基于PLC 和MCGS 的海綿鈦自動轉運上料系統

同樸超，張 瀾，李 超，陳 強，劉 俊

（西部超導材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018）

在目前鈦合金生產配料過程中，作為主要基礎原料的海綿鈦一般采用圓柱形包裝桶，生產過程中的海綿鈦一般需分批經過挑選裝桶后，使用人工手推搬運車或者使用吊車吊裝轉運到下游混料機處，并經人工手動上料至料倉。存在操作效率低下、人工參與度高、吊裝轉運過程有跌落可能等安全隱患。而且人工搬運勞動成本高，且效率極其低下。因此針對以上存在的問題，引入智能物流輸送概念來解決[1]。

本文介紹了使用西門子S7-200SMART PLC 開發的海綿鈦自動轉運上料系統,實現了海綿鈦料桶自動稱重、緩存轉運、自動上料等問題。

1 系統設計

1.1 工藝需求

系統由三部分組成，第一部分為與上游兩條挑料機接駁的稱重接料裝置，第二部分為轉運緩存裝置，第三部分為自動上料裝置。

具體工藝要求為：

（1）稱重接料裝置：具備將兩條挑料機挑選結束的海綿鈦，按預設定重量稱重，到達重量停機、自動進出料桶；

（2）轉運緩存裝置：具備最低35 桶物料的緩存能力，并按最多5 桶一組區分；

（3）自動上料裝置：可以按預設好的料倉位置，自動將緩存區的海綿鈦料桶上料至現場對應的4 個料倉，并自動出空桶；

（4）報表統計：按每個料倉上料重量或每個海綿鈦批次進行統計導出稱重數據。

1.2 硬件設計

根據工藝要求，系統由稱重、移載裝置、環形轉運裝置、上料機等組成，整體系統由西門子S7-200SMART PLC 制，稱重儀表使用基于RS-485的Modbus-Rtu 協議進行重量數據傳輸，DI/DO 及上料機變頻器采用Profinet 總線進行傳輸，系統結構如圖1 所示。

圖1 系統結構圖

1.2.1 稱重接料

現場共兩臺可升降帶有鏈條移載機的臺秤，實際運行中需要判斷臺秤上料桶是否到位，為滿足可靠性在秤臺兩側安裝了對射式光電開關，操作人員選擇進桶操作后，移載裝置上升，將空料桶輸送至接料位，即遮擋光電開關并給PLC 輸入信號，此時PLC開始完成去皮操作，完成后通過光電指示反饋給上游挑料機操作人員，允許挑料開始，當到達設定重量后，挑料機自動停機，移載裝置上升完成料桶出料操作，至轉運輸送線。

1.2.2 轉運緩存

考慮到現場實際布局空間的局限性，為最大利用空間，設計使用環形輥道輸送轉運裝置，考慮到現場最多5 桶物料一組，將整個轉運輥道劃分為7 段，滿足工藝不低于35 桶緩存的需求，每段采用獨立的電機驅動，在每個接駁位置使用歐姆龍漫反射光電開關作為該段檢測器件，由于每段距離較遠，布線較為繁瑣，使用基于Profinet 總線的分布式I/O 作為現場數字量的輸入和輸出接口。

1.2.3 自動上料

下游的OAS 混料機共有4 個料倉，考慮空間的充分利用，采用上料機移動而進出料位置固定的方式進行物料轉運，根據現場實際，在3#料倉位置設定為進出料位置，設置鏈條移載裝置，PLC 發出上料命令后，轉運裝置啟動將兩桶物料同時送到移載位置，移載機上升并旋轉將物料送往上料機，上料機檢測到物料后，移動至所選料倉，Profinet 總線上料機變頻器開始高速提升到減速位后，降低速度將物料倒入對應料倉，為保證物料充分倒干凈，通過PLC 程序控制設置為兩次到料。

倒料完成后料筒下降，移栽機上升將空料桶轉運至空桶存放區，上料機回位至3#位。考慮到上料機穩定性及上料效率，使用變頻帶抱閘電機，并使用多段速運行，起始提升使用高速、倒料使用低速，下降使用高速。

1.3 軟件設計

軟件平臺采用MCGS TPC1162HI 開發，主要由用戶窗口、設備窗口、實時數據庫、運行策略等模塊組成[2]。

1.3.1 HMI 畫面組成圖

HMI 畫面組成情況如圖2 所示。

圖2 HMI 畫面組成圖

1.3.2 HMI 畫面組態

該系統設計的重點是環形輸送線仿真畫面的設計，通過該畫面實時監測系統的運行狀態。據此，利用MCGS 的用戶窗口模塊，設計出主控畫面、參數設置界面、手動操作界面、記錄查詢界面、報警界面。圖3 為主控畫面仿真環形輸送線。

