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工業(yè)自動(dòng)化在現(xiàn)代工業(yè)方面已經(jīng)成為了主要趨勢(shì)，為了更好地解放和發(fā)展生產(chǎn)力，機(jī)器代替人工或機(jī)器與人工共同作用成為了十分重要的方式。所謂工業(yè)自動(dòng)化，即使用自動(dòng)設(shè)備、自動(dòng)邏輯控制完成一系列有規(guī)律可循且減少重復(fù)勞動(dòng)力的機(jī)器操作方式。目前在鑄造企業(yè)，熔煉爐后加料大都是人工操作，加料過(guò)程全程需要有人工加料且轉(zhuǎn)運(yùn)至爐前，一些工廠爐后轉(zhuǎn)運(yùn)已經(jīng)改進(jìn)，但是加料過(guò)程還是全程需要人工參與。為了減少相對(duì)應(yīng)的勞動(dòng)力，就需要完成自動(dòng)加料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前硬件設(shè)備方面已經(jīng)有應(yīng)用，本文利用已有的硬件設(shè)備，研究其PLC 編程邏輯控制系統(tǒng)。

1 加料系統(tǒng)PLC 需求

圖1 為加料系統(tǒng)整體框架圖，需要設(shè)計(jì)PLC 控制的環(huán)節(jié)有以下幾個(gè)方面。

1）天車(chē)PLC 與單元交互，接受單元下發(fā)數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)到單元。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)整體框架圖

天車(chē)自動(dòng)加料觸發(fā)條件就是能夠獲取數(shù)據(jù)下發(fā)，數(shù)據(jù)下發(fā)的前提就是通訊，需要滿足上位機(jī)或者其他控制機(jī)和天車(chē)PLC 正常通訊，以此來(lái)保證數(shù)據(jù)的正常交互。

2）天車(chē)PLC 控制大、小車(chē)及起升變頻器完成天車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)。

天車(chē)PLC 的邏輯之一就是控制大、小車(chē)及起升變頻器自動(dòng)且安全運(yùn)行，控制天車(chē)運(yùn)行的核心就是控制變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)，在保證硬件連接無(wú)誤前提下，可以通過(guò)相對(duì)應(yīng)的邏輯控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3）天車(chē)PLC 邏輯控制磁盤(pán)吸放料。

天車(chē)PLC 的邏輯之一就是控制磁盤(pán)在何時(shí)吸料，何時(shí)放料。

4）天車(chē)PLC 與轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)正常通訊進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)的數(shù)據(jù)傳遞。

轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)對(duì)加料小車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)至爐前加料，而在加料小車(chē)離開(kāi)加料位置時(shí)，天車(chē)PLC 就需要暫停加料，直到加料小車(chē)到達(dá)加料位置方可繼續(xù)加料。這個(gè)過(guò)程需要天車(chē)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交互，所以保證二者之間的正常通訊是該設(shè)計(jì)的需求之一。

5）天車(chē)PLC 與吊鉤秤通訊獲取相應(yīng)的重量數(shù)據(jù)。

加料過(guò)程中，重量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取是加料系統(tǒng)誤差和正常運(yùn)行的前提，通過(guò)穩(wěn)定的有線通訊是保證重量獲取的基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體控制系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)

圖2 為加料系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)流程圖。天車(chē)PLC 在與智能單元保持正常通訊的前提下，獲取到單元下發(fā)的數(shù)據(jù)，在自動(dòng)運(yùn)行條件滿足下開(kāi)始運(yùn)行，磁盤(pán)開(kāi)始上升，上升至安全運(yùn)行位置；大車(chē)與小車(chē)開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行至相應(yīng)的料坑上方，大小車(chē)可以同時(shí)運(yùn)行；磁盤(pán)下降，觸碰到料坑底，在判斷了轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)在加料位置后磁盤(pán)上電吸料；磁盤(pán)上升至配料位置，判斷是否需要配料，如果需要配料進(jìn)入配料狀態(tài)機(jī)，如果不需要配料則磁盤(pán)上升至運(yùn)行高度；大小車(chē)運(yùn)行至放料位置；磁盤(pán)下降至放料位置放料；此時(shí)PLC判斷是否已經(jīng)加料完成，如果完成，則回到休閑區(qū)等待下一次數(shù)據(jù)下發(fā)，如果沒(méi)有完成，則循環(huán)從第二步繼續(xù)展開(kāi)。

圖2 加料系統(tǒng)狀態(tài)流程

整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)施將在此框架下進(jìn)行完善和補(bǔ)充，該總體控制狀態(tài)機(jī)是實(shí)現(xiàn)天車(chē)自動(dòng)加料的基礎(chǔ)。

