鎳板自動包裝生產線的稱重校驗子系統融合＊

段曉燕，金 巖，趙正天，高鳴崗

（1.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.金川集團股份有限公司鎳冶煉廠，甘肅 金昌 737100）

1 引言

鎳是一種有光澤的銀白色金屬，具有良好的機械強度和延展性。用其制造的不銹鋼和各種合金鋼被廣泛地用于飛機、坦克、艦艇、雷達、導彈、宇宙飛船，以及民用工業中的機器制造、陶瓷顏料、永磁材料、電子遙控等領域。目前，世界范圍內著名的產鎳企業包括俄羅斯的MMC諾里爾斯克鎳業公司（MMC Norilsk Nickel）、巴西的淡水河谷公司（Vale SA）、澳大利亞的必和必拓公司（BHP Billiton Ltd.）、中國的金川集團有限公司（Jinchuan Group Co.Ltd.）、英國的特斯拉塔公司（Xstrata Plc）、日本的住友金屬礦山株式會社（Sumitomo Metal Mining Co.,Ltd.）等數家公司，其中我國的金川集團有限公司鎳產量居世界第四、中國第一[1]。

在鎳板銷售過程中，鎳板的純度等級和重量（質量）是影響銷售利潤的關鍵因素。其中，鎳的純度等級取決于制鎳的工藝過程，不在本研究的討論范圍內，而重量（質量）是成品鎳板在包裝過程中進行稱量并標注的。本研究針對金川集團鎳冶煉廠“鎳板”自動包裝生產線稱重校驗功能的缺陷，設計制造了新的稱重校驗子系統，并與原生產線無縫融合，使新系統能夠完全自動地進行稱重校驗，實現了每一垛入庫鎳板100%的計量準確率，以及稱重校驗數據的本地和遠端計量部門的實時歸檔，確保了每一垛鎳板稱重校驗數據的歷史可查詢。

2 鎳板自動包裝線

在諸多的金屬鎳產品中，長900～920 mm，寬880～900 mm的“鎳板”是其主要的一種產品形式，如圖1所示。由于制鎳工藝的要求，每一張鎳板上都有2個形似“耳朵”的鎳條，在制鎳過程中它們起懸掛鎳板的作用，在進行成品鎳板包裝時首先需要將它們剪下。除去鎳耳朵后，堆疊成垛的鎳板如圖2所示。由于單張鎳板的薄厚不同，在每垛鎳板重量為1500±30 kg的要求下，鎳板垛的高度在300～700 mm。

圖1 鎳板

圖2 鎳垛

金川集團鎳冶煉廠的“鎳板”自動包裝生產線由“剪切段”“轉運段”和“包裝入庫段”等3個主要工段組成，如圖3所示。其中，“剪切段”包含A、B、C三條剪切線，它們主要完成原始鎳板懸掛用鎳帶（耳朵）的剪切，并將“剪耳”之后的鎳板按照一定的規格（重量或鎳板數量）堆疊成垛?！稗D運段”通過一臺龍門懸臂變頻小車實現鎳板垛從“剪切段”到“包裝入庫段”的轉運。轉運小車可沿圖3中Y軸方向在A、B、C三條剪切線之間移動，在“位置1”“位置2”和“位置3”處沿X軸負方向移動裝載鎳板垛，僅可在“位置2”處沿X軸正方向移動卸載鎳板垛。出于安全因素的考慮，轉運小車同一時間只能沿X或Y軸中一個方向移動，X軸和Y軸方向的移動是互鎖的。“包裝入庫段”包含“整形對正”“壓平”“稱重”“打包”“噴碼”和“入庫”等6個主要工序構成?！鞍b入庫段”在4號工位（交接工位1）接收轉運小車送來的鎳板垛，并采用3組輸送鏈條E1，E2和E3沿X軸的正方向移動運送鎳板垛，使其依次通過上述工序。鎳板垛首先到達5號工位（整形對正工位），依次接受沿X軸和Y軸方向的擠壓，促使垛里每一片鎳板在X和Y兩個方向都能對齊。由于鎳板的彎曲性，為了使垛中每個塊鎳板間彼此足夠接近，給后續的打包工序做好準備，在6號工位，鎳板垛接受壓實機的擠壓。5號工位的“對正”和6號工位的“擠壓”均由液壓系統驅動。在7號工位采用交易用計量秤，對鎳板垛的重量進行稱量，稱量得到重量數據通過PROFIBUS-DP總線上傳PLC系統。在9號工位，全自動打包機對鎳板垛進行捆扎包裝。在10號工位，由噴墨打印機在鎳板垛的最上層鎳板上噴涂產品標識信息（包括：產品名稱、標準、批號、牌號、日期、包號、片數、凈重和毛重等）。當鎳板垛到達11號工位（交接工位2）時，“包裝入庫段”將其交予立體倉庫存放。[1]

