鎳極板自動化生產線智能控制系統的設計

張姍ZHANG Shan；李瑋LI Wei；魏新宇WEI Xin-yu

（①西南林業大學機械交通學院，昆明 650224；②咸陽職業技術學院機電學院，西安 721000）

0 引言

鎳作為重要的金屬元素，被廣泛應用于化工、機械電子、智慧農業、航空航天等高端領域。隨著市場對鎳極板產量以及規格與質量的不斷擴大，同時對企業鎳極板的加工提出了更高的要求。但目前，國內鎳極板生產過程中，自動化程度整體不高，目前暫時未實現鎳極板智能生產過程。導致產品成本高、生產線效率低、次品率高等問題。

本文以鎳極板生產線的智能控制系統為設計對象，通過對現有的鎳極板生產線工藝流程及機械結構進行詳細分析研究后制定出合理的自動化生產線總體設計方案；同時，對生產線系統的硬件架構進行設計（包括動作控制系統的電氣原理圖和硬件結構拓撲圖的設計，以及可編程控制器、人機界面、伺服驅動器與伺服電機、變頻器與交流電機、傳感器、接觸器等元器件的配置選型）；在此基礎結合系統硬件對生產線系統的軟件架構進行設計（包括各個子模塊的PLC程序功能、人機交互界面及遠程上位機終端的界面設計與實現，整個控制系統通訊網絡采用modbus tcpip的方式組態與連接）。由于鎳極板生產線較長，以工作站為單位進行實時狀態監控管理和實時報警功能，各工作站可觸摸屏畫面查看設備故障點并進行處理，遠程終端可查看及存儲整條生產線各設備的運行狀態、報警及產量信息等。

1 鎳極板生產線整體設計方案

1.1 生產線功能要求

根據鎳極板生產線的工藝流程，并結合企業生產車間的實際要求，對生產線系統的功能要求梳理如下：①鎳極板生產線至少包括以下功能模塊：液壓站單元控制模塊、料箱單元控制模塊、剪切單元控制模塊、沖鉚單元控制模塊、自動送耳單元控制模塊以及穿棒/排板單元控制模塊和中央操縱控制模塊；②整條生產線由中央控制器集中監控運行，正常運行時，可以獨立完成鎳極板的自動生產；③各生產單元模塊化設計，實現整條生產線控制系統風險分散，各生產單元模塊可獨立控制運行且任何單元故障不會影響其他控制單元工作；④整條生產線具有完善的自動保護以及實時監控報警能力的特點；⑤整條生產線具備數據管理與數據分析的能力。

1.2 生產線方案設計

根據鎳極板生產的工藝流程以及功能要求分析，利用模塊化的思想將完整的生產線系統劃分為以下子模塊：液壓站單元控制模塊、料箱單元控制模塊、剪切單元控制模塊、沖鉚單元控制模塊、自動送耳單元控制模塊以及穿棒/排板單元控制模塊和中央操縱控制模塊。整條生產線系統的結構圖如圖1所示。

圖1 生產線系統結構示意圖

1.3 生產線工藝流程分析

在充分了解鎳極板生產線的現場工藝需求后，對鎳極板的生產工藝流程以及控制系統進行研究，通過深入生產車間現場了解到，鎳極板的簡要生產工藝流程如圖2所示。

圖2 鎳極板生產線工藝流程圖

2 生產線控制系統的硬件設計

硬件是生產線實現控制功能的先決條件，鎳極板生產線智能控制系統所需要的硬件有：可編程控制器、伺服驅動器及步進電機驅動器、變頻器、觸摸屏以及各類傳感器等。使用到的傳感器主要有光電傳感器、行程開關、接近開關、磁性開關等，主要用于工位狀態監測及各執行元件的運行狀態監控功能，其工作原理可簡要描述為，傳感器將接受到的模擬信號轉成標準信號并輸入至PLC，PLC對輸入的各個信號進行運算處理并執行相應的控制動作。

