2016第三届机械、工业、制造工程国际会议(MIME 2016)
ISBN:978-1-60595-313-7
基于PLC的生产线自动控制系统设计和WinCC
何娇如，杨盼，发金干
北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京，中国
摘要：根据生产线的设计要求，设计了自动生产线基于PLC和WinCC软件平台的控制系统。 根据四套的要求过程，上层和PLC的配置以及多进程并行操作的调度设计的。 它可以远程控制设备。IPC可以反映设备的运行状态以及16台温度仪表的串行数据采集，以及四套程序设置接口和监控工作，而且数据记录和打印接口也在IPC中。测试和运行表明该控制系统能够满足生产线自动化的要求，具有实时性强，运行可靠，操作方便等特点。
1引言
工厂的阳极氧化生产线主要用于工件的氧化表面处理，以提高产品的性能。 由于生产线已经使用十多年，设备老化，不具备自动化生产的功能，现在通过模块化设计和功能分解，全面改造生产线，降低系统复杂度和维护难度 ，并提高其运行可靠性。利用信息融合技术对操作数据进行分析，并对故障进行实时检测和预处理，使故障在使用中而非非使用中曝光，还缩短了停车时间; 设计四套工艺，提高生产效率和系统可靠性，保证系统的长期、可靠运行。
2系统结构
为了满足需求分析的要求，新系统的设计具有可靠性高，易于维护等优点。整个系统采用模块化设计思想，分解系统功能，减少维护时间。子系统之间的通讯由DP总线连接。
2.1系统主框架
系统可以分为IPC系统，主控制系统，起重机控制模块和电源控制模块。改造后的系统结构如图1所示。如图1所示，IPC系统由工业计算机(IPC)和DP通信卡组成，主要完成系统过程的录入、数据采集和记录、数据打印等。该系统主控系统由西门子PLC S7-300及其相应的扩展模块组成，主要实现了数据采集，DP主站的建立，系统过程的执行等功能(Wang L L, Wei H . 2010)。 为确保系统的控制参数能够成功显示和设置，系统采用了人机交互方式，触摸屏和PC两种方式，两种方式互为备份，以提高系统的可靠性。
图1 系统总控制结构
系统软件采用WINCC软件开发，主控制系统采用PLC的Step 7 V5.5。另外，电力系统由PLC的step 7micro win v4.0开发。主控系统软件包括两部分，一部分为IPC软件，另一部分为PLC软件。 其中，IPC软件主要完成工艺显示、设备状态监测等功能，PLC软件主要实现现场设备的监控和自动化过程的控制。 整个设备的工作过程如图2所示。
图2 操作执行过程
2.2多工艺设计的并行操作
阳极氧化生产线含有4个氧化电源，可同时进行四道工序操作。根据阳极氧化生产线现场设备和工艺流程的特点，必须保证四个工艺在多工序操作时不会相互冲突，这是因为当它具有多工序操作时( Wang X, Du J, Qi L, et al. 2006)，起重机和前把手油箱是共用设备。为了实现多进程操作，可以利用时间轴上所有设备资源的扩展来实现设计。具体思路如图3所示。
图3 多进程操作的具体思路
如图3所示，多进程操作是通过将每个硬件设备视为管理资源来实现的，例如起重机，工作罐和氧化罐等。硬件设备在时间线上执行，当设备在一定时间内工作，相应的时间设置为忙碌状态，如起重机的运行，当一个过程正在运行时，起重机将在每个槽中工作，因此起重机的工作时间可以自动产生基于每个插槽的工作时间。当一个新的过程被打开时，通过计算相应的起重机满足过程要求的能力来执行相应的操作。在图3中，黑色和红色块表示处于繁忙状态的不同进程。
3控制系统的硬件设计
控制系统的硬件包括起重机部分和电源，以及罐号绝对定位装置的设计。
3.1起重机控制设计
为了控制起重机，将整个驱动控制系统安装在起重机领域，变频器和电机通过铠装电缆连接，尽可能减少系统的干扰。改造后的起重机控制原理如图4所示。为便于维护，操作控制系统使用继电器逻辑和PLC逻辑作为冗余控制模式（Wang D T，Yao D. 2012）。手动操作充分采用继电器逻辑，便于维护，PLC控制逻辑用于自动模式，提高执行效率。
图4 起重机控制转换器的工作原理
3.2功率控制设计
