劉繼修

(濟寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，山東 濟寧 272037)

0 引言

鋁合金擠壓型材經(jīng)陽極氧化電解著色工藝處理后可獲得更好的表面性能，被廣泛應(yīng)用于建筑物的門窗、幕墻和卷簾?，F(xiàn)有鋁材的陽極氧化著色生產(chǎn)工藝流程多而復(fù)雜，現(xiàn)場各種電控設(shè)備布局分散，電纜敷設(shè)工程量大且故障點多。目前，控制系統(tǒng)也普遍存在自動化程度不高等問題，很多系統(tǒng)仍采用人工操作，工人勞動強度大、工作效率低、產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，且生產(chǎn)現(xiàn)場酸堿霧氣對操作人員的身體健康有較大影響。因此，提高整個系統(tǒng)的集成自動化水平是解決上述問題的有效途徑。

本文應(yīng)用Profibus-DP現(xiàn)場總線，將控制中心主站S7-300 PLC與各從站PLC和遠程I/O設(shè)備、HMI通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，開發(fā)出鋁型材氧化著色生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)。上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)對其實施遠程監(jiān)控，分布式I/O單元分散到實際需要的現(xiàn)場設(shè)備附近，從而使整個系統(tǒng)的工程費用、裝配費用、硬件成本、設(shè)備調(diào)試和維修成本降到最低。

1 生產(chǎn)工藝流程及現(xiàn)場設(shè)備

本生產(chǎn)線全長30 m、寬10 m、高4.5 m，采用掛鍍直線型，對應(yīng)鋁型材陽極氧化工藝而依次排列的設(shè)備分別為上料機、除油槽、堿蝕槽、中和槽、氧化槽、電解著色槽、封孔槽、烘干箱和卸料機，各個工序處理槽之間都設(shè)置至少一個水洗槽用于清潔［1－4］。由于每道工序的處理時間不同，根據(jù)生產(chǎn)負荷平衡原理，每道工序布置的工藝槽數(shù)也不盡相同，其中氧化4個槽、著色2個槽、低溫封孔2個槽，其余皆為1槽，共20個槽組。

系統(tǒng)控制的設(shè)備有:上卸料裝置、行車、冷凍機、加熱系統(tǒng)、過濾機、噴淋泵、純水制備機、給排水系統(tǒng)、排風(fēng)及攪拌系統(tǒng)、氧化直流電源、電解著色交流電源和烘干爐等。其中，上卸料裝置的主要功能是鋁合金型材在上料區(qū)的裝送處理及卸料區(qū)的成品卸下處理。上料完畢，操作人員在上料區(qū)觸摸屏“品種設(shè)定畫面”中輸入處理型材的類型，如堿洗時間、氧化時間和著色時間等，并在觸摸屏“控制畫面”中給出上料完畢信號，自控裝置立即就會控制行車將料架吊起并將其送入各處理槽，按設(shè)定的工藝進行處理［3］。最后，成品被送至卸料區(qū)，卸料完畢由人工給出信號，過跨車及輔助傳送裝置自動將空導(dǎo)電梁從卸料區(qū)搬至上料區(qū)。生產(chǎn)線工藝 流程如圖1所示［2］。

圖1 生產(chǎn)線工藝流程圖Fig.1 Technological process of the production line

整條生產(chǎn)線共有3臺行車，且它們在同一軌道上運行。3臺行車分別由各機載控制箱PLC控制，并受系統(tǒng)控制中心協(xié)同調(diào)度。行車為單鉤龍門式結(jié)構(gòu)，在鋼軌上運行，作業(yè)形式為橫吊式，水平行走變頻調(diào)速驅(qū)動，最大行走速度為35 m/min。掛具起吊架在垂直導(dǎo)軌上下運動，行車提升高度大于1000 mm。升降為雙速電機驅(qū)動，升降最大速度為12 m/min。行車能平穩(wěn)啟動和?？?，定位精度高，保證零件能按預(yù)置工位號自動、平穩(wěn)、準確地平移或升降至指定位置。系統(tǒng)控制中心根據(jù)季節(jié)室溫不同，使冷凍機或加熱系統(tǒng)自動接入，系統(tǒng)自動控制各槽組的溫度，使溫度參數(shù)滿足工藝要求［4］。氧化著色電源設(shè)備除由設(shè)備本身自控儀表完成自動控制外，還與系統(tǒng)控制中心進行通信連接，并由其控制運行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

S7-300 PLC作為DPM1主站，是整個控制系統(tǒng)的核心。行車分別由3個S7-200 PLC控制，上卸料、過跨車和輔助傳送裝置為分布式I/O設(shè)備，排風(fēng)及攪拌系統(tǒng)由變頻器MM440驅(qū)動，它們均為從站。在上料區(qū)兩側(cè)設(shè)置2臺HMI，作為DPM2主站連接到Profibus-DP總線上［5］。主站間的通信為令牌方式，主站與從站間的通信為主從方式。上位機內(nèi)裝WinCC，利用機內(nèi)網(wǎng)卡CP1613與S7-300 PLC站CP343-1實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)通信，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the control system

