趙徐濤，張秋菊，李克修

(江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214122)

巖棉生產(chǎn)線自動堆垛系統(tǒng)設(shè)計

趙徐濤，張秋菊，李克修

(江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214122)

針對巖棉生產(chǎn)線的自動化堆垛需求，設(shè)計開發(fā)了一套基于PLC和觸摸屏的自動堆垛系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)了與巖棉生產(chǎn)線主控系統(tǒng)的通信。詳細介紹了自動堆垛系統(tǒng)的構(gòu)架和設(shè)計方案。該系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場試用，性能穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)要求，促進了巖棉生產(chǎn)的全面自動化和勞動環(huán)境條件的改善。

巖棉生產(chǎn)線;自動堆垛;PLC;現(xiàn)場總線

巖棉是以天然巖石如玄武巖、輝長巖、白云石、鐵礦石、鋁礬土等為主要原料，經(jīng)高溫熔化、纖維化而制成的無機質(zhì)纖維，因其優(yōu)良的絕熱性能、燃燒性能、隔音性能而在建材業(yè)節(jié)能材料領(lǐng)域受到關(guān)注，得到越來越廣泛的應用。國內(nèi)生產(chǎn)巖棉的廠家也越來越多，生產(chǎn)線的規(guī)模越來越大。巖棉的生產(chǎn)設(shè)備也由完全從國外引進發(fā)展為以自主開發(fā)為主。當今國產(chǎn)巖棉生產(chǎn)線中，壓制成型的巖棉產(chǎn)品經(jīng)切割之后，由人工進行堆垛，最后包裝出廠。由于巖棉制品粉塵嚴重，長期吸入對身體傷害大，人工堆垛的勞動強度大，勞動環(huán)境惡劣，急需實現(xiàn)巖棉堆垛過程的自動化。目前，控制系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)取得相當大的成就，簡單的 PLC控制系統(tǒng)［1－2］或基于PLC的DCS控制系統(tǒng)［3］以及基于PLC和FCS的控制系統(tǒng)［4－5］在現(xiàn)實生產(chǎn)中使用成熟，應用廣泛。本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了一套基于PLC和觸摸屏的自動堆垛系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠匹配生產(chǎn)線不同的生產(chǎn)速度將巖棉制板堆放整齊，平穩(wěn)地送入包裝系統(tǒng)。

1 自動堆垛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案

巖棉板的主要生產(chǎn)工藝流程是:天然巖石經(jīng)高溫熔融成纖，成為無機質(zhì)纖維材料巖棉，然后加入適量粘結(jié)劑固化壓制成型，再按規(guī)格尺寸要求切割成巖棉板。切割后的巖棉板通常是單層并排2～3個在傳送帶上連續(xù)輸送。經(jīng)過堆垛單元后成為單排多層送入熱縮包裝系統(tǒng)打包，最后裝車起運。因此堆垛單元的主要功能是將單層并排2～3個巖棉板快速進行多層堆垛，并轉(zhuǎn)化為單排進行輸送。自動堆垛系統(tǒng)除了要滿足上述功能要求外，還需要堆垛速度的可調(diào)，以實現(xiàn)與整條巖棉生產(chǎn)線的速度匹配。此外，還應實現(xiàn)對不同規(guī)格尺寸的巖棉板和堆垛層數(shù)的可調(diào)要求。

圖1給出了自動堆垛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案示意圖。該系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)主要分堆垛、傳送兩大部分。堆垛部分由機架和上下叉構(gòu)成。機架是支撐結(jié)構(gòu)，上部安裝了水平導軌和氣缸，用于上叉的水平前后往復運動，下部安裝了垂直導軌和伺服電機以及齒輪齒條傳動機構(gòu)，用于帶動下叉做垂直上下運動;上叉用于把從上道工序輸送帶傳送過來的巖棉板接過來，堆放到下叉上，每堆放一層，下叉自動下落一定高度，在達到預定的層數(shù)和厚度后下叉便把巖棉板下放到傳送帶上。傳送部分由3段傳送帶和1個頂升裝置構(gòu)成。3段傳送帶速度依次遞增，用于將貼合在一起的巖棉板垛分離開一定距離，并利用第二段弧形傳送帶實現(xiàn)巖棉板垛的轉(zhuǎn)向。傳送帶3將分離和轉(zhuǎn)向后的巖棉板依次送入頂升區(qū)域，由頂升裝置將其送入熱縮包裝機。

圖1自動堆垛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案示意圖

2 堆垛工藝流程與難點分析

以并排2個巖棉板為例，堆垛工藝流程如下:

上叉伸出→巖棉板進入上叉→上叉回縮→巖棉板堆到下叉→下叉下降一定距離→巖棉板堆垛到指定厚度→下叉下降到最低位→巖棉板進入傳送帶→巖棉板離開下叉區(qū)域→下叉上升→巖棉板初步分離，轉(zhuǎn)向→巖棉板進一步分離→第一垛巖棉板進入頂升區(qū)域→傳送帶3停，頂升上升→第一垛巖棉進入包裝機→頂升下降，傳送帶3開→第二垛巖棉進入頂升區(qū)域→頂升上升→第二垛巖棉進入包裝機。