2.2 設(shè)備連鎖

如圖3 所示，該系統(tǒng)中天車(chē)PLC 需要和三個(gè)設(shè)備完成通訊，分別是智能單元、吊鉤秤接收器和轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)。與吊鉤秤通過(guò)RS232 串口通訊方式，與智能單元通過(guò)ModBus TCP/IP Ethernet 通訊方式，與轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)通過(guò)ModBus TCP 通訊方式完成通訊。

圖3 設(shè)備連鎖示意圖

1）智能單元中KepWare 通過(guò)建立ModBus TCP/IP Ethernet 通道，在該通道下根據(jù)天車(chē)PLC 具體的局域網(wǎng)IP 地址進(jìn)行連接，并完成數(shù)據(jù)讀取與寫(xiě)入；天車(chē)系統(tǒng)與智能單元通訊數(shù)據(jù)包括：完成、下發(fā)重量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，爐號(hào)下發(fā)，加料開(kāi)始信號(hào)，系統(tǒng)報(bào)警狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

2）轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)是由施耐德PLC 控制。轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)PLC 與天車(chē)PLC 兩者之間實(shí)現(xiàn)的是一種互鎖的功能，即當(dāng)天車(chē)系統(tǒng)在磁盤(pán)下降至吸料位置判斷到加料小車(chē)已經(jīng)離開(kāi)加料位置，則需暫停加料直到接收到加料小車(chē)到位信號(hào)，方可繼續(xù)進(jìn)行加料；當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)系統(tǒng)判斷天車(chē)系統(tǒng)磁盤(pán)已經(jīng)上電禁止加料小車(chē)離開(kāi)加料位置時(shí)，等待磁盤(pán)放料完成且離開(kāi)加料小車(chē)，方可對(duì)加料小車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。如此兩個(gè)施耐德PLC 之間可以通過(guò)ModBus TCP 通信，在PLC 編程中添加相應(yīng)的通訊程序段，并定義好二者之間的數(shù)據(jù)包往來(lái)。天車(chē)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)系統(tǒng)的變量主要包括：天車(chē)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)系統(tǒng)心跳，加料小車(chē)到位，加料小車(chē)離開(kāi)，禁止加料小車(chē)離開(kāi)等信號(hào)。

2.3 配料狀態(tài)機(jī)

磁盤(pán)吸料與放料重量與電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系并不是一個(gè)相對(duì)線性關(guān)系，而是一個(gè)并不規(guī)則的配料曲線，這就需要通過(guò)測(cè)試來(lái)得到一定數(shù)據(jù)量的曲線擬合，這樣才能更好地實(shí)現(xiàn)配料功能。對(duì)每種物料，通過(guò)測(cè)試得到的配料曲線也是不盡相同。

配料狀態(tài)機(jī)流程如圖4 所示，磁盤(pán)吸料之后到配料位置，判斷現(xiàn)在料的重量是否已經(jīng)超過(guò)了剩余重量的范圍，如果超出范圍，則開(kāi)始執(zhí)行配料狀態(tài)機(jī)，根據(jù)不同的物料由之前已經(jīng)測(cè)好的配料曲線給定一定的電壓，完成第一次調(diào)料；如果誤差還是沒(méi)有到達(dá)范圍之內(nèi)，則需要逐步降低電壓，每次都減少電壓直到重量誤差在允許范圍之內(nèi)即可。

圖4 配料狀態(tài)流程

2.4 編碼器數(shù)值獲取與校準(zhǔn)

編碼器，在本次系統(tǒng)中作為行車(chē)位置判斷的計(jì)量單位，起著至關(guān)重要的作用。硬件連接編碼器至PLC。PLC 中的高速計(jì)數(shù)器通過(guò)數(shù)據(jù)取值和計(jì)算，以此來(lái)確定行車(chē)位置。

通過(guò)兩個(gè)輸入點(diǎn)接入，在設(shè)備層面設(shè)置好A、B相，定義該計(jì)數(shù)方式為正常積分模式，如此就能夠得到高速計(jì)數(shù)器的值。

本系統(tǒng)選用增量式編碼器，而高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，編碼器必然會(huì)出現(xiàn)誤差，這就需要過(guò)程中設(shè)置一些校驗(yàn)位，當(dāng)行車(chē)運(yùn)行至校驗(yàn)位時(shí)，將事先預(yù)設(shè)的值寫(xiě)入編碼器以此來(lái)作為校驗(yàn)。