2.1 主控單元

主控單元采用西門子CPU315-2DP高性能PLC，電源模塊采用PS307，另配置2塊數(shù)字量輸入模塊SM321 DI32×24 V、2塊數(shù)字量輸出模塊SM322 DO32×24 V、1塊繼電器輸出模塊SM322 DO8×230 V和2塊模擬量輸入模塊SM331 AI8×12位。主單元接收來自控制柜的全自動啟動、周期停止和緊急停車等按鈕信號，現(xiàn)場氧化槽、著色槽的有料信號和通電/故障信號，烘干爐設(shè)備動作信號，水噴淋故障信號以及11路Pt100熱電阻溫度傳感器信號等，并按照工藝要求發(fā)出控制信號，讀取從站的狀態(tài)，從而控制有關(guān)設(shè)備運行。

2.2 行車控制單元

生產(chǎn)線共設(shè)3臺行車，分別負責(zé)上料區(qū)和前處理槽組，氧化著色，封孔、烘干和卸料區(qū)的料架移送。系統(tǒng)設(shè)計中每臺行車均設(shè)置一機載控制箱，控制系統(tǒng)均為西門子S7-200 CPU226CN，另配置1個16點輸入擴展模塊 EM221和1個擴展通信模塊EM227。3臺S7-200作為從站連接到Profibus-DP總線上，并受主站S7-300 PLC調(diào)度。每臺S7-200 PLC及擴展模塊完成各控制信號及定位信號的采集，實現(xiàn)行車運行、變頻器各種速度切換和報警燈的自動控制。起重機的水平行走采用交流變頻調(diào)速控制器進行速度控制，升降采用雙速電動機進行驅(qū)動。系統(tǒng)可以進行手動/自動操作，行車側(cè)面上設(shè)有各向運行的控制、急停等按鈕。在手動狀態(tài)下，各動作可以在人工控制下單獨進行操作;在自動狀態(tài)下，每道工序按照設(shè)定好的控制程序進行操作。

2.3 上卸料控制單元

上卸料控制單元、過跨車及輔助傳送裝置設(shè)置在生產(chǎn)線的兩端，均由分布式I/O模塊ET200M控制，作為DP從站連接到Profibus-DP總線上。上料控制單元配置了1塊SM321 DI32×24 V、1塊 SM322 DO32×24 V和1個接口模塊IM153-1，分別控制2臺上料機升降裝置的升降及儲料架的運轉(zhuǎn)。上料架驅(qū)動裝置采用氣缸或交流電動機驅(qū)動，采用三相交流動力電源。上料控制箱內(nèi)的主要元件為斷路器、接觸器和繼電器等。卸料控制單元、過跨車及輔助傳送裝置配置了2塊SM321 DI32×24 V、1塊SM322 DO32×24 V和1個接口模塊IM153-1，用于控制卸料區(qū)各驅(qū)動裝置的運轉(zhuǎn)，完成成品的卸下并將空導(dǎo)電梁交與傳送裝置移至上料區(qū)。卸料區(qū)各傳動裝置用氣動裝置驅(qū)動，限位開關(guān)進行定位，卸料控制箱內(nèi)主要元件為繼電器。上卸料控制裝置將運轉(zhuǎn)信息及故障信號通過Profibus-DP總線送至中央控制柜CPU，接受來自中央控制柜的指令，與起重機的行走進行協(xié)調(diào)，防止相互間碰撞。

2.4 排風(fēng)及攪拌控制單元

通風(fēng)系統(tǒng)主要設(shè)備包括風(fēng)機、風(fēng)罩和風(fēng)管，采用槽邊排風(fēng)及時排走廢氣。為使槽液均勻、提高處理效果，在槽的底部通入壓縮空氣攪拌導(dǎo)管，攪拌風(fēng)源來自鼓風(fēng)機或空壓機等裝置［4］。風(fēng)機和鼓風(fēng)機或空壓機均用變頻器驅(qū)動。由于設(shè)備噪聲大，一般將它們單獨安裝在一個房間內(nèi)。變頻器采用西門子公司的MM440變頻器，通過CBP通信板作為從站連入Profibus網(wǎng)絡(luò)［6］。PLC通過總線，不斷地讀取和修改變頻器內(nèi)部運行狀態(tài)信息，以完成對2臺電機的控制。

3 軟件設(shè)計

3.1 硬件組態(tài)