圖3 鎳板自動包裝生產線

3 原有稱重校驗功能的缺陷

鎳板自動包裝生產線自2012年投入使用以來，是金川集團股份有限公司研制開發的國內第一條電解鎳板自動化加工生產線，首次實現了對9996電解鎳板剪切、包裝、入庫的全流程自動化生產，設備利用率達95%以上，日產量為300 t左右，是成品車間主要運行設備。然而，在8年的生產運行期間，用戶關于鎳板垛重量異議的投訴多達10余起。

3.1 缺陷分析

鎳板自動包裝生產線的計量稱重主體由2個部分組成：一是A、B、C三條剪切線的“初秤”部分，二是7號工位（稱重工位）的計量秤部分。前者主要被用于通過重量判斷是否完成了1垛鎳板的堆垛，后者則用于實際交易。原有的稱重校驗功能是通過比對“初秤讀數”和“計量秤讀數”實現的。然而，在實際應用過程中發現，這種設計是不能達到稱重校驗要求，無法實現全部包裝入庫鎳板重量的校驗確認。究其原因，主要體現在以下2個方面：一方面，上述的比對結果沒有采用數據實時上傳的方式反饋到PLC程序中，并通過PLC程序及時地進行稱重數據的質量把控，而只是通過參考產品出庫時采樣率為5%的抽檢產品的“比對數據”來間接評價計量稱重數據的準確度，存在系統風險漏洞。另一方面，這種設計忽略了設備的實際使用工況。首先，初秤秤臺是置于堆垛升降平臺上的，該平臺的上升和下降動作會引起初秤的計量偏差；其次，在鎳板的堆垛過程中，每天對初秤秤臺的敲擊高達到2 000次以上。這種工況導致在實際生產過程中，“初秤讀數”和“計量秤讀數”之間經常會出現10～20 kg的偏差，失去了重量比對校驗的意義。

3.2 缺陷的早期處理

鑒于上述情況，金川集團鎳冶煉廠在“鎳板”自動包裝生產線的8號工位（等待工位）加裝了一套二次復核稱重裝置如圖4、圖5所示，輔助校驗交易秤稱量數據的準確性。然而，投入使用后發現存在以下問題：（1）稱重儀表單元不能與生產線主PLC對接，無法反饋二次復核稱量數據形成“稱重數據質量把控”的閉環控制，僅僅只能通過崗位職工目測觀察進行“計量秤讀數”和“二次復核稱量讀數”的比對。（2）二次復核稱重裝置采用了“剪切角”式的機械頂升機構。這種機構升起后，其位置輸出是振蕩收斂的，它達到穩定位置所需的時間較長，在有限的稱量時間內稱重儀表顯示的重量有一定的波動，給崗位職工準確取數造成了困難。（3）該機械頂升機構采用了液壓驅動方式，與升降油缸連接的管路由于傳遞了液壓回路中的震動（由其他液壓設備產生），導致在頂起稱重過程中實際稱重讀數有4～6.5 kg的偏差，二次復合不準確，使崗位職工決策判斷困難。

圖4 機械頂升機構

圖5 頂起稱量中

4 新稱重校驗子系統

為了確保鎳板自動包裝生產線正常、穩定、連續地運行，消除客戶關于產品的“重量異議”質量事故率，研究人員重新設計、制造，并與原系統無縫融合了全新的入庫前稱重校驗子系統，替代原有無效設備。新增子系統由：工業用臺秤（量程為3 t，精度等級為3級）、氣動頂起機械裝置、PLC控制子系統等3個部分組成。主要完成了鎳板垛的頂起稱重，計量秤和校驗秤讀數的實時在線比對和監控，以及校驗數據的歸檔顯示等工作。