圖3 主控畫面

1.3.3 參數設置

根據工藝需求，需要設定每桶物料的凈重及給下游OAS 混料機每個料倉加料數，兼顧考慮稱重儀表的設置狀態顯示，設計參數設置界面如圖4 所示。

圖4 參數設置

1.3.4 記錄查詢

為了便于后續進行數據分析，需要將每個挑選鑄錠的工藝數據進行保存，利用MCGS 本身的歷史數據庫保存能夠采集到的現場數據，并設計相應的查詢導出窗口如圖5 所示。

圖5 數據查詢導出

通過腳本程序可以將查詢數據導出到U 盤，其腳本程序如下：

另外，采用編寫腳本程序方式可以實現復雜的報警功能和系統參數設置。

1.3.5 PLC 通訊連接

PLC 主要承擔Modbus 設備的數據中轉、Profinet總線的邏輯控制、與觸摸屏數據交互等功能，其與觸摸屏交互使用TCP/IP 模式，設置本機與PLC 的IP地址及通訊槽號即可，如圖6 所示。

圖6 觸摸屏與PLC 通訊設置

西門子S7-200SMART PLC 其V2.5 版本的CPU 已支持Profinet 總線控制功能[3]，其在Profinet 通訊中有兩個角色：IO 控制器（IO-Controller）和IO 設備（IO-Device）[4]，在該項目中作為IO 控制器使用。因此對于距離較遠傳感器或執行機構的輸入輸出可以部署遠程I/O 從站作為IO 設備實現，數據傳輸只需一根網線即可，可節省大量布線。本次使用德國倍福的BK9103 Profinet 總線耦合器作為遠程I/O 分站[5]，KL1408 和KL2408I/O 端子分別作為DI 和DO，利用STEP 7-MicroWIN SMART 軟件中的Profinet 配置向導可快速的配置I/O 從站如下。

1.3.6 PLC 程序實現

圖7 200SMART Profinet 配置向導

PLC 編程采用模塊化結構，按功能分別編寫相應的程序塊，在主程序OB1 中進行調用，使程序結構更為清晰，維護方便如圖所示，分報警匯總（SBR0）、啟動/停止（SBR1）、上料稱重（SBR2）、輸送（SBR3）、卸料投料（SBR4）、參數設置（SBR7）、稱重儀表（SBR8）等22 個程序功能塊，如圖8 所示。

圖8 主程序OB1

2 經驗教訓

由于該系統涉及稱重、轉運、上下料等復雜功能，電器控制更是使用了變頻器、Modbus 通訊、Profinet 通訊等子模塊在調試中遇到了諸多問題，在此分享出來。

2.1 電磁干擾

變頻器在工作時會對光電開關輸入造成干擾，引發各種誤動作，對此一方面在PLC 程序中對光電開關的輸入進行濾波，一方面給變頻器加裝輸入輸出EMI 濾波裝置減小干擾。

Modbus 通訊掉線，排查主要原因還是存在干擾，對此通過加裝RS485 中繼器進行隔離。

2.2 程序結構

起初為了方便在PLC 程序中未使用模塊化編程思想，并使用了大量的M元件串聯在一起，在調試中出現的BUG 極難發現，后續通過引入狀態字VB 進行分類，分狀態、分功能進行處理相關程序，每一個狀態只做當前任務，使程序結構清晰明了，便于后續維護。

3 結束語

利用PLC 和MCGS 觸摸屏設計的海綿鈦自動轉運上料系統實現了：①可完成海綿鈦稱重、輸送、緩存、上料等操作的實時監控、自動運行等多項功能；②解決了以往海綿鈦轉運輸送中存在的需要多人次管理、操作效率低、人工勞動強度大、存在安隱全患等問題；③經過實際統計，日常運轉操作由原來的3人降為1 人，轉運效率提升1 倍；④實現按工藝批號和料倉編號的稱重的數據統計導出，實現了整個配料過程信息整合,滿足后續的統計分析。

本系統經過連續兩年運行表明，其系統設計合理、自動化程度較高、運行穩定，可推廣至其他相關稱重轉運輸送需求的行業，具有直接的經濟效益。