西門(mén)子自動(dòng)化及RFID系列產(chǎn)品在精鑄自動(dòng)制殼線控制系統(tǒng)的應(yīng)用

馮春雨 白曉松 張鵬偉

（中航工程集成設(shè)備有限公司 北京）

Application of SIEMENS automation and RFID series products in Automatic Shell line

［摘要］ 本文介紹了西門(mén)子SIMATIC S7-300 PLC、WinCC V7.0、RF300系列RFID設(shè)備等產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的全自動(dòng)的精鑄制殼線項(xiàng)目中的應(yīng)用，包括自動(dòng)控制、RFID、計(jì)算機(jī)監(jiān)控等；結(jié)合自動(dòng)制殼設(shè)備、機(jī)械手技術(shù)、精確工裝定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)制殼線的自動(dòng)控制、產(chǎn)品批量生產(chǎn)RFID、工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，最終實(shí)現(xiàn)模殼自動(dòng)化制造。

［關(guān)鍵詞］ 精鑄制殼線、RFID、自動(dòng)控制、工藝數(shù)據(jù)跟蹤

［Abstract］ This paper introduces the application of SIEMENS SIMATIC S7-300 PLC and WinCC V7.0,RF300 series products in the automatic Casting Shell line which is the domestic independent research,including automatic control,RFID recognition,computer monitor,etc.,Combined with automatic shell making equipment,robot technology,precise tooling positioning technology to realize the automatic control of automatic shell making line,product batch production RFID identification,dynamic data collection process parameters,and finally realizes the shell mould manufacturing automation.

［Key Words］ the automatic Casting Shell line RFID recognition automatic control dynamic data collection process parameters

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.項(xiàng)目背景

隨著市場(chǎng)需求以及環(huán)保、智能制造等環(huán)境影響，武漢華培動(dòng)力科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱武漢華培動(dòng)力)作為全球領(lǐng)先的渦輪增壓器關(guān)鍵零部件供應(yīng)商之一，在生產(chǎn)上提高生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化、數(shù)字化水平勢(shì)在必行，作為精鑄工藝中的關(guān)鍵工序，自動(dòng)制殼線是武漢華培動(dòng)力在新精鑄車間建設(shè)中的必然選擇。武漢華培動(dòng)力經(jīng)過(guò)多次的技術(shù)交流以及調(diào)研，決定采用中航工程集成設(shè)備有限公司的全自動(dòng)制殼線方案，并由中航設(shè)備進(jìn)行制殼線的設(shè)計(jì)、制造以及安裝調(diào)試等，其中包括該線的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選型以及安裝調(diào)試等工作。圖1、圖2為制殼線現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖1 自動(dòng)制殼線現(xiàn)場(chǎng)1

圖2 自動(dòng)制殼線現(xiàn)場(chǎng)2

2.設(shè)備工藝

自動(dòng)制殼線是精鑄生產(chǎn)車間內(nèi)的關(guān)鍵工藝設(shè)備，主要由機(jī)械手、高負(fù)載夾持器、預(yù)濕桶、漿料桶、雙層淋砂機(jī)、懸鏈輸送裝置、掛載工裝（掛架）等組成。制殼線在運(yùn)行過(guò)程中，上料環(huán)節(jié)包括在裝載工位組合完成蠟件掛架，由人工將掛架旋轉(zhuǎn)并推送至裝載懸鏈工位進(jìn)行裝載，然后懸鏈輸送裝置步進(jìn)至裝載結(jié)束懸鏈停止，掛載工裝集成RFID芯片用于后面工藝過(guò)程的識(shí)別；加工過(guò)程中，機(jī)械手根據(jù)WinCC控制系統(tǒng)下發(fā)的加工指令，結(jié)合RFID讀寫(xiě)器讀取的芯片信息自動(dòng)抓取懸鏈輸送裝置中的蠟件并在預(yù)濕桶工位進(jìn)行蠟件預(yù)濕、在漿料桶工位進(jìn)行面層漿料桶沾漿、在淋砂機(jī)工位進(jìn)行面層淋砂，然后自動(dòng)放置到懸鏈輸送裝置，由懸鏈輸送裝置上的RFID讀寫(xiě)器進(jìn)行蠟件信息識(shí)別，并自動(dòng)反饋到WinCC控制系統(tǒng)中。加工過(guò)程中，自動(dòng)制殼線的正常運(yùn)行需要由S7-300等組成電氣控制系統(tǒng)、RF300系列的RFID信息追蹤系統(tǒng)、WinCC上位控制系統(tǒng)進(jìn)行集成控制，進(jìn)行工件上料、加工（預(yù)濕、沾漿、淋砂）、下料、暫存等過(guò)程的精確加工執(zhí)行以及信息追蹤。

