基于PLC的煙氣道生產(chǎn)線自動(dòng)化研究

陳作炳，張自晴，蔣代杰

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070)

0 引言

住宅用煙氣道是一種將廚房烹飪時(shí)產(chǎn)生的油煙或衛(wèi)生間里渾濁氣體排出的管道制品。我國(guó)煙氣道行業(yè)發(fā)展二十余年來(lái)，仍然鮮見(jiàn)大型企業(yè)，而多為小型企業(yè)以及手工作坊，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，整體工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量也參差不齊。目前，煙氣道多為一次性成型工藝進(jìn)行生產(chǎn)，且一種模具只能生產(chǎn)一種規(guī)格的產(chǎn)品［1］，加之整個(gè)過(guò)程多為人工完成，產(chǎn)品質(zhì)量及質(zhì)量穩(wěn)定性都不高［2］。南昌航空大學(xué)謝友寶等人［3］對(duì)煙氣道生產(chǎn)線做過(guò)自動(dòng)化改造的嘗試，但仍未擺脫一模一用、內(nèi)外模整體輸送的技術(shù)約束［4］，生產(chǎn)線和制造工藝都有諸多改進(jìn)的余地，且自動(dòng)化水平亦可進(jìn)一步提高。

現(xiàn)今一種新的水泥煙氣道生產(chǎn)線被開(kāi)發(fā)出來(lái):改進(jìn)了成型工藝，內(nèi)、外模分開(kāi)，且一種模具能生產(chǎn)數(shù)種規(guī)格的產(chǎn)品，以PLC 為核心的控制系統(tǒng)使其實(shí)現(xiàn)了機(jī)電液氣一體化的自動(dòng)化生產(chǎn)。

1 生產(chǎn)線整體裝置及生產(chǎn)工藝分析

1.1 工藝及設(shè)備分析

該生產(chǎn)線主要包括:配料系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、成型系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)室以及輔助系統(tǒng)［5］。主要部分示意圖如圖1所示。工藝上，采用普通水泥配置砂漿并在下料后進(jìn)行高頻振動(dòng)并用真空抽水裝置抽走析出的水，使其迅速達(dá)到脫內(nèi)模強(qiáng)度以縮短脫模時(shí)間。之后產(chǎn)品進(jìn)入蒸汽養(yǎng)護(hù)室以提高脫模強(qiáng)度，從而縮短生產(chǎn)周期。生產(chǎn)工藝流程如圖2所示(圖中調(diào)整外模的操作僅在需要更改產(chǎn)品型號(hào)時(shí)使用)。

圖1 生產(chǎn)線布置平面圖

設(shè)備方面，區(qū)別于傳統(tǒng)的一次成型煙氣道生產(chǎn)模具，該條線上使用的模具將原有專利產(chǎn)品進(jìn)行改良［6］，其內(nèi)模和外模是分開(kāi)的:內(nèi)模與兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)、兩組絲桿以及真空抽水裝置等組成固定在振動(dòng)裝置上的內(nèi)模組件6，外模則在線上循環(huán)使用。內(nèi)模絲杠由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)內(nèi)模縮放，因此它能自動(dòng)脫內(nèi)模且能適應(yīng)多種型號(hào)的煙氣道生產(chǎn);另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的絲杠用來(lái)將線上的外模拉入和送離內(nèi)模組件。幾種類型的外模亦可調(diào)整，以生產(chǎn)多種型號(hào)的產(chǎn)品。