系統(tǒng)的硬件組態(tài)主要在Step 7軟件的HW Config中完成，包括主站組態(tài)和從站組態(tài)。主站組態(tài)為在0號機架1號槽位放置電源模塊PS3075A，2號槽位放置CPU315-2DP，4號槽位放置以太網(wǎng)模塊 CP343-1，5～8號槽分別放置數(shù)字量輸入、輸出及模擬量模塊。從站組態(tài)為3個 S7-200從站 EM227、2個分布式 I/O ET200M和2臺變頻器。當(dāng)組態(tài)EM227時，需將其GSD文件導(dǎo)入Step 7中，方可組態(tài)從站通信接口。分別設(shè)置EM227、變頻器和ET200的網(wǎng)絡(luò)地址、數(shù)據(jù)交換區(qū)等屬性及相關(guān)參數(shù)。整個硬件組態(tài)和參數(shù)設(shè)置完畢后存盤編譯并下載到PLC中。硬件組態(tài)如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)圖Fig.3 Hardware configuration

3.2 程序設(shè)計

S7-300的程序設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化編程。本系統(tǒng)PLC程序用到了暖啟動OB100、主程序循環(huán)OB1、日期時間中斷OB10(設(shè)置為間隔中斷方式)、循環(huán)中斷OB35等組織塊和自定義的功能FC、功能塊FB、數(shù)據(jù)塊DB以及系統(tǒng)功能SFC和系統(tǒng)功能塊SFB等［7－8］。主機程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 主機程序設(shè)計流程圖Fig.4 Flowchart of main program design

各從站S7-200的控制程序在Step7-MicroWIN V4.0中編寫，可用S7-200存儲區(qū)中的VB0～VB15與S7-300過程映像存儲區(qū)的IB0～IB7和QB0～QB7交換數(shù)據(jù)。

3.3 觸摸屏畫面組態(tài)設(shè)計

系統(tǒng)選用TP177B型觸摸屏，用WinCC flexible軟件對觸摸屏進行組態(tài)設(shè)計，實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的操作、工藝參數(shù)的管理維護和運行監(jiān)控。根據(jù)工藝要求，設(shè)計了系統(tǒng)菜單主界面、自動運行界面、手動操作界面、顯示與編輯工藝參數(shù)界面和報警信息界面，各個界面間可相互切換，操作方便。下面針對系統(tǒng)菜單主界面和自動運行界面進行說明。

①系統(tǒng)菜單主界面

系統(tǒng)開機后，首先顯示用戶信息及當(dāng)前日期和時間，接著進入系統(tǒng)菜單主界面。點選“運行方式”后進入運行方式選擇界面，可以點選“自動運行”和“手動菜單”。該界面還可提示當(dāng)前控制系統(tǒng)的狀態(tài)是在操作運行中還是在停止狀態(tài)。利用該畫面中設(shè)置的觸摸開關(guān)，可以對系統(tǒng)進行操作，如上料完畢、暫停、停止等。點選“顯示運行參數(shù)”后進入系統(tǒng)當(dāng)前運行參數(shù)顯示界面，可以顯示當(dāng)前運行的程序號、各槽位設(shè)定的工藝參數(shù)和當(dāng)前運行參數(shù)?！皺z查工藝參數(shù)”和“編輯工藝參數(shù)”最多可以檢查和修改16個程序號的工藝配方數(shù)據(jù)?！皥缶畔ⅰ笨捎糜谙到y(tǒng)維護。

②自動運行界面

自動運行界面中設(shè)計了多個工藝流程示意圖，可分畫面顯示上卸料機、過跨車及輔助傳送裝置、排風(fēng)風(fēng)機及攪拌空壓機的運行狀況及當(dāng)前料架位置、各行車所處的位置和運行方向、吊鉤位置、各工序?qū)嶋H運行的時間等實時信息。此畫面可以監(jiān)控生產(chǎn)運行狀況。

4 上位機監(jiān)控功能實現(xiàn)

為方便生產(chǎn)調(diào)度和數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)設(shè)置了上位機，并通過工業(yè)以太網(wǎng)與主站連接。上位機內(nèi)裝WinCC組態(tài)軟件，主要實現(xiàn)主畫面、分站設(shè)備運行狀態(tài)、操作畫面、實時曲線、歷史曲線、報警畫面及報表數(shù)據(jù)顯示等監(jiān)視功能。

主畫面通過流程圖和實時數(shù)據(jù)，生動直觀地顯示整個生產(chǎn)線的運行情況。分站設(shè)備運行狀態(tài)畫面則以動畫、指示燈形式直觀地表示出從上料到卸料沿線各分站相關(guān)設(shè)備的運行和故障狀態(tài):操作畫面可對設(shè)備進行遠程啟?？刂?、緊急停車和故障復(fù)位等;實時曲線、歷史曲線、報警畫面和報表數(shù)據(jù)等分別以不同的方式監(jiān)視系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)，并可定期歸檔存盤［9－10］。

5 結(jié)束語

采用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)，將鋁型材氧化著色生產(chǎn)線各分散設(shè)備進行集成，由主站PLC控制，利用工業(yè)以太網(wǎng)通過上位機實現(xiàn)遠程監(jiān)控。實際運行表明，系統(tǒng)自動化水平高、故障率低、操作維護方便，有利于實現(xiàn)柔性生產(chǎn)、改善操作人員的工作條件。同時，各種物料能源也能得到最合理的利用，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

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