二、控制系統(tǒng)組成及功能

電氣及自動(dòng)化系統(tǒng)用于控制精密鑄造制殼系統(tǒng)。系統(tǒng)參考IEC以及中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試。電氣及自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確保整個(gè)設(shè)備控制功能的完整性、可靠性、準(zhǔn)確性以及先進(jìn)性。系統(tǒng)給用戶預(yù)留與其他生產(chǎn)線連接的接口以及預(yù)留與車間管理系統(tǒng)連接的接口。

控制系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的S7-300 系列PLC 作為控制核心，通過(guò)PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線與機(jī)械手控制系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)等主從通信，協(xié)調(diào)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)動(dòng)作，采集物流跟蹤數(shù)據(jù)。S7-300 系列PLC配以各種功能模塊采集接近開(kāi)關(guān)、對(duì)射開(kāi)關(guān)等數(shù)據(jù)，并輸出控制變頻器、接觸器等按邏輯動(dòng)作。上位管理計(jì)算機(jī)與PLC CPU、空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)械手控制系統(tǒng)通過(guò)交換機(jī)構(gòu)建快速工業(yè)以太網(wǎng)。上位管理計(jì)算機(jī)通過(guò)組態(tài)和通信監(jiān)控傳輸線系統(tǒng)、機(jī)械手系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、物流跟蹤系統(tǒng)、裝載卸載系統(tǒng)等的工作。上位管理計(jì)算機(jī)組態(tài)采用西門(mén)子WinCC v7.0組態(tài)軟件。圖3為自動(dòng)制殼線的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖3 制殼線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.PLC系統(tǒng)

PLC作為整個(gè)制殼線的控制核心，CPU采用S7-315-2DP信號(hào)，通過(guò)CPU自帶的PROFIBUS_DP通信口與機(jī)械手進(jìn)行通信。PLC CPU作為主站，機(jī)械手配以通信卡作為子站，主站與子站間采用PZD數(shù)據(jù)格式傳輸數(shù)據(jù)。圖4為電氣控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的效果圖。

圖4 制殼線電氣控制實(shí)際場(chǎng)景

PLC控制系統(tǒng)涵蓋制殼線的全部控制以及信息傳遞，根據(jù)工位的功能、設(shè)備的布局以及電氣控制條件，該控制系統(tǒng)功能主要包括：傳輸線控制；機(jī)械手控制；空調(diào)系統(tǒng)控制；物流跟蹤管理；漿料、淋砂、風(fēng)干系統(tǒng)；安全聯(lián)鎖；聲光報(bào)警管理,如圖5所示。

圖5 PLC控制系統(tǒng)功能

（1）傳輸線控制

傳輸線主要由懸掛鏈輸送電動(dòng)機(jī)、激光傳感器、光電開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、磁性開(kāi)關(guān)及電磁閥等組成?？刂葡到y(tǒng)按照懸掛積放鏈循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的順序通過(guò)PLC控制各輸送電動(dòng)機(jī)、止擋器與頂升裝置的聯(lián)合的控制過(guò)程，準(zhǔn)確的使機(jī)械手進(jìn)行裝卸料的流程控制。圖6所示為PLC中傳輸線控制程序梯形圖。

（2）機(jī)械手控制（見(jiàn)圖7和圖8）

機(jī)械手控制系統(tǒng)作為PLC的子站進(jìn)行控制，方便系統(tǒng)的集成性。機(jī)械手控制系統(tǒng)配以工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)卡和PROFIBUS_DP總線子站卡，分別與上位管理計(jì)算機(jī)通信、控制核心S7-300主站通信。

