◎王莉靜

（三門峽職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，河南三門峽472000）

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和信息化的普及，自動化控制的智能制造時代已經(jīng)到來，工業(yè)4.0 對鋁工業(yè)生產(chǎn)加工領(lǐng)域帶來了機遇和挑戰(zhàn)。目前可編程控制器（通常稱為PLC）是一種工業(yè)控制計算機，具有配置靈活、處理速度高、數(shù)據(jù)處理能力強、多功能模塊化控制，性價比高等性能，能充分適應(yīng)不同的工業(yè)生產(chǎn)實際，操作簡單，可靠性高，是應(yīng)用最廣泛的控制裝置之一。[1]

鋁錠鑄造機是用于通過大型混合爐及流槽將熔融電解鋁液鑄造成為規(guī)定重量熔用的普通鋁錠設(shè)備。[2]由鑄造機生產(chǎn)的鋁錠出廠前要進行打標記錄生產(chǎn)信息，傳統(tǒng)鋁錠打標是由人工操作，記錄整垛鋁錠的參數(shù)信息，包含鋁錠生產(chǎn)廠家、鋁錠重量等內(nèi)容；工作效率低、工作環(huán)境差，且信息收集容易出錯，鋁錠的生產(chǎn)信息無法溯源。筆者設(shè)計的西門子PLC 控制鋁錠打碼系統(tǒng)則實現(xiàn)了自動化打碼。

傳統(tǒng)人工打標已經(jīng)非常落后，部分鋁錠生產(chǎn)企業(yè)采用進口設(shè)備打碼，設(shè)備昂貴且維護費用較高，增加生產(chǎn)成本；同時，操作人員技術(shù)水平較低，產(chǎn)品無法適應(yīng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級進行低成本的更新；通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸與其他設(shè)備不匹配；這些問題都阻礙了進口設(shè)備的廣泛推廣。國內(nèi)的打碼系統(tǒng)較多，但是針對鋁錠打碼且應(yīng)用QR 碼技術(shù)的寥寥無幾。本文設(shè)計的基于PLC 的氣動馬達打碼系統(tǒng)具有打碼速度快、脈沖頻率高，精確定位精度高、參數(shù)設(shè)置靈活等特點，在工業(yè)過程控制中使用，可靠性高，便于監(jiān)控和信息反饋。同時，借助于工業(yè)化信息技術(shù)和QR 碼識別技術(shù)等先進的手段，可以完成打碼數(shù)據(jù)信息的在線傳輸，實現(xiàn)信息技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合與集成，為智能工廠的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計的總體方案概述

以記錄整跺鋁錠參數(shù)信息為目標，基于TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸作為切入點，設(shè)計一套基于PLC 控制的氣動馬達打碼系統(tǒng)，通過硬件連線和軟件編程對打碼系統(tǒng)進行控制。當整垛鋁錠行走至打碼工位，收到鋁錠行走的速度信號、鋁錠位置定位信號和方向信號。此刻自動打碼系統(tǒng)準備啟動，首先由PLC 給出信號，電磁閥接收到信號后，控制氣缸伸出，氣缸帶動氣動馬達工作，[2]馬達前端的氣動鋼針在約80 秒時間內(nèi)，依據(jù)程序的指令進行準確定位移動和高頻率脈沖伸縮，完成在線自動打碼，并記錄在鋁錠成品上；同時結(jié)合現(xiàn)代化工業(yè)需求，將QR 碼及識別技術(shù)應(yīng)用在打碼系統(tǒng)中，并將整垛鋁錠信息記錄準確。然后把數(shù)據(jù)傳輸至倉庫管理中心，完成鋁錠的在線信息存儲和出庫。通過打碼信息的數(shù)據(jù)采集，倉庫管理中心能及時對生產(chǎn)情況和出庫數(shù)據(jù)進行控制。這樣節(jié)約了人力成本，創(chuàng)新了打碼技術(shù)和在線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，也大大提高了鋁錠生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

2 系統(tǒng)的硬件模塊組成及特點

從生產(chǎn)實際出發(fā)來考慮，硬件模塊結(jié)構(gòu)由PLC、氣缸、氣動馬達、氣動打標裝置（氣動鋼針）和控制柜組成。

2.1 PLC 的選型及特點

PLC 的選擇直接影響打碼系統(tǒng)的經(jīng)濟指標，所以應(yīng)從機型的選擇、容量的選擇、I/0 模塊的選擇，電源模塊的選擇等幾方面考慮。在本控制系統(tǒng)中，綜合控制系統(tǒng)對PLC 的功能要求、使用的I/0 點數(shù)以及現(xiàn)場環(huán)境等因素，選擇了西門子PLC S-200smart，西門子PLC S-200smart 適用于各行各業(yè)的小型自動化控制，其功能強大、可靠性高、指令豐富；操作便捷易于掌握、有較強的通訊能力和豐富的擴展模塊，可以實現(xiàn)獨立運行，或連成網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)復(fù)雜控制。[1]西門子PLC 本身帶有高速脈沖計數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出頻率最大為10KHz，能夠滿足氣動馬達打碼的要求。

