，確保整套系統(tǒng)在較大的空間內(nèi)安裝、配置及作業(yè)。

2.2.3 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)用于檢測和統(tǒng)計裝箱作業(yè)的數(shù)量，在各裝箱機入口處安裝光電傳感器，用于檢測飲料瓶裝箱個數(shù)，當光電傳感器檢測到預設包裝箱數(shù)時，由PLC計數(shù)器程序進行復位，并開啟下一輪作業(yè)計數(shù)。

2.2.4 傳送裝箱模塊

傳送裝箱模塊由三相異步電動機、西門子MM420變頻器模塊和輸送帶模塊組成，通過PLC編程控制散裝飲料瓶、紙箱、粘合劑的有序運送。

3 網(wǎng)絡通信設計

3.1 主站網(wǎng)絡通信字節(jié)設計

主站網(wǎng)絡通信字節(jié)設計如表1所示。

表1 主站網(wǎng)絡通信字節(jié)設計

F錯誤提示：當F=1時，表示裝箱機運行出現(xiàn)故障。

EEE錯誤代碼：用于提示出現(xiàn)裝箱作業(yè)錯誤類型的代碼。

G粘合劑供應過慢：當G=1時，提示粘合劑供應慢，必須馬上補充。

B紙箱供應過慢：當B=1時，提示紙箱供應慢，必須馬上補充。

T飲料瓶供應過慢：當T=1時，提示生產(chǎn)線上無飲料瓶。

實際生產(chǎn)過程中，設置主站網(wǎng)絡通信字節(jié)提示控制區(qū)，來提示飲料瓶自動裝箱作業(yè)中可能出現(xiàn)的故障或問題。在程序設計上，用NETR指令連續(xù)讀取主站的控制字節(jié)，以判別主站預設程序的執(zhí)行情況，當分流機和包裝機出現(xiàn)生產(chǎn)故障時，控制字節(jié)相應區(qū)域會出現(xiàn)對應的代碼，并啟動外部的聲光報警裝置進行提示。此外，當某裝箱機包裝完20箱飲料時，控制分流機的PLC會向該裝箱機發(fā)送一條NETW指令，復位該裝箱機的計數(shù)器。

3.2 從站網(wǎng)絡通信程序設計

本系統(tǒng)從站由分流機和裝箱機組成，與主站之間建立PPI、RS485等網(wǎng)絡通信關(guān)聯(lián)，接收和反饋相關(guān)的裝箱作業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。為確保從站與主、從站之間的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸通暢，在從站網(wǎng)絡通信程序設計中設置了專屬的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送緩沖區(qū)。其中，分流機向裝箱機(從站2)發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址為VB300，接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址為VB200；分流機向裝箱機(從站3)發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址為VB310，接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址為VB210；分流機向裝箱機(從站4)發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址為VB320，接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址為VB220。明確通信數(shù)據(jù)發(fā)送及接收地址后，以分流機和從站2之間的網(wǎng)絡通信為例，編寫TBL通信程序表，如表2、表3所示。

表2 數(shù)據(jù)接收程序表

表3 數(shù)據(jù)發(fā)送程序表

3.3 網(wǎng)絡通信參數(shù)設置

網(wǎng)絡通信參數(shù)設置需要在STEP7軟件中完成。以從站3的網(wǎng)絡通信參數(shù)設置(見圖2)為例進行說明：首先，點擊軟件菜單欄中的“工具”，接著點擊其中的“指令向?qū)А保⒃趶棾龅膶υ捒蛑羞x擇“NETR/NETW”，之后選擇“下一步”；其次，根據(jù)預先分配好的從站網(wǎng)絡通信發(fā)送及緩沖區(qū)地址，在從站3的“數(shù)據(jù)存儲在本地PLC何處？”選項中將數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)地址設置為VB210至VB212，并在“從遠程PLC的何處讀取數(shù)據(jù)？”選項中將數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)地址設置為VB310至VB312。其余從站的網(wǎng)絡通信參數(shù)設置以此類推。

圖2 從站3的網(wǎng)絡通信參數(shù)設置

4 結(jié)語

該系統(tǒng)硬件和軟件設計完成后，參照西門子工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一體化裝配方案搭建運行平臺，并應用于某飲料加工企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場進行測試，結(jié)果顯示：系統(tǒng)連續(xù)運行8 h過程中，飲料瓶自動裝箱作業(yè)準確率為99.5%，網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)的傳送發(fā)送掉包率為0.2%，各部件加工作業(yè)的平均響應時間為0.03 ms。整體而言，系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定地實現(xiàn)飲料瓶自動裝箱加工作業(yè)，各預設指標參數(shù)均有良好的達成度，符合預期的設計初衷，實現(xiàn)了提升飲料加工企業(yè)灌裝作業(yè)的集約化和自動化的目標，具有較高的應用推廣價值。