（3）空調(diào)系統(tǒng)控制

空調(diào)采用獨(dú)立 P LC 控制子站并設(shè)置通信接口。該控制子站通過(guò)通信模塊與布置在室內(nèi)的QAA24溫濕度傳感器讀取溫濕度參數(shù)，并與制殼線的 PLC 控制系統(tǒng) （主站） 進(jìn)行實(shí)時(shí)通信以進(jìn)行溫濕度參數(shù)的傳輸。

圖6 PLC中傳輸線控制程序梯形圖

圖7 PLC控制系統(tǒng)機(jī)械手配置圖

該空調(diào)獨(dú)立PLC控制子站能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度的閉環(huán)控制，使干燥室維持設(shè)定的溫濕度。

（4）物流跟蹤管理

PLC控制系統(tǒng)通過(guò)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控與模殼管理系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)之間的協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)掛件在物流過(guò)程中的實(shí)時(shí)位置控制以及掛件加工工藝的下載與加載執(zhí)行。

（5）漿料、淋砂、風(fēng)干控制

漿料桶電動(dòng)機(jī)采用變頻控制，變頻器采用西門(mén)子Micromaster系列變頻器。漿料桶可自動(dòng)起動(dòng)和停止工作，且轉(zhuǎn)速可自動(dòng)或手動(dòng)設(shè)定。漿料桶液位采用激光傳感器檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手沾漿深度的自動(dòng)調(diào)整，并進(jìn)行高低液位的報(bào)警以通知操作員需要填充漿料。漿料桶桶蓋處設(shè)置接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)桶蓋沒(méi)有被完全打開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)禁止機(jī)械手沾漿工作。

風(fēng)干系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)采用分組變頻控制，變頻器采用西門(mén)子Micromaster系列變頻器，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可設(shè)定。

圖8 PLC控制系統(tǒng)機(jī)械手編程梯形圖

（6）安全聯(lián)鎖

安全聯(lián)鎖系統(tǒng)必須保證人員或機(jī)器不受傷害，利用接近開(kāi)關(guān)、光柵傳感器等電氣元件與機(jī)械手、PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下功能：

· 裝載站有物品時(shí)禁止卸料；

· 機(jī)械手未抓牢掛鉤前不能執(zhí)行移動(dòng)操作；

· 漿料桶蓋關(guān)閉時(shí)，機(jī)械手禁止進(jìn)行漿料操作；

· 當(dāng)安全門(mén)打開(kāi)時(shí)，機(jī)械手和傳輸線不得動(dòng)作；

· 在出現(xiàn)意外情況時(shí)方便操作員按下急停開(kāi)關(guān)，停止?jié){料桶、淋砂機(jī)、機(jī)械手及傳輸線的動(dòng)作。

（7）聲光報(bào)警管理

聲光報(bào)警管理主要根據(jù)自動(dòng)制殼線的各工位的功能及物流路線，分別在定位夾、提升門(mén)、下件工位，卸載工位以及懸掛鏈輸送線布置聲光報(bào)警元器件，由PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2.RFID系統(tǒng)

（1）RFID系統(tǒng)功能

自動(dòng)制殼線采用RFID系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模殼跟蹤功能（見(jiàn)圖9）。RFID系統(tǒng)采用PROFIBUS_DP通信接口，將識(shí)別后的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)，需要的時(shí)候模殼管理軟件從PLC系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)。模殼管理軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地為出現(xiàn)在上蠟點(diǎn)的工件選擇正確的配方。系統(tǒng)保存所有的制殼配方。每個(gè)工件號(hào)碼針對(duì)每層涂層有一個(gè)合適的沾漿配方，加上需要的最小的干燥時(shí)間。

圖9 RFID系統(tǒng)在自動(dòng)制殼線的應(yīng)用業(yè)務(wù)流程圖

（2）RFID系統(tǒng)組成

RFID系統(tǒng)分為控制器、讀寫(xiě)頭和載碼體。在裝卸載位置、干燥室的進(jìn)入懸掛鏈入口分別設(shè)置讀寫(xiě)頭，用來(lái)讀寫(xiě)經(jīng)過(guò)出入口的模殼的掛架編號(hào)。在每個(gè)掛架上設(shè)置載碼體。其硬件組成如表1所示。