4.1 氣動頂起機械裝置

針對之前液壓“剪刀角”式機械頂升機構存在的缺陷，研究設計制造了氣動頂起機械裝置如圖6、圖7、圖8所示。該裝置采用了氣動的驅動方式，避免了液壓管路的震動干擾；另外，它通過四氣缸平行推動方式頂升鎳板垛。經調試，在生產現場壓縮空氣的氣壓滿足≥0.4 MPa的條件下，它能夠在規定的時間內（7 s）柔和且無振蕩地頂起鎳板垛，并且確保鎳板垛完全與輸送鏈條完全分離，使它們之間的距離≥70 mm（這個間距可以完全避免鎳板垛的最下層鎳板因為彎曲導致的鎳板角與輸送鏈條搭接的情況）。該頂升裝置頂起鎳板垛后，保持需要的時長（5 s），待PLC系統與校驗秤的儀表通訊采集稱重讀數后平穩落下。

圖6 機械頂起裝置設計圖

圖7 機械頂起裝置實物

圖8 機械頂起裝置升起圖

4.2 控制子系統

控制系統的組織架構如圖9所示，其中下位PLC（S7_300 CPU315-2PN/DP）與上位監控軟件（WinCC 7.3）之間采用了TCP/IP通訊總線[2]。

4.2.1 控制子系統的功能模塊

首先，關于原有系統和新加入的校驗秤儀表之間的數據采集接口問題，主要考慮了2個方面的因素。第一，新增的子系統屬于輔助系統，它不應影響原系統的正常工作，故障或必要時應該能被切出主系統，因此，新的子系統融入前后應保持PLC系統硬件組態（或者說硬件配置）的一致性，盡可能避免引入新的不確定的干擾危害系統的魯棒性[3]；第二，經濟成本因素。鑒于這2個方面的考慮，對于新加入的校驗秤儀表，并沒有額外采購與原系統通訊方式一致的通訊模塊，而是采用工控行業最常用的串口（COM口），通過上位工控機系統（避免直接與PLC系統相連）實現控制系統對校驗秤讀數的采集，如圖9所示。為實現這種數據采集模式，在WinCC監控軟件平臺上編寫用于校驗秤讀數采集的全局C腳本，在PLC中為之匹配“校驗秤儀表讀數觸發控制”程序段。

圖9 新增子系統的控制架構

除上述內容以外，在WinCC監控軟件平臺上將校驗秤數據實時顯示功能融入原監控界面，并配置了用于歷史查詢的數據歸檔功能。在PLC中，增加為數據歸檔匹配的“分頻觸發”程序段；控制頂升裝置上升下降動作的程序段；協調頂升裝置動作與E3輸送鏈條啟停的程序段；比對和監控計量秤和校驗秤讀數的實時程序段。

4.2.2 串口采集校驗秤數據

在新加入的子系統中，利用工控機上的WinCC監控軟件直接讀取串口數據，主要包括涉及數據提供者（校驗秤儀表）和數據接受者（工控機WinCC）兩方面的COM通訊口的設置，以及相應程序編寫。校驗秤儀表和工控機的COM通訊口均采用了“9 600位/s的波特率、8個數據位、無奇偶校驗、1個停止位、無流控制”的基本設置[4]。作為數據提供者的校驗秤儀表采用了“連續輸出”的方式持續不斷地向COM口輸出稱量數據。作為數據接受者的工控機WinCC系統決定何時采集有效的稱量數據。WinCC對COM口的訪問方式比較多，包括直接和間接的訪問方法。考慮到開發的方便性，采用了WinCC直接訪問COM口的方式。但是WinCC軟件7.0以上的版本不再集成訪問COM口的控件，因此，利用C++語言編寫了訪問COM口的動態鏈接庫文件（Com.dll），并通過WinCC的全局腳本動作調用這個Com.dll文件，實現了WinCC 7.3對COM的訪問。關于WinCC何時觸發這個全局腳本動作，則由PLC程序提供觸發信號，即當PLC驅動頂升機構升起，得到上升到位的信號并經過適當延時之后，觸發該讀數信號，以確保讀入正確的稱量數據。