該打碼系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由西門子PLC S7-200smart 主控，I/O 通信接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，HMI 觸摸屏進行人機交互，PLC 程序控制組件完成打碼功能，主要包括位移傳感器、光電接近開關(guān)、氣動馬達、氣缸、氣動鋼針和按鈕、指示燈等。

選擇型號為S7-200smart 本地站，本機集成24 輸入/16 輸出共40 個數(shù)字量I/O 點?？蛇B接2個擴展模塊，有RS485 通訊/編程口，具有PPI 通信協(xié)議、MPI 通信協(xié)議和自由方式通訊能力。端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。

2.2 氣缸的選擇

氣缸是將氣源的能量轉(zhuǎn)化為機械能輸出，影響氣缸型號的參數(shù)主要有氣缸缸徑、氣缸行程、氣缸的安裝形式和緩沖形式等。[2]為實現(xiàn)氣動馬達帶動氣動鋼針按照固定頻率進行運動，結(jié)合工廠生產(chǎn)實際，氣缸移動距離約為50mm，氣缸選擇為單軸氣缸，亞德客SC 系列標準氣缸SC50x80—S，氣缸由缸體和活塞桿組成，缸體兩端分別由進氣口和出氣口。亞德客SC 系列產(chǎn)品免潤滑，帶有固定緩沖，氣缸終端還帶有可調(diào)緩沖，氣缸換向時平穩(wěn)無沖擊，且耐高溫，可以長時間工作。當壓力氣體從氣缸一端進入缸體，就會迫使活塞運動，為了確定氣缸內(nèi)活塞是否達到對應(yīng)的運動位置，則在氣缸上安裝2 個磁性傳感器來檢測不同的位置信息。當執(zhí)行元件上的傳感器給PLC 控制器發(fā)出信號，才能進行下一步動作。由于氣動馬達要實現(xiàn)脈沖伸縮，氣缸的伸出時間必須保證，因此可以用PLC 定時方式控制氣缸電磁閥的通電時間。

2.3 氣動馬達的選型

氣動馬達安裝在氣缸伸出軸的前端，氣缸將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能輸出后，從而來控制產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動的氣動執(zhí)行元件馬達。氣動馬達是把壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機械能的裝置。氣動馬達上裝的鋼針是直接實現(xiàn)鋁錠在線打碼的物理載體，氣動馬達可以實現(xiàn)無級調(diào)速，能夠瞬時換向，而且在正反向轉(zhuǎn)換時，沖擊很??；工作安全，不受振動、高溫、電磁輻射的影響，有過載保護作用，具有較高的啟動力矩，可以直接帶載荷啟動。啟動、停止均迅速。考慮到氣動打碼鋼針的打碼位置準確與否和打碼時間的長短等因素都會影響生產(chǎn)效率，所以選擇氣動馬達進行高頻率打碼，是較好的實施方案。

氣動馬達的選取取決于四大因素：功率、扭矩、轉(zhuǎn)速和耗氣量。綜合考慮生產(chǎn)實際，氣動鋼針需要在80S 內(nèi)實現(xiàn)鋁錠在線自動打碼，因此，選擇葉片式氣動馬達。同時，安裝一個二位三通的電磁閥來控制馬達的旋轉(zhuǎn)方向，確保馬達有壓縮空氣供給和殘留空氣排出。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計方案

鋁錠在線打碼系統(tǒng)自動程序流程圖

氣動打碼系統(tǒng)中的PLC 用于接收信號，并通過給電磁閥信號來發(fā)出執(zhí)行命令。當前一工序完成在線計量稱重并碼垛后，運送至打碼工位，檢測裝置檢測到鋁錠垛送至該位置，打碼工位接收到信號，開始工作。首先，PLC 給出電磁閥動作信號，氣缸開始工作[2-3]，氣缸向鋁錠垛一側(cè)行走50mm，壓緊裝置下行，壓住鋁錠垛，此時鋁錠靜止不動、氣動針頭對準鋁錠垛最高、最外層一側(cè)，PLC 給出氣動馬達信號，氣動鋼針由氣動馬達帶動開始高頻率振動打碼，PLC 自動切換至打碼程序，約80S 左右將實時的數(shù)據(jù)信息打碼在鋁錠垛上。（包含單位名稱、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)班次、重量、鋁錠純度、QR 碼等）打碼完成后，信號返回PLC，數(shù)據(jù)傳輸至倉庫管理中心，倉庫管理中心接收到數(shù)據(jù)信息，完成打碼（見上圖）。打碼工位接收到結(jié)束信號，PLC 發(fā)出執(zhí)行信號，壓緊裝置抬起，氣缸縮回到指定位置，開始下一次打碼準備。[4]