圖2 生產(chǎn)工藝流程圖

1.2 工作循環(huán)分析

生產(chǎn)線的工作循環(huán)概括如下:在E 區(qū)，成品被取走后外模經(jīng)傳送鏈、傳送小車轉(zhuǎn)運(yùn)至噴油裝置11 時(shí)被噴油以利于脫模，外模離開(kāi)傳送小車后進(jìn)入長(zhǎng)傳送鏈4。若在線上出現(xiàn)短時(shí)間可以解決的設(shè)備故障，外模將在D 區(qū)被阻攔而不用停下整條生產(chǎn)線。每一段傳送鏈均由獨(dú)立的電機(jī)帶動(dòng)，其啟停集中控制。外模傳送到A 區(qū)時(shí)被阻攔并被識(shí)別，以便接下來(lái)進(jìn)入相應(yīng)的工位。外模繼續(xù)被傳送，在相應(yīng)位置的接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)到它后，液壓限位裝置升起阻擋其前進(jìn)，液壓升降裝置將外模頂起，然后內(nèi)模組件中的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，通過(guò)絲桿裝置將外模拉入內(nèi)模組件，而后限位裝置和升降裝置復(fù)位。氣壓推桿5 動(dòng)作自動(dòng)合側(cè)板，套網(wǎng)、壓扣及下料等工序人工完成。之后經(jīng)過(guò)振動(dòng)和抽水使產(chǎn)品成型，達(dá)到脫內(nèi)模強(qiáng)度后步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作自動(dòng)脫內(nèi)模。接著絲桿裝置將帶有半成品的外模重新送上已升起的升降裝置，升降裝置下降將其置于傳送鏈上，經(jīng)傳送小車3 送至蒸汽養(yǎng)護(hù)區(qū)C 入口并由液壓推桿1 推入。此時(shí)，一組已養(yǎng)護(hù)好的產(chǎn)品從C 區(qū)出口被推出進(jìn)入E 區(qū)開(kāi)側(cè)板，人工將成品吊走堆放，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程如此反復(fù)。在同一個(gè)生產(chǎn)班中如需改變外模規(guī)格可在不停機(jī)的情況下直接調(diào)整空的外模，或用起吊設(shè)備在取成品區(qū)吊換外模。

以上過(guò)程除取成品、套網(wǎng)和下料部分需人工干預(yù)外，其余工序都按既定程序自動(dòng)完成。8 個(gè)成型工位的限位、升降裝置等相互連鎖以保證產(chǎn)品在線上不會(huì)干涉，而相關(guān)工位停留時(shí)間和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度都由實(shí)驗(yàn)得來(lái)，輸送鏈和轉(zhuǎn)運(yùn)小車的速度調(diào)整由可調(diào)式減速器實(shí)現(xiàn)。

1.3 生產(chǎn)效果分析

生產(chǎn)原料為42.5 MPa 普通硅酸鹽水泥與砂按1∶3比例配制的水泥砂漿，并用高強(qiáng)度耐堿網(wǎng)格布作為加強(qiáng)筋。外模的循環(huán)周期為244 min，在成型工位震動(dòng)抽水后20 min 脫內(nèi)模，產(chǎn)品在70 ℃蒸汽室養(yǎng)護(hù)時(shí)間為208 min，線上生產(chǎn)節(jié)拍4 min 每根(試驗(yàn)條件下最快可達(dá)到3 min 每根)，10 h 單班制日生產(chǎn)能力為150 根。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

整條生產(chǎn)線需要集中控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含普通電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、液壓缸、氣壓缸、電磁閥、機(jī)械限位開(kāi)關(guān)以及數(shù)種光電傳感器。配料系統(tǒng)獨(dú)立成系統(tǒng)，做好原料配比并設(shè)置好下料量，人工按下對(duì)應(yīng)按鈕即可對(duì)應(yīng)不同產(chǎn)品類型進(jìn)行下料。以上執(zhí)行機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)線上的功能如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.2 控制系統(tǒng)硬件

2.2.1 主站PLC

CPU315-2DP。300 系列標(biāo)準(zhǔn)型CPU，適用于中小型控制系統(tǒng)，作為本控制系統(tǒng)的主站。無(wú)集成I/O 口，可連接擴(kuò)展模塊，具有中、大規(guī)模的程序存儲(chǔ)容量及PROFIBUS-DP 主站/從站接口，可用于大規(guī)模的I/O 配置［7］。

2.2.2 I/O 模塊

SM321(32DI)，SM322(32DO)，SM331(8AI)。I/O模塊結(jié)構(gòu)緊湊，組裝簡(jiǎn)單靈活，且能優(yōu)化配合，接線方便。該系統(tǒng)擴(kuò)展在主站上的I/O 數(shù)為:71DO，21DI，2AI。考慮系統(tǒng)余量，選用以上I/O 模塊。

2.2.3 從站PLC

CPU224CN。小型PLC，可連接擴(kuò)展模塊，集成14 DI/10 DO，16K 字節(jié)存儲(chǔ)空間，2 路獨(dú)立的20 kHz 高速脈沖輸出(Q0.0 和Q0.1)，可用于控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)［8］。1 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。

2.2.4 通訊模塊

EM277。PROFIBUS-DP 從站模塊，可將從站CPU224CN 連接到主站CPU315-2DP，主站可以通過(guò)EM277 對(duì)從站進(jìn)行讀/寫數(shù)據(jù)。多個(gè)EM277 通過(guò)串行總線相連，主站可訪問(wèn)多個(gè)聯(lián)網(wǎng)的EM277，主站中完成從站地址配置和I/O 配置。