4.2.3 校驗秤數據的實時比對機制

WinCC讀取校驗秤儀表的數據后，將其寫回到PLC中，與控制系統中該垛鎳板的交易秤稱量數據進行比對，如果二者一致（在±1 kg的誤差范圍內）則可以正常繼續后續的打包、噴碼、交接入庫等工序，否則引發報錯機制（紅色聲光報警燈的閃爍如圖10所示，以及WinCC界面的錯誤校驗重量提示如圖11所示），提示崗位操作工人及時處理。

圖10 校驗秤儀表及報警指示燈

4.2.4 校驗數據實時顯示和歸檔

校驗秤數據存儲于PLC中該垛鎳板對應的DB數據塊中，與“牌號”“生產日期”“包號”“片數”“毛重”“主秤凈重”“副秤凈重”等其他數據構成這垛鎳板的產品信息，并跟隨這垛鎳板在生產線的移動在對應位置的DB塊之間傳遞，同時顯示在WinCC監控界面上（如圖11所示），最終隨著鎳板垛的入庫，傳遞給立體倉庫和計量部門。除了對產品信息數據的傳遞，為了保證每垛鎳板信息數據的歷史可查詢，將上述的“牌號”“生產日期”“毛重”“主秤凈重”“校驗秤重量”等關鍵信息以數據歸檔的方式進行本地存儲，如圖12所示。

圖11 WinCC監控界面錯誤提示

圖12 歸檔數據表

數據歸檔是當鎳板垛到達10號工位進行產品信息噴涂時同時進行的，因為此時產品已經完成打包，其信息不會發生更改。數據歸檔的觸發信號采用的是噴涂動作的觸發信號，但是這個信號是個脈沖信號（每垛鎳板到達10號工位后，這個信號都會由0跳變至1觸發噴涂動作，經歷500 ms的延時后，再由1跳變回0），它的兩次跳變將會對同一組產品數據觸發兩次歸檔操作。因此，研究設計采用分頻程序，以分頻后的信號觸發數據歸檔，確保歸檔數據的唯一性。

4.2.5 頂升機械裝置控制

頂升機械裝置的升降是新加子系統內唯一的空間動作，盡管動作簡單，但必須考慮其周邊設備的運行情況。首先，頂升機械裝置的升降與E3輸送鏈條的啟停是典型的互鎖關系；其次，其相比較于E3輸送鏈條上其他的打包、噴碼和交接入庫等動作環節的用時最短，在一次有效稱量讀數后，必須保證其不會二次誤動作；第三，考慮當第一次稱量沒有獲得正常讀數時，其應該能夠自動地再次動作進行第二次稱量，確認讀數不符合要求后進行報警提示；第四，作為輔助功能，可以在必要的時候切出校驗稱量功能。綜合上述分析，將頂升機械裝置的升降動作寫為一個“稱量子程序”如圖13所示，而將其他功能要求寫作一個“稱量校驗總程序”的子程序如圖14所示。“稱量校驗總程序”在單次循環中可多次調用“稱量子程序”，并用“第一次稱量標志”置1確保在一次有效稱量讀數后不會二次誤動作，用“稱量次數計數”小于2保證在第一次正常讀數失敗后可以自動地進行二次稱量讀數，還可以根據需要由崗位操作工人切出稱重校驗功能。

圖13 稱量子程序

圖14 稱量檢驗總程序

4.2.6 新系統融合后的應用效果統計

融合了新的稱重校驗子系統后，統計該生產線3個月的稱重校驗數據，對比分析如表1所示。其中，發現“稱重異?！钡逆嚢?垛，并及時處理重新計量入庫，入庫準確率達到了100%。

表1 系統改造前后重量校驗對比分析

5 結論

鎳板自動包裝生產線融合新的稱重校驗子系統后，能夠完全自動地進行稱重校驗，實現了每一垛入庫鎳板100%的計量準確率，以及稱重校驗數據的本地和遠端計量部門的實時歸檔，確保了每一垛鎳板稱重校驗數據的歷史可查詢。本研究工作對類似在線稱重校驗系統的集成和改造提供了一定的參考意義。