表1 RFID系統(tǒng)硬件組成圖

西門(mén)子RF300系列的參數(shù)包括：

· 寫(xiě)/讀間距：最大至 0.2m；

· 頻率：13.56MHz；

· 標(biāo)準(zhǔn)：ISO 15693；

· 最大容量：64KB。

根據(jù)自動(dòng)制殼線的工藝設(shè)計(jì)以及節(jié)拍要求，需要選用具有快速采集周期、數(shù)據(jù)量滿足要求的RFID產(chǎn)品。根據(jù)產(chǎn)品選型調(diào)研以及研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，西門(mén)子的RF300系列是自動(dòng)制殼線的RFID系統(tǒng)的最好選擇，選型依據(jù)包括：

· RF300系統(tǒng)具有最快速的數(shù)據(jù)采集，縮短了周期時(shí)間，從而提高了生產(chǎn)效率；

· 通過(guò)通信模塊與 SIMATIC S7-300 連接的解決方案成本比較低；

· 讀取裝置和標(biāo)簽之間的高速數(shù)據(jù)傳輸（最大速度為 8000B/s）；

· 在對(duì)速度和數(shù)據(jù)量要求較高時(shí)可采用寫(xiě)入/讀取裝置與 SIMATIC、PROFIBUS、PROFINET 或 PC 及其他廠家的控制器相連的解決方案；

· 適用于機(jī)械制造中的軌跡跟蹤傳送設(shè)備、電動(dòng)懸掛傳送帶等工業(yè)場(chǎng)景。

根據(jù)自動(dòng)制殼線物流具有精準(zhǔn)定位、多工位識(shí)別、多工件隨意裝卡等柔性加工的特性，以及蠟殼工件識(shí)別信息的唯一性，以掛件工裝配合RFID作為唯一識(shí)別碼，分別在懸鏈輸送線的進(jìn)線工位和上下料的裝卡工位部署RF340R，布局圖如圖10所示。

（3）RFID系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

西門(mén)子RF300系列在自動(dòng)制殼線控制系統(tǒng)的集成應(yīng)用，主要利用西門(mén)子TIA Portal V11對(duì)其進(jìn)行配置操作。利用TIA 提供的PLC項(xiàng)目移植功能，結(jié)合STEP 7 的程序指令，在STEP 7編制RFID程序，通過(guò)項(xiàng)目移植的方法，在TIA實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID的操作。

圖10 RF300系列在自動(dòng)制殼線的部署位置示意圖

RFID系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的硬件環(huán)境包括：

· S7-300 CPU315；

· ASM456；

· RF340R；

· RF340T。

硬件設(shè)備連接原理圖如11所示。

圖11 西門(mén)子RFID系統(tǒng)示意圖

RFID系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的軟件環(huán)境包括：

· PC操作系統(tǒng)：Win7;

· TIA Portal;

· STEP 7。

在上述軟件環(huán)境下，通過(guò)項(xiàng)目移植、硬件組態(tài)及參數(shù)配置等步驟可實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)硬件的集成應(yīng)用。

3.計(jì)算機(jī)監(jiān)控與模殼管理系統(tǒng)

（1）監(jiān)控系統(tǒng)整體介紹

制殼線計(jì)算機(jī)軟件采用西門(mén)子組態(tài)軟件 WinCC V7.0進(jìn)行組態(tài)，并運(yùn)行于Win7操作系統(tǒng)下，具有模殼跟蹤功能和模殼管理功能。

TIA的RFID連接配置如圖12所示。

圖12 TIA 的RFID連接配置

WinCC V7.0所組態(tài)出的制殼線軟件界面色彩美觀、直觀易懂。至少包含：輸入工件號(hào)碼；存檔模殼歷史記錄；接近錯(cuò)誤屏幕；操作手動(dòng)功能；監(jiān)督和配合工藝過(guò)程；裝載/卸載工件等功能。對(duì)于每個(gè)模殼零件，均保存工藝過(guò)程文件。且對(duì)每個(gè)模殼的位置進(jìn)行跟蹤并作狀態(tài)報(bào)告。該系統(tǒng)提供工藝過(guò)程狀態(tài)圖形，并提醒超過(guò)極限的工藝條件。圖13為軟件控制系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖13 系統(tǒng)架構(gòu)圖