2.2.5 人機(jī)界面

SMART700IE。集成以太網(wǎng)接口和RS485 串口，通訊功能強(qiáng)勁。通過(guò)Wincc fiexible 進(jìn)行組態(tài)，用戶可以自由地組合文字、圖形畫面、數(shù)字及按鈕等，可對(duì)系統(tǒng)中重要的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示，同時(shí)通過(guò)人機(jī)界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，手動(dòng)狀態(tài)下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。本例中控制柜面板上旋鈕及按鈕包含:系統(tǒng)開(kāi)關(guān)、手自動(dòng)選擇、急停及復(fù)位。其余操作均在該觸摸屏上實(shí)現(xiàn)。其顯示界面如圖3所示。

圖3 人機(jī)界面顯示界面

2.3 光電傳感器

2.3.1 接近開(kāi)關(guān)

本研究所用SENSOPART IS530 型電感式接近開(kāi)關(guān)利用金屬導(dǎo)體與交變電磁場(chǎng)的相互作用來(lái)工作。金屬導(dǎo)體進(jìn)入傳感器所產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)內(nèi)，金屬內(nèi)便產(chǎn)生渦流從而吸收能量，減小震蕩幅度。到達(dá)一定的程度，傳感器便能感知這一變化從而輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，達(dá)到非接觸測(cè)量工件到達(dá)的目的。傳感器輸出為開(kāi)關(guān)信號(hào)，接入DI 模塊SM321 中即可。其主要參數(shù)如表2所示［9］。

表2 接近開(kāi)關(guān)參數(shù)

2.3.2 激光測(cè)距傳感器

本研究所用SENSOPART FT80RLA 型激光測(cè)距傳感器采用三角測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量。被測(cè)物體的反射、顏色以及紋理(光澤度)對(duì)測(cè)量精度無(wú)影響，因而能檢測(cè)出各種不同的材料工作距離，且精度較高。測(cè)量信號(hào)(電流信號(hào)4 mA～20 mA)用屏蔽電纜(RVVP 6 ×0.75)接入AI模塊SM331 中即可。傳感器主要參數(shù)如表3所示［10］。

表3 測(cè)距傳感器參數(shù)

該傳感器的以上特性適合本例工況，加上自制的金屬保護(hù)外殼，能保護(hù)傳感器免受撞擊破壞或水泥砂漿的附著。

2.4 模塊連接與通訊

CPU315-2DP 作為系統(tǒng)主站，其上擴(kuò)展的I/O 模塊作為接收系統(tǒng)信息并輸出相應(yīng)信號(hào)以控制生產(chǎn)線上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。8 組CPU224CN 作為從站，通過(guò)EM277 與主站通訊，每一個(gè)從站控制一個(gè)工位上兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)、一個(gè)震動(dòng)電機(jī)以及一個(gè)真空抽水裝置。主站和從站之間通過(guò)PROFIBUS 總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，CPU315-2DP 處理與其相連的I/O 模塊以及從站的信息。以上模塊及從站與步進(jìn)電機(jī)間的主要連接圖如圖4所示(其余6 組從站及觸摸屏與主站之間的PPI/MPI 映射轉(zhuǎn)換器未示出)。

圖4 PLC 及主要部件連接圖

2.5 軟件

西門子S7-300 系列PLC 的編程軟件為SMATIC STEP7，主要完成硬件組態(tài)、配置物理地址及通訊端口等。西門子S7-200 系列PLC 的編程軟件為STEP7-Micro/win，主要編制步進(jìn)電機(jī)控制、震動(dòng)電機(jī)控制及真空抽水電機(jī)控制程序。觸摸屏Smart700ie 的編程軟件為WinCC flexible，完成觸摸屏畫面制作。

3 外模識(shí)別區(qū)功能實(shí)現(xiàn)

生產(chǎn)線上的外模需要循環(huán)使用并要求將不同型號(hào)的外模自動(dòng)識(shí)別并自動(dòng)送入相應(yīng)工位。由電子標(biāo)簽卡和讀卡器等組成的基于射頻識(shí)別技術(shù)的識(shí)別系統(tǒng)作為一種成熟的技術(shù)被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，本例中如果給每一個(gè)外模貼上電子標(biāo)簽卡，并在識(shí)別區(qū)安裝讀卡器，理論上可以很好地解決該問(wèn)題。然而該生產(chǎn)線工況較為惡劣，且有諸多電機(jī)頻繁啟停等造成的電磁干擾，讀卡器系統(tǒng)可靠性因此會(huì)降低;且外模在生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中難免磕碰，安裝于外模上的電子標(biāo)簽卡容易受損;此外，該系統(tǒng)需要其他配套硬件和技術(shù)，成本較高。經(jīng)過(guò)諸多的考察論證后，一種基于測(cè)距傳感器的識(shí)別方法被開(kāi)發(fā)出來(lái)并成功應(yīng)用于該生產(chǎn)線。該法在惡劣的工況能穩(wěn)定運(yùn)行，且其成本和技術(shù)門檻都低于前法，且能直接接入以PLC 為中心的自動(dòng)控制系統(tǒng)而無(wú)需添加其它硬件。其布置原理圖如圖5所示。