3.2 I/0 地址分配表

在氣動打碼系統(tǒng)工作過程中，系統(tǒng)控制對象為：電磁閥、氣缸伸出軸、氣動馬達、電磁換向閥、氣動鋼針。需要檢測的參數(shù)為氣缸伸出的極限位置、氣動馬達脈沖信號、氣動馬達的打碼位置、打碼信息的QR 碼位置檢測。

根據(jù)在線打碼系統(tǒng)的控制要求，整個控制系統(tǒng)的輸入點為6 點，輸出點為4 點，I/0 地址分配如下表所示。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用實例

4.1 系統(tǒng)的測試與性能分析

鋁錠打碼系統(tǒng)安裝完畢后，對PLC 控制程序的運行進行測試，射頻識別設(shè)備靈敏、可以準確控制氣缸和氣動馬達的動作、準確定位；打碼鋼針的動作精準，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的打碼效果，通過打碼記錄在鋁錠上的產(chǎn)品信息尺寸約60×40mm，打印時間在預(yù)定的80S 內(nèi)，精確度較高，打碼系統(tǒng)的設(shè)備安裝合理。

4.2 企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用實例

通過對硬件安裝測試和PLC 控制程序調(diào)試，實現(xiàn)了氣缸和氣動馬達的準確定位；打碼鋼針的精準動作，在鋁錠上記錄了尺寸約60×40mm 的產(chǎn)品信息。

該氣動在線打碼系統(tǒng)已經(jīng)在某鋁錠制造企業(yè)得到實際應(yīng)用，與上一工序碼垛裝置能很好地協(xié)調(diào)工作。經(jīng)過試生產(chǎn)和實踐，證明該裝置適應(yīng)能力強、體積小、安裝方便靈活，質(zhì)量標準符合鋁錠行業(yè)生產(chǎn)需求。同時可在控制柜上模擬現(xiàn)實打碼效果，可直接在屏幕上進行觀察。工作適應(yīng)性強，能夠連續(xù)工作24 小時以上。打碼系統(tǒng)能夠提供造字程序、自動記憶打碼數(shù)據(jù)及自動記憶設(shè)定的打碼狀態(tài)、流水號數(shù)等。同時，鋁錠打碼完成后，可將打碼信息傳輸至倉儲管理系統(tǒng)，便于追溯打碼信息。該設(shè)備單套售價6 萬—8 萬；每月節(jié)省4 人工資，約2 萬，每年可節(jié)省人力成本投入24 萬。

4.3 打碼系統(tǒng)的優(yōu)點

降低工人的勞動強度，打碼精度和穩(wěn)定性增強，打碼速度快，提高了作業(yè)有效時間，生產(chǎn)效率高，經(jīng)濟效益高；降低了人工打碼的打印大錘、針頭和印盒等耗材的使用；改善了打碼現(xiàn)場作業(yè)的惡劣環(huán)境，不易引發(fā)安全事故，夏天高溫生產(chǎn)不易出現(xiàn)中暑現(xiàn)象，避免了人工打碼過程中，大錘（或錘頭）飛出傷人；提升了打碼質(zhì)量，避免了錯打、漏打和打碼不清楚等情況，減少了因為人工打碼錯誤產(chǎn)生的廢品而給企業(yè)造成很大的損失；應(yīng)用了QR 碼及識別技術(shù)，與信息技術(shù)緊密結(jié)合，也實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化，并加快和推進了智能工廠的建設(shè)；將物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同交互，及時借助數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將采集的打碼信息進行記錄和傳輸。大大節(jié)省了人力和物力，充分體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)的信息化、集約化優(yōu)勢[5-6]。

輸入/輸出端口分配表

5 結(jié)語

介紹了氣動馬達在鋁錠在線自動打碼系統(tǒng)中的實際應(yīng)用，通過PLC 來控制氣缸和氣動馬達，從而帶動氣動鋼針高頻率振動，實現(xiàn)現(xiàn)代化智能工廠的打碼技術(shù)和在線傳輸技術(shù)，應(yīng)用前景良好。該氣動打碼系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用，可以解決小型鋁錠加工行業(yè)打碼的技術(shù)難題，提高了鋁錠生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，又能節(jié)約人力成本和經(jīng)濟成本，加快了企業(yè)的發(fā)展速度，具有明顯的社會效益。同時對其他鋁加工行業(yè)自動打碼系統(tǒng)的改進和提高具有十分積極的意義。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，節(jié)約成本，經(jīng)濟效益較高，非常容易推廣使用。