电力控制系统采用通用PLC和信号隔离装置构建，组件易于购买。同时，PLC的开放使电源控制部分可以应用于下一代电源，因此其优点是显而易见的。另外，由于车间内高电压，负载波动明显，需要一座净化电厂（王琦，肖晓莉，马驰，谭晓峰，2011）。为了防止电压波动的不稳定性，这可能会降低元件的寿命，在控制功率分配转换后，使用专用电源装置尽可能延长器件的使用寿命。
3.3罐号的绝对定位装置设计
罐号的准确位置是成功过程的保证。有两种方法可以确保罐号准确定位，一种是使用位移测量，另一种是接近开关。改革后的系统用后者来获得绝对位置。为了实现绝对定位模式并保证设备的可靠性，项目采用了绝对编码的方式来定位罐号，如图5所示。
图5 罐号的绝对定位方案
4控制系统的软件设计
生产线控制系统由8个主要接口组成，如图6所示。8个主要接口包括所有监控信息，技术人员可以监控生产线的主要状态，方便直观地在IPC上进行，并对过程进行一些设置。
图6 控制系统接口框图
|
类型 |
DI |
DO |
AI |
|
积分 |
145 |
12 |
38 |
下表显示了所有系统信号统计信息，如表1所示：
表1 系统信号统计
然后描述几个主要接口。图7是控制系统的主界面，主要包含30个水箱的温度、起重机状态、四套工艺状态、水泵和风机的状态、系统主要故障状态，所以系统由五部分组成。图8是四个过程的设定界面，展示了其中一个过程的设定界面，包括过程参数的设定。
图7 控制系统主界面
图8 过程设置界面
图9显示了控制系统数据显示和打印界面，其中包括每个水箱通过温度仪器采集的15个通道温度值。温度仪表每分钟收集一次数据并每隔3分钟进行一次存档。此外，还对电源参数的四组氧化过程进行了归档，包括电流和电压。这些数据以趋势曲线的形式显示，可以直接在打印界面中打印。
图9 控制系统的数据显示和结论打印界面
5结论
本系统可以实现自动和手动两种操作模式，并可成功实现过程功能，如多进程操作、数据记录、数据打印等。PLC和WinCC用于生产过程监控界面的设计。通过IPC与PLC之间的通讯，实时传输数据，充分实现过程数据采集与IPC控制功能。监控界面形象直观，大大降低了工人的劳动强度，保证了生产的连续性和安全性。更重要的是，工人可以根据生产情况快速修改工艺参数，大大提高工作效率。新系统已达到了转型的要求。
参考文献
[1]王L L,魏H Y.2010.基于PLC的应用分布式控制系统的开发[C],机器学习和控制论（ICMLC）,国际会议.IEEE,2:906-909.
[2]王X,杜J,齐L等.基于WinCC的化工监控系统[J].化学工业中的控制和仪器,33（5）:41-42.
[3]王东涛,姚丹丹.基于WinCC的光伏发电监控系统设计.制造科学与技术.
[4]王Q,肖X L,马驰,谭X F.基于PLC和WinCC的摩擦提升滑动保护系统的设计,通信与网络,:230-233.
工程研究进展（AER），第130卷
第五届制造科学与测量技术国际会议（FMSMT 2017）
机器人辅助码垛自动生产线
赵红华，刘涛，李志平，陈绵鹏，田倩倩，赵耀华
济南大学机械工程学院，济南，山东省，中国
zhhbit@163.com
*赵红华
关键词：砖;PLC;分组;机器人堆叠系统
摘要：在砖坯烧结成窑之前，研究人造板坯的现状下，研究克服劳动强度不足和生产线效率低下的新型高效生产方法具有重要的现实意义。本课题旨在开发机器人自动辅助生产线。在单级砖渣挤压的基础上，以PLC为控制核心的多工位传感器检测，实现了精确的砖块组和细坯料坯料。利用码垛方坯机器人完成码垛空白作业，进一步提高了生产效率，以适应现代化生产需要和企业的快速发展。
1.介绍
砖是住宅建设中不可或缺的材料，广泛应用于承重，非承重墙，屋面，道路等住宅和公共建筑的城乡建设。随着经济发展，土地资源日益紧张，可持续发展战略尤为重要。国家近期开展了强有力的建材创新工作，并出台了多项优惠政策鼓励新型建筑材料的开发，限制了粘土砖的大量生产和使用，以达到节能，节约土地，废物利用的目的。国家大力推进新型墙体材料的发展，取得了很大成绩。其中，以建筑废料，煤矸石和荒山砂页岩为原料，采用隧道窑焙烧生产烧结砖是建材行业最受欢迎的新型墙体材料。中国隧道窑年产量已达数千亿标准砖。
- 生产线流程
