基于PLC的飲料瓶自動裝箱作業網絡通信系統設計

桂 恒，周楊芳

(上饒職業技術學院，江西 上饒334109)

0 引言

飲料灌裝入箱是現代飲料加工企業生產作業的重要環節。目前，大多數企業引進的灌裝入箱生產設備以單套作業模式為主，鮮少采用工業互聯集約網絡通信技術，存在單次灌裝生產數量有限、集約化作業效率低、網絡通信控制便捷性不足等弊端。采用PLC可編程控制技術并引入工業互聯網架構模式構建“主-從”計算機網絡通信系統，能夠較好地解決上述問題，有利于提升飲料加工企業灌裝入箱的生產作業效率。基于此，展開相關的硬件和軟件設計研究。

1 設計概述

系統基于西門子S7-200型PLC設計，為解決常規飲料瓶自動裝箱生產設備存在的網絡通信不便捷、集約化生產能效低等問題，特引入西門子工業互聯網搭建和自動化生產解決方案，構建“主-從”計算機組網體系，采用“主站操縱器-從站分流機-從站裝箱機”工業互聯網架構模式。整套系統的主要硬件模塊由3臺飲料瓶裝箱機、1臺包裝分流機和1臺TD200主站操縱器組成，軟件編程采用西門子S7-200型PLC專用編程軟件STEP7實現，通信組網基于STEP7軟件中的“NETR/NETW”指令向導構建。實際作業時，TD200主站操縱器負責整套系統的網絡通信數據設置、驗證和發送，包裝分流機則根據接收到的控制程序將飲料瓶、粘合劑和紙箱有序地分配給裝箱機，3臺裝箱機按照組網傳送指令完成灌裝作業。

2 硬件設計

2.1 硬件組網設計

系統硬件組網結構如圖1所示，系統采用“主-從”結構組建作業通信網絡，主要分為1個主站和4個從站。主站由TD200硬件系統構成，并配置1臺安裝Windows操作系統的計算機作為上位控制機，用于配置系統的網絡通信參數、向從站發送裝箱作業程序、查看系統工作時的網絡傳輸數據等。從站由分流機和3臺裝箱機組成，其中，分流機由1臺CPU224型的S7-200PLC控制，在接收到主站傳輸的裝箱控制指令后，由PLC向3臺裝箱機發送灌裝控制程序，控制裝箱機有序地進行飲料瓶集約化包裝、粘合、入庫等操作；3臺裝箱機分別由3臺CPU222型的S7-200PLC控制，各PLC接收到分流機發送的指令后進行有序作業。

圖1 系統硬件組網結構示意圖

2.2 硬件模塊設計

該系統硬件模塊主要由中央控制器、組網通信模塊、傳感器系統、傳送裝箱模塊等組成。

2.2.1 中央控制器

中央控制器是整套系統的“大腦”，分為主站控制器(以1臺CPU226型的S7-200PLC為核心)、分流機控制器(以1臺CPU224型的S7-200PLC為核心)和裝箱機控制器(以3臺CPU222型的S7-200PLC為核心)。其中，主站與分流機之間以RS485線纜進行通信連接，分流機與各裝箱機之間以雙絞線和PPI通信線纜進行連接，構成自上而下的網絡通信體系，并根據裝箱作業的要求在STEP7軟件中進行網絡通信參數設置。

2.2.2 組網通信模塊

組網通信模塊采用西門子公司研發的網絡中繼器，將系統中各設備級聯結起來，構建自動化生產通信網絡環，設置波特率為9 600 bps，通信距離可達1 200 m，確保整套系統在較大的空間內安裝、配置及作業。

2.2.3 傳感器系統

傳感器系統用于檢測和統計裝箱作業的數量，在各裝箱機入口處安裝光電傳感器，用于檢測飲料瓶裝箱個數，當光電傳感器檢測到預設包裝箱數時，由PLC計數器程序進行復位，并開啟下一輪作業計數。

2.2.4 傳送裝箱模塊

傳送裝箱模塊由三相異步電動機、西門子MM420變頻器模塊和輸送帶模塊組成，通過PLC編程控制散裝飲料瓶、紙箱、粘合劑的有序運送。

3 網絡通信設計

3.1 主站網絡通信字節設計

主站網絡通信字節設計如表1所示。

表1 主站網絡通信字節設計

F錯誤提示：當F=1時，表示裝箱機運行出現故障。

EEE錯誤代碼：用于提示出現裝箱作業錯誤類型的代碼。

G粘合劑供應過慢：當G=1時，提示粘合劑供應慢，必須馬上補充。

B紙箱供應過慢：當B=1時，提示紙箱供應慢，必須馬上補充。

T飲料瓶供應過慢：當T=1時，提示生產線上無飲料瓶。

實際生產過程中，設置主站網絡通信字節提示控制區，來提示飲料瓶自動裝箱作業中可能出現的故障或問題。在程序設計上，用NETR指令連續讀取主站的控制字節，以判別主站預設程序的執行情況，當分流機和包裝機出現生產故障時，控制字節相應區域會出現對應的代碼，并啟動外部的聲光報警裝置進行提示。此外，當某裝箱機包裝完20箱飲料時，控制分流機的PLC會向該裝箱機發送一條NETW指令，復位該裝箱機的計數器。

3.2 從站網絡通信程序設計

本系統從站由分流機和裝箱機組成，與主站之間建立PPI、RS485等網絡通信關聯，接收和反饋相關的裝箱作業生產數據。為確保從站與主、從站之間的網絡數據傳輸通暢，在從站網絡通信程序設計中設置了專屬的數據接收和發送緩沖區。其中，分流機向裝箱機(從站2)發送數據的緩沖區首地址為VB300，接收數據的緩沖區首地址為VB200；分流機向裝箱機(從站3)發送數據的緩沖區首地址為VB310，接收數據的緩沖區首地址為VB210；分流機向裝箱機(從站4)發送數據的緩沖區首地址為VB320，接收數據的緩沖區首地址為VB220。明確通信數據發送及接收地址后，以分流機和從站2之間的網絡通信為例，編寫TBL通信程序表，如表2、表3所示。

表2 數據接收程序表

表3 數據發送程序表

3.3 網絡通信參數設置

網絡通信參數設置需要在STEP7軟件中完成。以從站3的網絡通信參數設置(見圖2)為例進行說明：首先，點擊軟件菜單欄中的“工具”，接著點擊其中的“指令向導”，并在彈出的對話框中選擇“NETR/NETW”，之后選擇“下一步”；其次，根據預先分配好的從站網絡通信發送及緩沖區地址，在從站3的“數據存儲在本地PLC何處？”選項中將數據接收緩沖區地址設置為VB210至VB212，并在“從遠程PLC的何處讀取數據？”選項中將數據發送緩沖區地址設置為VB310至VB312。其余從站的網絡通信參數設置以此類推。

圖2 從站3的網絡通信參數設置

4 結語

該系統硬件和軟件設計完成后，參照西門子工業互聯網一體化裝配方案搭建運行平臺，并應用于某飲料加工企業生產現場進行測試，結果顯示：系統連續運行8 h過程中，飲料瓶自動裝箱作業準確率為99.5%，網絡通信數據的傳送發送掉包率為0.2%，各部件加工作業的平均響應時間為0.03 ms。整體而言，系統能夠連續穩定地實現飲料瓶自動裝箱加工作業，各預設指標參數均有良好的達成度，符合預期的設計初衷，實現了提升飲料加工企業灌裝作業的集約化和自動化的目標，具有較高的應用推廣價值。