整條生產線由液壓站單元控制模塊、料箱單元控制模塊、剪切單元控制模塊、沖鉚單元控制模塊、自動送耳單元控制模塊以及穿棒/排板單元控制模塊和中央操縱控制模塊組成，每個模塊分別配有控制柜，來實現智能控制系統中電機以及相應執行元件的動作控制。整條生產線中使用的PLC型號以及I/O點分配情況，如表1所示，在程序的設計中，我們必須充分考慮系統對各模塊的控制要求以及各控制信號之間的聯鎖控制關系，同時，還要注意觸摸屏中各控制鍵參數的設置要與PLC中的參數一致，確保通過觸摸屏準確控制生產線的正常運行。

表1 PLC選型表

3 鎳極板生產線工藝流程以及控制流程設計

由于該條生產線較長，模塊單元較多，故在此，我們選擇以工位1（進料工位）到工位2（對中工位）為例，分析該模塊的工藝流程以及系統軟件的實現。

3.1 生產線工藝流程

工位1（進料工位）到工位2（對中工位）的工藝流程圖如圖3所示。

圖3 工位1（進料工位）到工位2（對中工位）的工藝流程圖

3.2 生產線控制系統軟件的實現

鎳極板生產線控制系統軟件采用博途V15實現，按照模塊化設計原則，下面以料箱工位為例進行軟件設計。在程序設計過程中，將程序進行分組，主要有模式、報警、自動、遠程通訊、工作站間S7通訊，如圖4所示。

圖4 軟件分組

在模式組中，主要程序有手動模式、自動模式和維修模式三種供操作人員選擇。設備模式狀態以及從哪里進入的模式，均可在本地觸摸屏或者遠程終端實時查看。

其中自動模式中，本著安全生產第一的原則，在操作人員切換到自動模式后，需等待3s，系統才會進入自動運行模式，此時按下啟動按鈕，才能啟動自動運行。在進入維修模式后，系統取消各工位之間的連鎖信號，以確保維修過程人員及設備安全，便于維修。在程序設計過程中，根據設備動作需要，適時插入報警信息，當產生高級報警（如緊急停止等），控制系統的運行狀態丟失，需要人工解除報警信息恢復正常后，方可重新啟動運行。而單工位的報警信息，僅影響相應工位動作的運行。在程序中，主要有液壓閥、電磁閥、伺服電機及步進電機的控制，傳感器監測鎳極板的位置，根據程序設定的工藝完成相關的動作流程。單個工作站調試穩定后，可進行整條生產線測試，與此同時，監控程序，監測各子模塊對應的程序是否正常。

3.3 智能決策輔助控制技術

在鎳極板自動化生產線在防呆處理系統的基礎上，自動控制系統中集成智能決策系統，系統可自動根據各種不同工況、不同工位產生的報警信息對操作人員提供操作決策支持。當系統積累大量生產數據后，還可通過數據分析、數據挖掘技術等智能算法，提出更優的生產工藝參數，以進一步提高系統穩定性和產品質量。

4 生產線控制系統的優勢

鎳極板生產線選擇采用西門子CPU 214C DC/DC/DC，14入10出（6ES7 214-1AG40-0XB0）的CPU，開關量輸出選用SM1222 8×24VDC（6ES7 222-1BF32-0XB0），開關量入輸出模塊選用：SM1223 16×24V DC輸入/16×24VDC輸出（6ES7 223-1BL32-0XB0）。通訊方式采用西門子專有的S7通訊，完成站點之間，信息的交互；同時，利用相同的硬件，采用modbus tcpip方式，實現站點與上位機的信息交互。鎳極板整條生產線的自動化運行，實現了中央集中控制與各模塊單元的單獨運行，大大提高了后期安裝與維修的便利度；同時，最大程度的降低了整條產線的風險，各模塊的獨立運行不會因為其他模塊單元的故障而停止運行，甚至可以只讓部分單元模塊單獨運行，實現其相應模塊功能，提高了系統穩定性及可靠性。

5 結論

本條鎳極板生產線采用了國內外先進的設備，通過配置強大的自動化控制系統，實現安全啟動、自動設定、自動操作、遠程操控及生產管理等多項功能。采用工業以太網的通訊方式，實現多種通訊組合，實現數據信息的實時交互，確保生產線中各品種規格的高效和高質量生產。