机器人辅助码垛制砖过程自动生产线主要包括：定量给料原料 - 原料加工 - 挤压成型 - 切割砖 - 机器人堆放到窑车 - 干燥 - 焙烧成型 - 卸砖和包装。机器人辅助码垛自动化生产线的具体工艺流程为：煤矸石，页岩等原料用锤式破碎机破碎后，经过筛管精炼，并用多斗挖掘机，平板输送机输送粘土比例，然后送至搅拌机搅拌。真空硬质塑料挤出机挤出泥浆，通过切割毯子，形成坯布坯，将码垛坯料机码垛到窑车上，然后由履带式牵引车将窑车运送到轨道末端。液压定位渡轮将窑车渡轮送往烘房驱动轨道，烘干室液压顶车推动窑炉向烘房内烘干。干窑窑依次排列，遵循先入先出的原则。砖通过干燥室烘干，然后由轮渡渡船到隧道窑轨道，由隧道窑液压顶车到窑顶进入隧道窑烧成。砖被烧成成品砖，渡口从窑里穿过窑。砖窑卸砖结束后，空车窑由履带式拖车返回码垛位置。如果窑车或履带破损，可以进入维修车间维修。
图1 工艺流程图
机器人辅助码垛自动化生产线的整体系统组成如图1所示。机器人辅助码垛自动化生产线的整体系统由原料加工系统、切割成型、机器人码垛坯系统、窑炉运输等部件组成。
YDW980 ZSJ系列 JKY
液压多斗挖掘机 双轴搅拌机 真空硬塑料挤出机
图2 整体系统图
如图2所示,其中包含YDW980液压多斗挖掘机、ZSJ卧式双轴搅拌机、JKY真空硬塑料挤出机、D型智能切割切条机、堆垛钢坯机器人、窑车、履带、运送车、窑路顶车机、除硫设备、隧道窑等。
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- 切割机械
目前，在制砖企业中使用的空白自动切割机的运动原理基本上是曲柄滑块或凸轮机构的变形。采用交流电机变速箱外曲柄滑块或凸轮机构实现间歇切割。智能切割机是一种方便、简单的结构，高度自动化的砖瓦机械设备，主要由前端输送系统，切割系统和快速输送系统[5]。自动切割机先切成条状，然后快速运输钢坯，然后切成块。
（a）条纹切割机 （b）空白切割机
图3.自动切割系统作为流程图
切割机械控制核心选用新捷XC1-24R-C型PLC。 表1是输入和输出端口的分布。
表1自动切割系统I/O点分布
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- 机器人堆叠系统
机器人系统由两部分组成：自动分组和机器人堆叠砖。根据其具体的工艺过程可分为坯料，检验坯料，库存，分组，坯布，码垛坯料等。
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- 打开空白
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消隐机制可用于不同类型的砖。对于多孔砖和空心砖，钢坯孔的方向可能导致空砖变形。 为了避免空砖的变形，所以需要添加下料工序，来调整砖的空间位置。 固体砖上面不存在空白变形的问题，因此不需要转动坯体。图4显示了机器人辅助坯件生产线的穿孔轮。
图4 机器人设置多孔砖板转向轮
多孔砖穿过传动带，两块多孔砖从前侧传送带传送到转轮组并旋转90°。空心砖卷边机构是八角星形结构。 困难在于下料机构和前后传动皮带的转速一起。
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- 自动分组
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砖组的精度和重复精度是否直接影响空白机坯的成功或失败。 该集团的成功是整个砖生产线的关键。 该组的基本功能是结合多工位光电传感器将切割好的砖块切割成我们要安排矩阵的那种，以便后续码垛空白[6]。
图5 砖块自动分组
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- 机器人码垛空白
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建材砖生产的大规模生产和自动化需要先进的砖设备[7]。机器人辅助码垛毛坯机主要由机器人本体，伺服驱动系统，机器人手臂机构，执行器（手柄）的末端，机器人末端执行器调节机构和检测机构组成。码垛钢坯机器人模型选择NACHI MC470P-01。机器人卡盘的夹紧和松开是通过在机器人控制继电器控制的控制柜上增加一个外部电源和辅助继电器实现的。当砖块到达毛坯位置时，PLC发送机器人外部信号并启动外部再生模式。
图6 机器人系统终端接线图
图7 机器人设置和窑车运输砖的物理图
码垛钢坯机器
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