由于巖棉板質(zhì)地比較疏松，板間摩擦力很大，使得如何保證每層巖棉板堆垛整齊成為難點之一。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)問題主要出現(xiàn)在上叉回縮→巖棉板堆到下叉這個環(huán)節(jié)，由于每次堆垛時上叉和下叉之間的高度差不同而導致了誤差的產(chǎn)生。為此采取了多種措施:(1)使上叉與下叉之間的高度差盡可能小，且下叉每次下降高度盡可能一致;(2)在上叉根部位置加裝擋板，使得每塊巖棉板在上叉的位置盡可能一致;(3)上叉與下叉應盡可能保持水平平行，不發(fā)生傾斜。另外，滿足不同的生產(chǎn)速度并且在3段傳送帶運輸過程中使得每垛巖棉板有效分離達到合適距離，順利實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和頂升操作也是系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵。巖棉生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度范圍為1.8～18m/min，巖棉的規(guī)格為寬600mm，高30～120mm，當速度為12m/min時，需要上叉每6s接一次巖棉塊。當未達到指定厚度時，堆垛一次時間為6s。當達到指定堆垛厚度時，從上叉回縮到下叉下降到最低位，傳送帶1把巖棉板垛運離下叉區(qū)域，下叉上升到初始位這一過程的時間也是6s。若生產(chǎn)線速度改變，需改變下叉升降速度，傳送帶1速度使得總時間滿足小于一個堆垛周期。又因為涉及到分離過程，傳送帶2和傳送帶3根據(jù)傳送帶1的速度進行相應調(diào)整。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

巖棉自動堆垛系統(tǒng)屬于巖棉生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，可以獨立控制，也可以接受主系統(tǒng)指令而作出相應回應。根據(jù)工藝流程和控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，可以對堆垛系統(tǒng)從兩個方面進行闡述:從現(xiàn)場控制角度上講，巖棉堆垛系統(tǒng)需要完成巖棉位置的監(jiān)測、執(zhí)行器件順序控制、電機啟停;從數(shù)據(jù)處理角度上講，巖棉堆垛系統(tǒng)需要完成參數(shù)設(shè)定、內(nèi)部數(shù)據(jù)運算、實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、錯誤參數(shù)報警等功能。在巖棉堆垛系統(tǒng)內(nèi)部，存在著傳送帶控制系統(tǒng)。3個系統(tǒng)的關(guān)系反映到作為控制核心的PLC上就是:PLC通過從站模塊連入上級控制系統(tǒng)接受指令、反饋信息，又作為主站對各傳送帶的電機進行參數(shù)設(shè)置、實時監(jiān)控。這樣的結(jié)構(gòu)降低了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸量，提高了控制效率。鑒于現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的優(yōu)越性，本系統(tǒng)采用PROFIBUS－DP進行聯(lián)網(wǎng)。出于現(xiàn)場控制的考慮，需要一個人機交互的過程，采用觸摸屏來進行現(xiàn)場參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)測、手動操作。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)采用西門子S7－200 PLC CPU224XP作為一類主站、西門子KTP－178觸摸屏作為二類主站來進行現(xiàn)場層的控制，傳送帶控制系統(tǒng)采用西門MM420變頻器對電機進行變頻控制。對于整個巖棉生產(chǎn)線控制網(wǎng)絡(luò)來講，本系統(tǒng)采用EM277通信模塊作為DP從站來進行S7－200PLC與上位機的通信。由于控制需要，本例增加了EM233模塊進行開關(guān)控制。出于監(jiān)測要求，采用了接近開關(guān)檢測下叉，頂升上下限位，采用光電傳感器檢測巖棉位置。通過伺服控制器控制伺服電機來完成對下叉的調(diào)速，通過電磁閥控制氣路從而控制上叉運動，通過各種繼電器來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，硬件原理如圖3所示。

圖3 硬件原理圖

3.3 軟件設(shè)計

本例使用西門子S7－200 PLC專用編程軟件STEP 7 V 4.0對PLC進行編程。系統(tǒng)可分自動、手動兩種形式。在自動運行時，當有現(xiàn)場信號傳到PLC，PLC即根據(jù)所設(shè)定的程序和參數(shù)對系統(tǒng)進行順序控制，并將檢測到的信息發(fā)送到監(jiān)控界面上予以顯示;當手動運行時，PLC根據(jù)監(jiān)控界面上的命令對相應元件進行狀態(tài)判斷，并對執(zhí)行元件發(fā)出控制信號，然后把運行結(jié)果反饋到監(jiān)控界面上。系統(tǒng)的控制流程如圖4所示。

