西門子自動控制技術在礦棉制品碼垛及包裝中的運用

賴 敏，張 浩

（1.文山學院 人文學院，云南 文山 663099；2.云南文山鋁業有限公司，云南 文山 663099）

礦棉是以冶金所產生的尾礦經高溫融化、纖維化而制成的無機纖維，具有優良的隔熱保溫、降噪等特性，在民用建筑及工業生產中廣泛應用，并因它的綠色循環特質得到國家的大力推廣[1]。因此國內依附冶金企業的礦棉生產線如雨后春筍般不斷出現，生產線規模越來越大，生產設備也由國外進口發展為以國產設備為主。在國內目前的生產線中，碼垛、包裝設備與生產線設備多為不同生產廠家，兩套設備控制系統不能相互呼應，造成兩套設備接口部分控制效果不理想，產出大量廢棄品，并且故障率較高，降低了生產效率。部分廠家為減少廢棄品，采用人工碼垛再送入包裝機的方式進行生產，大大增加了工人勞動強度。同時，包裝機溫度控制不穩定，導致塑封包裝效果不穩定，造成產品外包裝存在瑕疵，影響企業形象。本文以此為背景設計了一套基于可編輯邏輯控制器（PLC）和人機接口（HMI）的自動碼垛包裝控制系統，該系統可匹配各類生產線的生產速度，將礦棉板碼垛整齊，平穩地送入包裝系統。

1 自動碼垛包裝系統的結構方案

礦棉板的生產工藝流程為：冶金尾礦送入爐體進行熔煉，滿足溫度后吹制成纖維，然后加入適量粘合劑，升溫固化成型，再按尺寸進行切割。切割后的礦棉板通常為單層兩塊并排輸送，經過碼垛機后成為單排多層送入熱縮包裝系統打包完成生產步驟。由此可見，碼垛部分的作用是將單層的礦棉板快速進行多層碼垛，并經輸送設備送入包裝機。自動碼垛除實現以上功能外還要與礦棉生產線的速度匹配并保證碼垛整齊，同時對不同規格尺寸產品的堆垛層數還要方便可調[2]。

本文采用云南建水錳礦有限責任公司新材料公司年產2萬t巖棉生產線為應用背景進行論述，該部分的機械結構主要分為碼垛和傳輸兩個部分。碼垛部分由機架、接棉叉構成。機架上部分安裝活動導軌和氣缸，用于控制接棉叉的來回動作。機架下部分安裝活動導軌和鏈條傳動電機，用于接棉叉的上下動作。接棉叉先于上部接到前道工序傳送來的巖棉板，然后依據參數中設定的巖棉厚度參數下降設定距離，每堆放一層，叉子下降一次，直至設定層數（碼垛機結構見圖1）。達到設定層數后由傳送系統將多層巖棉板送入熱縮塑封機。塑封機的溫度應可靈活調整，并穩定控制所需溫度，以達到較好的包裝效果和能源節約。

圖1 碼垛機結構圖

2 工藝控制難點及解決方案

由于巖棉板質地較為松軟，且表面較為粗糙，板與板之間的摩擦力很大，使得如何保證整齊的碼垛效果成為現今生產中需要解決的難題。經現場調查發現，問題主要出在棉板經輸送帶上叉和叉子下降后接住下一塊板這一環節。輸送沖力太小棉板可能無法全部上叉，沖力太大又可能沖過希望它停止的位置。而在叉子下降這一環節，現在多采用伺服電機來控制叉子下降的距離，經驗證此方法并不能穩定精確地控制叉子的行程。降得少可導致后一塊板被前一塊板擋住而無法順利將巖棉板送上叉，降得多又導致巖棉板上到叉子前還有一個跌落過程，極易導致巖棉板碼垛不齊。針對以上問題設計如下解決方案：（1）在叉子伸出前部的機架上加裝擋板，適當增加上叉前端皮帶的輸送速度，讓棉板沖到擋板后落到指定的區域；（2）以編碼器替代伺服電機控制器來控制叉子上下行程的距離，保證叉子每次下降的運行距離穩定；（3）叉子上的巖棉板到達設定數量后以氣缸控制平臺上抬前送入包裝機的方式替代現有的輸送輥加速前送入包裝機的運送方式，保證碼垛好的巖棉板不會在送入到包裝機這段運送過程中發生傾倒和顛簸等情況；（4）以PLC來控制包裝機的加溫及穩定溫度。

3 控制方式

3.1 控制系統的構成

礦棉的自動碼垛包裝屬于礦棉生產系統中的兩個組成部分，可以單獨控制，也可以接入整個控制系統進行自動控制。根據控制工藝及控制流程的需要，系統需要做到礦以下控制要求：（1）系統可根據前端生產線速度調整當下輸送速度，使得該部分輸送速度與前部生產線速度一致；（2）從現場控制角度上講，需要做到棉板位置檢測、執行器件順序控制；（3）從數據處理角度上講，碼垛系統需要完成參數設定、數據運算、實時監控數據、錯誤監控及報錯等功能。通過PROFIBUS-DP與生產線主站進行連接，讓主站也可檢查該部分的運行情況，并將系統急停由主站整體控制，保證整條生產線的安全性。