2.5 數(shù)據(jù)分析與報(bào)警

數(shù)據(jù)分析包括：編碼器值判斷位置、物料料坑位置判斷、五點(diǎn)吸料法循環(huán)、大小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)判斷、吸料狀態(tài)判斷、剩余重量與已加重量記錄、程序循環(huán)復(fù)位、轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析。

報(bào)警信號(hào)包括：行車(chē)位置合規(guī)性檢測(cè)、吊鉤秤去皮報(bào)警、配料失敗報(bào)警、稱(chēng)重重量丟失報(bào)警、編碼器數(shù)據(jù)錯(cuò)誤報(bào)警、與轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)通訊報(bào)警。

五點(diǎn)吸料法：相對(duì)于整個(gè)料坑，磁盤(pán)的半徑很小。這樣存在一個(gè)問(wèn)題，無(wú)法在同一個(gè)料坑的同一個(gè)位置吸完整個(gè)料坑的料。一個(gè)點(diǎn)無(wú)法解決問(wèn)題，就需要多個(gè)點(diǎn)分散開(kāi)來(lái)，通過(guò)多個(gè)點(diǎn)的輪流，以此來(lái)保證整個(gè)料坑的物料都能吸取。其基本原理如圖5 所示，第一次輪詢?yōu)榈谝粋€(gè)點(diǎn)，第二次輪詢?yōu)榈诙€(gè)點(diǎn)，以此類(lèi)推。

編碼器位置判斷：在行車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，編碼器的作用十分重要，行車(chē)是否到達(dá)目的地，是否需要進(jìn)入減速區(qū)域，是否處于危險(xiǎn)區(qū)域等都需要對(duì)編碼器的值進(jìn)行判斷后做出相應(yīng)的動(dòng)作。

圖5 五點(diǎn)吸料法

配料失敗報(bào)警：前文所述配料步驟，無(wú)法做到每次都能夠成功配料，當(dāng)配料實(shí)時(shí)值小于系統(tǒng)計(jì)算給定的可接受的最小值時(shí)，本次配料失敗，放料后并重復(fù)吸料配料步驟。當(dāng)配料失敗出現(xiàn)三次的情況下，系統(tǒng)判斷放棄配料，并以報(bào)警形式告知工人，本盤(pán)配料失敗，直到手動(dòng)或自動(dòng)復(fù)位。

編碼器報(bào)警：系統(tǒng)PLC 出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間斷電、變頻器故障、連接不正常等情況下增量型編碼器往往會(huì)出現(xiàn)數(shù)值紊亂的現(xiàn)象，如果出現(xiàn)這種情況，一旦自動(dòng)加料開(kāi)始運(yùn)行，行車(chē)就會(huì)出現(xiàn)“失控”現(xiàn)象，無(wú)法到達(dá)指定位置做出指定動(dòng)作，是一件十分危險(xiǎn)的事情。所以，判斷編碼器數(shù)據(jù)的合規(guī)性顯得尤為重要。出現(xiàn)編碼器數(shù)值報(bào)警，在確保數(shù)值校準(zhǔn)之后，才能通過(guò)手動(dòng)復(fù)位。

重量丟失報(bào)警：重量數(shù)據(jù)是加配料的重要參數(shù)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤、不準(zhǔn)確或丟失都會(huì)使本次加料數(shù)據(jù)計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤，為爐前加料增加不必要的調(diào)配料的麻煩。所以，系統(tǒng)判斷重量數(shù)據(jù)丟失后需報(bào)警通知，待查明原因并解決后方可繼續(xù)使用自動(dòng)加料。

與轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)通訊報(bào)警：與轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)通訊異常導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，意味著自動(dòng)加料系統(tǒng)無(wú)法獲取加料小車(chē)正確的位置信息。如：加料小車(chē)已經(jīng)離開(kāi)加料位置，但由于通訊異常，系統(tǒng)得到的還是上次加料小車(chē)在加料位置的信號(hào)，導(dǎo)致所加物料全部灑在外面。

2.6 防搖擺功能實(shí)現(xiàn)

為了保持行車(chē)在運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，減小擺幅和晃動(dòng)帶來(lái)的誤差，需要對(duì)行車(chē)做一定的運(yùn)動(dòng)控制，使其能夠最大限度地在運(yùn)行中減少搖擺。

施耐德電氣在防搖擺方面對(duì)PLC 及變頻做了一些必要的設(shè)置，可以滿足用戶對(duì)該方面的需求。

3 實(shí)現(xiàn)

3.1 運(yùn)行功能的實(shí)現(xiàn)