（2）監(jiān)控系統(tǒng)功能

計(jì)算機(jī)監(jiān)控與模殼管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控是系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)以曲線和數(shù)據(jù)等直觀的形式顯示給操作者并允許操作者執(zhí)行相關(guān)操作命令的交互界面。實(shí)時(shí)狀態(tài)界面下，操作員可以實(shí)時(shí)查看制殼的全部信息，包括：系統(tǒng)編號(hào)，當(dāng)前所處的層，預(yù)設(shè)干燥時(shí)間及實(shí)際干燥時(shí)間和溫濕度曲線等數(shù)據(jù)，以及漿液粘度（手工測(cè)量錄入）、漿液溫度等信息。對(duì)于溫濕度、風(fēng)速、漿液溫度等參數(shù)，采用曲線和數(shù)據(jù)等直觀的方式顯示。除系統(tǒng)總覽外，系統(tǒng)還包含：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、工藝配置、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)幫助、系統(tǒng)災(zāi)難恢復(fù)、用戶登錄相關(guān)輔助功能、系統(tǒng)退出等窗體，根據(jù)系統(tǒng)的配置不同可能某些功能不可用或受權(quán)限管理限制。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)信息包括：

· 鑄造工件號(hào)碼、工件描述、涂層的數(shù)目、每個(gè)涂層的機(jī)器人配方號(hào)碼、每個(gè)涂層的最短干燥時(shí)間等模殼信息；

· 每個(gè)模殼涂層開(kāi)始時(shí)的溫度、每個(gè)模殼涂層開(kāi)始時(shí)的時(shí)間、每個(gè)模殼涂層開(kāi)始時(shí)的日期、當(dāng)前溫度、當(dāng)前濕度等工藝過(guò)程信息。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)界面（見(jiàn)圖14和圖15）

圖14 制殼線系統(tǒng)總覽界面

三、項(xiàng)目運(yùn)行及應(yīng)用體會(huì)

中航設(shè)備作為自動(dòng)制殼線國(guó)內(nèi)的唯一供應(yīng)商，設(shè)備性能對(duì)標(biāo)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，目前同類自動(dòng)制殼線項(xiàng)目已在多個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)施，并在武漢華培動(dòng)力科技有限公司的精鑄車間項(xiàng)目中正常運(yùn)行，該自動(dòng)制殼線項(xiàng)目從方案、設(shè)計(jì)等多方面得到了客戶的認(rèn)可，在生產(chǎn)節(jié)拍、控制精度等方面都滿足或優(yōu)于客戶需求。

自動(dòng)制殼線項(xiàng)目的控制系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，PLC控制系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控與模殼管理系統(tǒng)的集成應(yīng)用是核心，也是難點(diǎn)所在。在控制系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，其主要難點(diǎn)包括：

1） 西門(mén)子PLC系統(tǒng)如何與KUKA/ABB機(jī)械手控制子站進(jìn)行集成以及指令交互；

2） 西門(mén)子PLC系統(tǒng)如何與RFID系統(tǒng)進(jìn)行通信設(shè)置以及讀寫(xiě)操作，如何實(shí)現(xiàn)懸鏈輸送裝置的精準(zhǔn)定位與RFID系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控與模殼管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息交互和精準(zhǔn)執(zhí)行；

圖15 制殼線實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

3） RFID系統(tǒng)中的RF340R讀寫(xiě)模塊的位置部署，選擇合理的位置去實(shí)現(xiàn)RF300T載體信息的快速識(shí)別與信息反饋；

4） RFID系統(tǒng)的通信調(diào)試，如何利用西門(mén)子一系列軟件、硬件產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)RF300系列的集成應(yīng)用；

5） 計(jì)算機(jī)監(jiān)控與模殼管理系統(tǒng)如何在WinCC軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)工藝信息的實(shí)時(shí)下載，主要體現(xiàn)在與RF300系列的識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息交互過(guò)程；

6） WinCC軟件平臺(tái)與SQL Server的集成應(yīng)用，如何配置WinCC實(shí)現(xiàn)工藝信息、過(guò)程信息在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)功能。

項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中，自動(dòng)制殼線設(shè)備的正常運(yùn)行是機(jī)械裝置與電氣控制系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的成功集成應(yīng)用的體現(xiàn)。其中，西門(mén)子的產(chǎn)品功能強(qiáng)大、選型多樣、性能穩(wěn)定、技術(shù)支持能力卓越，是項(xiàng)目順利實(shí)施的有力保障，縮短了實(shí)施周期，保證了工程質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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