圖4 控制流程圖

監(jiān)控界面的設(shè)計使用的是西門子HMI組態(tài)軟件WINCC FLEXIBLE 2008。WINCC FLEXIBLE 2008是一款功能強大的HMI設(shè)備組態(tài)軟件，它可以集成到所有自動化解決方案內(nèi)，內(nèi)置所有操作管理功能，可簡單、有效地進行組態(tài)，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。觸摸屏作為二級主站主要完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、信息反饋、錯誤報警、現(xiàn)場調(diào)試等功能。圖5是系統(tǒng)的主界面，反映了系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)。手動模式如圖6所示，可以對各個電器元件進行單獨控制，根據(jù)需要調(diào)整上叉伸縮時間、下叉上升和下降速度、傳送帶等速度來適應生產(chǎn)節(jié)拍。

圖5 監(jiān)控界面

圖6 手動操作界面

3.4 通信設(shè)計

本系統(tǒng)采用了PROFIBUS現(xiàn)場總線通信。在前面硬件設(shè)計中組態(tài)了EM277 PROFIBUS－DP從站模塊，通過該從站模塊將 S7 200PLC連接到PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)。EM277通過串行I/O口連接到S7－200的CPU。ROFIBUS網(wǎng)絡(luò)通過其DP通信端口與之相連。EM277接收主站傳輸來的多種不同的I/O配置，向主站發(fā)送和接收不同數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)。

對傳送帶系統(tǒng)的控制采用的是西門子專門為驅(qū)動裝置開發(fā)的USS通信協(xié)議，USS協(xié)議具有支持多點通信、報文簡單、數(shù)據(jù)傳送靈活高效、容易實現(xiàn)、成本較低等特點。針對MM3及以上系列產(chǎn)品，USS已經(jīng)集成了指令庫。如圖7所示，在 USS_INT指令塊中，MODE定義了通信口的類型(1表示的是USS通信，0是自由口通信)，Baud指定了通信頻率，Active表示變頻器從站的地址(在定義從站地址同時激活變頻器)。在USS_INT指令正確完成后Done位輸出1。USS_CTRL則是用于控制具體變頻器的指令。Drive定義了變頻器的地址，Speed則表示變頻器的頻率，其中VD640是設(shè)定的頻率值，VD644反饋的是電機運行的實際頻率。只要RUN位置1，變頻器便開始運作，OFF位置1，變頻器便停止。由上可知，通過使用各個指令塊，便能直接方便地實現(xiàn)對變頻器的控制，從而實現(xiàn)對傳送帶系統(tǒng)的監(jiān)控。

圖7 USS指令

4 結(jié)束語

針對國內(nèi)巖棉生產(chǎn)線的自動化堆垛需求，本文設(shè)計開發(fā)了一套基于PLC和觸摸屏的自動堆垛系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)了與巖棉生產(chǎn)線主控系統(tǒng)的通信。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試改進，解決了落料不整齊、堆垛送叉有沖擊、整體堆垛時間和生產(chǎn)節(jié)拍不協(xié)調(diào)等問題，整個系統(tǒng)穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)要求。該系統(tǒng)促進了巖棉生產(chǎn)的全面自動化，有效提高了生產(chǎn)效率，改善了勞動環(huán)境條件。

［1］宋陽.基于西門子PLC控制系統(tǒng)的電梯運行設(shè)備研究［J］.制造業(yè)自動化，2012，34(6):127 －129.

［2］吳坤，張樹剛.煤礦膠帶機的 PLC監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.PLC＆FA，2012(2):53－57.

［3］吳明亮，魏莉莉.基于PLC的工業(yè)鍋的DCS系統(tǒng)設(shè)計［J］.科學技術(shù)與工程，2010，10(23):5744 －5747.

［4］沈麗娥，吳亦鋒，張麗萍.基于PLC和FCS的濕法煙氣脫硫吸收塔監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.福州大學學報:自然科學版，2011，39(1):77－81.

［5］劉國華.基于PLC和FCS集中供熱鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電力科學與技術(shù)學報，2011，26(2):118－122.

Design of Automatic Stacking System for Mineral Wool Production Line

ZHAO Xutao，ZHANG Qiuju，LI Kexiu
(Jiangnan University，Jiangsu Wuxi，214122，China)

Facing the automatic stacking demand of mineral wool production line，it designs automatic stacking system based on PLC and touch screen，and integrates the rock wool production line control system with communication via Field bus.It introduces automatic stacking system architecture and design details.The application of this system shows that the system performance is stable and meets production requirements，promotes comprehensive rockwool production automation，and improves the labor environmental conditions.

Rockwool;Production Line;Automatic Stacker;PLC;Fieldbus

TP29

A

2095－509X(2013)05－0048－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.012

2013－01－31

趙徐濤(1987—)，男，浙江紹興人，江南大學碩士研究生，主要研究方向為機電一體化技術(shù)應用。