外模從右至左沿X 方向被傳送進(jìn)入識(shí)別區(qū)，接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到外模后限位裝置升起阻擋其前進(jìn)，此時(shí)軌道兩端的測(cè)距傳感器測(cè)出相應(yīng)距離a 和b。檢測(cè)完成后限位裝置降下，被識(shí)別的外模進(jìn)入相應(yīng)工位。在PLC的程序中，每一種外模對(duì)應(yīng)一種距離c，c=3 400－(a +b)。a 和b 的可測(cè)范圍皆為250 mm～750 mm，則將a和b 分成300 mm、400 mm、500 mm、600 mm 以及700 mm共5 個(gè)測(cè)量位，外模上的擋光板依此安裝。因此c 的值為2 800 mm、2 700 mm、2 600 mm 直到2 000 mm 共9 種，這樣便可識(shí)別9 種型號(hào)的模具(本例中只有7種)。由于外模在傳送鏈上Y 方向的位置偏差所造成的a 和b 值的偏差，對(duì)c 值沒(méi)有影響。本研究在PLC程序中再對(duì)c 值予以修正，則可保證識(shí)別的準(zhǔn)確性。

圖5 識(shí)別區(qū)原理圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究改進(jìn)了水泥煙氣道產(chǎn)品的成型工藝，在不使用快干水泥的前提下使脫內(nèi)模時(shí)間得以縮短而不影響產(chǎn)品性能;新的模具擺脫了傳統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)束縛，模具能調(diào)整以適應(yīng)多種型號(hào)的產(chǎn)品，從而減少了模具的成本投入，也使生產(chǎn)線能同時(shí)生產(chǎn)數(shù)種型號(hào)的產(chǎn)品;PLC 控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)使生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，繁重的人工操作被取代且產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性也隨之提高;識(shí)別區(qū)利用測(cè)距傳感器與PLC 的配合實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)識(shí)別，提高了識(shí)別的可靠性且成本低于成套的射頻識(shí)別系統(tǒng)。

研究中亦發(fā)現(xiàn)不足之處:兩個(gè)工位仍需人工干預(yù)，生產(chǎn)效率有進(jìn)一步提升的空間。后期效果表明，如果提升生產(chǎn)線規(guī)模對(duì)生產(chǎn)效率會(huì)有提升，兩條生產(chǎn)線并列布置共用配料系統(tǒng)、液壓站以及氣站能充分發(fā)揮這些配套設(shè)施的價(jià)值。

［1］李忍崇.一次性成型排油煙氣道模具［P］.中國(guó):201020183972.6，2010-5-17.

［2］彭 延，王 海，丁媛麗，等.淺談我國(guó)住宅煙道的發(fā)展及現(xiàn)狀［J］.科技世界，2013(21):77.

［3］謝友寶，熊小明，袁 剛，等.整體成型廚衛(wèi)排氣道自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的研究［J］.混凝土與水泥制品，2012(11):39-42.

［4］謝友寶，袁 剛，熊小明.生產(chǎn)新型整體成型排氣道的模具設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2012(8):88-89.

［5］杜文俊.震動(dòng)成型式水泥煙氣道生產(chǎn)線裝備設(shè)計(jì)［D］.武漢:武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2014.

［6］朱德紅.煙氣道振動(dòng)鑄造機(jī)［P］.中國(guó):200910144112.3，2009-7-14.

［7］西門子公司.SIEMENS 西門子S7-300 模塊數(shù)據(jù)及使用［Z］.西門子公司，2009.

［8］申立琴，馬彩文，田新鋒.西門子PLC 控制大量步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用研究［J］.機(jī)電工程，2008，25(5):9-15.

［9］SENSOPART.Inductive Sensors［Z］.SENSOPART，2013.

［10］森薩帕特公司(中國(guó)).測(cè)距傳感器［Z］.森薩帕特公司(中國(guó))，2013.