計(jì)算目標(biāo)位置與實(shí)際位置的偏差，正值為前進(jìn)，反之負(fù)值為后退，并且得到絕對(duì)值；判斷距離差是否為允許誤差范圍，如果在允許誤差范圍內(nèi)，停止運(yùn)行；判斷磁盤(pán)實(shí)時(shí)重量值，如果重量值小于磁盤(pán)空重的負(fù)值，則得到磁盤(pán)處于落地狀態(tài)；大小車(chē)及起升運(yùn)行需要一系列判斷條件即位邏輯，如起升運(yùn)行限制條件為：大車(chē)靜止?fàn)顟B(tài)、小車(chē)靜止?fàn)顟B(tài)、行車(chē)運(yùn)行狀態(tài)、自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)、起升限位打開(kāi)狀態(tài)。

3.2 報(bào)警狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)

行車(chē)位置合規(guī)性檢測(cè)：大、小車(chē)及起升任一位置的編碼器不在安全范圍內(nèi)，狀態(tài)置1；配料失敗報(bào)警：在配料步驟連續(xù)進(jìn)行三次配料均失敗，狀態(tài)置1，直到下次配料步驟或由自動(dòng)切回手動(dòng)時(shí)復(fù)位；稱(chēng)重重量失重報(bào)警：設(shè)置定時(shí)器，十秒鐘沒(méi)有接收到吊鉤秤接收器數(shù)據(jù)的狀態(tài)值，狀態(tài)置1；與轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)通訊報(bào)警：行車(chē)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)系統(tǒng)通過(guò)互發(fā)心跳來(lái)確保通訊，設(shè)置計(jì)時(shí)器，五秒內(nèi)沒(méi)有接收到轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)心跳信號(hào)，狀態(tài)置1.

3.3 數(shù)據(jù)分析功能的實(shí)現(xiàn)

吸料狀態(tài)的判斷：手動(dòng)狀態(tài)下的吸放料兩種狀態(tài)和自動(dòng)狀態(tài)下的吸放料兩種狀態(tài)；完成重量記錄：對(duì)每種物料在每次完成放料時(shí)記錄并累加，直到重新開(kāi)始加料系統(tǒng)；剩余重量計(jì)算，在獲取了已加重量后總重量減去已加重量得到剩余重量；容差計(jì)算：每次加料無(wú)法做到毫厘不差，需要根據(jù)所加物料的總重計(jì)算出允許的誤差范圍，如當(dāng)總重＜2 t，容差為50 kg，當(dāng)總重＞2 t 時(shí)，容差為總重的5%來(lái)計(jì)算；加料車(chē)重量上限設(shè)置：加料車(chē)空間和承受重量有限，需要設(shè)置上限來(lái)判斷是否暫停加料過(guò)程，等待下一個(gè)空車(chē)在加料位置上；加料循環(huán)：物料順序事先規(guī)定好，并在加料循環(huán)中判斷是否進(jìn)行下一個(gè)物料的加料過(guò)程。

3.4 防搖擺功能的實(shí)現(xiàn)

利用已有的防搖擺功能塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，主要是對(duì)整個(gè)加速和減速過(guò)程的加速度控制，防搖擺效果的體現(xiàn)見(jiàn)表1.

表1 防搖擺前后對(duì)比圖

4 結(jié)論

鑄造熔煉爐后自動(dòng)加料系統(tǒng)通過(guò)對(duì)軟、硬件的改造，硬件更換為能夠接收PLC 控制的設(shè)備，主要利用PLC 程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了鑄造熔煉部分的爐后自動(dòng)加料。能夠滿足目前絕大多數(shù)工廠爐后自動(dòng)加料的需求。實(shí)現(xiàn)了減少人工、實(shí)現(xiàn)無(wú)人化的目的，并且增加了爐后加料的效率，為鑄造行業(yè)熔煉工廠降低了人力與時(shí)間成本。

這次設(shè)計(jì)的爐后自動(dòng)加料系統(tǒng)雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)吸料的成果，但還存在一些不足之處有待進(jìn)一步改進(jìn)：1）由于料坑中物料分布不均，可能存在空吸現(xiàn)象，今后隨著人工智能識(shí)別技術(shù)的提升，增加料坑內(nèi)物料識(shí)別，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷有料位置并吸料。2）防搖擺功能實(shí)現(xiàn)程度不盡相同，與起升鋼絲繩的根數(shù)及行走距離是否滿足行車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定的條件等因素有直接關(guān)系，今后還需要在行車(chē)防搖功能上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的突破。