3.2 碼垛控制理念及流程

該生產線為雙并排礦棉板設計，堆垛控制流程如下：

設備啟動→輸送帶啟動、叉子伸出→礦棉板通過輸送帶進入叉子→叉子縮回→棉板落入抬棉平臺→抬棉平臺下降設定高度（棉板厚度，通常為60 mm）→抬棉平臺的礦棉板達到指定塊數（可設定，通常總高度不超過400 mm）→平臺下降到最低位→平臺側部氣缸動作帶動推礦棉板將棉板送入前端輸送滾輪→棉板通過輸送輥與平臺分離，平臺上升到初始位置，為下一輪接棉做好準備→棉板向前輸送通過塑封區→塑封區光電開關感應到棉板后停止輸送輥，同時驅動塑封閘刀動作切斷塑封膜并完成包裝封口→塑封閘刀上升到位，感應開關驅動輸送輥再次動作→套著松散塑封膜的棉板進入包裝機（設定溫度150～170 ℃）→包裝完成。

3.3 控制系統硬件配置

碼垛及包裝分別采用西門子S7-200 CPU224CN作為系統的兩個從站，西門子Smart700IE V3作為HMI監控部分，并采用ABB變頻器作為傳送系統的變頻控制。本系統采用EM277通訊模塊作為DP從站來進行S7-200PLC與主站的通訊，并擴展EM231和EM232進模擬量輸入輸出的控制。采用光電開關監測是否有棉板輸送到叉子上，如果光電開關接收到信號則結合編碼器控制接棉叉下降到設定的棉板厚度，為接住下一塊棉板做好準備。通過PLC控制變頻器的運行頻率，達到使下段傳送帶頻率與前端生產線速度相匹配的運行效果。采用K型熱電偶監控包裝機的烘烤溫度，并結合溫度繼電器對加熱管進行控制（硬件結構見圖2）。

圖2 硬件組成

3.4 軟件設計

采用西門子STEP7-MICRO/WIN軟件對S7-200進行編程。系統可分為自動模式和手動模式，手動模式可以對系統中的各個部件進行單獨操作，自動模式可根據程序邏輯對各個組成部件進行聯動控制[3]。同時，用戶可使用HMI輸入如“棉板厚度”、“堆疊層數”和“包裝機溫度”等工藝參數，在自動模式下PLC可根據設定參數對系統進行相關調整，并將監測到的情況實時反饋（控制系統流程圖見圖3）。

圖3 控制流程圖

監控操作畫面的設計使用西門子HMI組態軟件WINCC FLEXIBLE 2008。該軟件專為西門子觸摸屏所設計，集操作、監控、報警功能為一身，可交換地滿足工業控制領域的相關需要。

3.5 I/O點分配

根據控制流程的設計，結合PLC硬件的地址容量，擴展合適的開關量模塊及模擬量模塊，分配地址時注意地址的系統性分組，便于PLC與組態軟件結合時的便捷性。在模擬量定義地址時需要考慮地址的數據類型，如：實數性還是整形，避免因數據選擇的錯誤造成組態軟件顯示輸出錯誤。

控制程序編寫時應充分考慮到現場環境的復雜性和局限性[4]，要充分運用光電開關、感應開關等元器件功能幫助操作員對設備進行操控，也要發揮這些元器件的功能保護設備不會因人為誤操作受到損傷，如：感應接棉叉伸到位和縮到位的感應開關，同時也要考慮到設備調試或檢修時需要單機啟停設備。

在程序設計合理性方面也應進一步加強，流程前端設備狀態如不滿足控制工藝的需要則需暫停后部流程的繼續動作，以免產品進入不滿足工藝要求的部分造成產品的瑕疵，如：可設定包裝區溫度是否達到設定值作為前端輸送輥是否運行的條件（見圖4）。

圖4 設置后端是否運行的條件

3.6 HMI組態畫面

組態畫面的建立是通過軟件將生產線的工藝流程直觀地反映在控制畫面之中，讓操作員及檢修人員能直觀地操作和了解設備的運行狀態。在組態畫面時既要保證畫面的美觀，又要簡潔地表現生產工藝流程，在特定的設備顯示上應將顏色變換、閃爍、指示燈開閉等功能寫入程序（碼垛機手動控制界面見圖5）。同時，在變量連接時必須保證變量連接的正確，否則將造成畫面顯示數據錯誤或數據無法顯示。

圖5 碼垛機手動控制界面

圖6 系統參數設置畫面

畫面輸入輸出域的選擇也應正確應對，在必要的數據上采用輸入域，如果輸入輸出域使用混亂或錯誤，也可能造成將錯誤或非法的數據輸入PLC程序之中，造成PLC程序的混亂，導致生產無法順利進行。如：“參數設置”畫面中的數據都可采用輸入輸出域（見圖6），而“包裝機運行畫面”中的“已包裝數量”數據區則只能采用輸出域，保證該數據不會因人為操作失誤而被輸入PLC。

3.7 通訊設計方案

本設計采用PROFIBUS-DP現場總線實現生產線的通訊。在主站中組態EM277為系統從站，從而將S7-200PLC連接到生產線主站PLC[5]。PROFIBUS網絡通過DP接口將生產中的各類信息和指令上傳下達，使該部分與生產線的所有部分組成一個有機的整體，為生產服務。

傳送系統通過網絡采集生產線的運行速度，根據需要將該速度轉化為各個變頻器的相應頻率，通過模擬量輸出模塊將各個頻率發送給各變頻器，使之與整個生產線協調動作（見圖7）：

圖7 傳送系統頻率轉換

4 結束語

基于西門子PLC和HMI的控制系統，并通過PROFIBUS-DP與生產線前端設備聯為一體，解決了碼垛不整齊、碼垛過程中對礦棉板造成破壞、包裝機溫度控制不理想等存在的問題。通過現場的調試及試運行，整個系統可穩定運行，滿足連續生產的需要。