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摘 要：文章以球墨铸铁管生产线中的喷锌机控制系统为背景，设计了一套基于PLC的自动控制系统。该系统由PLC控制器、上位监控调度站及通讯网络构成，可以完成对球墨铸铁管喷锌过程的自动控制、参数设定、远程监控和故障处理。文章介绍了该系统的硬件组成和软件构成，并介绍了基于TIA PORTAL的监控画面设计，通过现场实地调试及现场运行情况，证明了该系统设计的正确性及可靠性。
关键词：PLC;喷锌机;控制系统;球墨铸铁管
中图分类号：TK323 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）02-016-03
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.007
文章针对新兴铸管某球墨铸铁管生产线中的喷锌机，设计了一套基于PLC的智能喷锌控制系统。该系统可以完成对球墨铸铁管喷锌机设备的自动控制、任务下发、工艺过程监控、混流生产、配方参数监控和设定，以及报警提示和故障诊断等，是一个实用性强、自动化程度高的控制系统[1]。
1 球墨铸铁管喷锌机工艺流程
球墨铸铁管喷锌机工艺流程图如图1所示。
待喷锌的球墨铸铁管由前道工序生产完成后送来，同时MES系统将该支管子的任务清单发来，该任务单包含订单号、管径、管长等信息。缓存区域可以实现球墨铸铁管的短时间存贮，同时完成对来管的任务分解。球墨铸铁管由分管器送达对齐工位，在该工位会测量铸管的管径、管长信息。同时，上述信息会和MES下发信息进行对比：若信息一致，则按照MES信息进行自动生产;若不一致，需人工核对，并转入区域自动生产（按照测量的管径信息调用相应配方数据）。之后，喷锌机会按照该支球墨铸铁管的信息，自动调整高度、送丝速度、喷锌速度、球墨铸铁管托轮旋转速度等。球墨铸铁管经拨管器到达喷锌工位，在该工位会再次测量管径，以保证数据正确，防止损伤设备。
2 喷锌机控制系统总体方案
2.1 控制系统的构成
该控制系统采用上、下位机的主从结构。其中，下位机系统包括：喷锌机主PLC1+现场子站PLC2共1套（西门子1500系列），6套喷枪PLC3-PLC8（西门子1200系列），其作用是直接控制现场喷锌设备，完成现场数据的实时采集和分散控制、状态判断等。上位机系统包括：以组态软件为核心的操作员站HMI及6套喷枪HMI，远程工程师站及生产线MES系统。其具有状态显示、配方设定、故障记录、报警提示、数据存储、统计报表等功能。各套PLC及相应上位系统通过工业以太网进行通讯和数据交换，其系统构成如图2所示[2]。
2.2 主要过程控制
该系统完成的过程控制主要包括三部分：球墨铸铁管倒运控制、球墨铸铁管喷锌行走控制、喷枪启停送丝控制。各参与过程控制的主要设备如下：
球墨铸铁管倒运控制：包括驱动缓存轨道、分管油缸、球墨管对齐设备、拨管器、柔性接管装置和出管装置、液压站，由主PLC1+从PLC2控制。
球墨铸铁管喷锌行走控制：包括喷锌运管行走车、旋转托轮、喷枪升降装置、除尘设备等，由主PLC1+从PLC2控制。
喷枪启停送絲控制：包括电焊机、喷枪、送丝机构，由相应喷枪PLC联合PLC1+PLC2共同控制。
2.3 系统控制方式
该系统共包括三种控制方式：
全手动控制：一般适用于设备检修期间或调试期间。当选择手动模式时，将转换开关打到手动模式。此时，操作员/调试员/维修员可通过现场操作台进行设备的启停控制。
半自动控制：一般适用于部分传感器损坏或需测量喷锌厚度时。当选择半自动模式时，球墨铸铁管自动倒运功能失效，仅保留喷锌机的基本喷锌功能和相关故障诊断功能。
全自动控制：全自动控制分为以MES任务单为依托的全局自动控制和以现场检测元件为依托的区域自动控制。当现场检测元件检测到管径、管长参数与MES下发任务一致时，自动调用全局自动控制模式，PLC系统会根据分解的任务清单控制喷锌机的所有生产参数，自动启停设备、调节配方参数大小，并记录相关生产数据。当现场检测元件检测到管径、管长参数与MES下发任务不一致时，自动切换区域自动模式，该模式下，PLC系统会按照预先设定（只与管径有关）的配方参数进行生产，同时也会上传相应生产参数。
3 控制系统硬件组成
该系统的硬件主要包括中控室、PLC站及现场传感器三部分，具体内容下。
3.1 中控室
中控室由一台工程师站和MES系统组成，通过工业以太网与PLC相连，工程师站使用工控机，配置西门子软件TIA PORTAL。MES系统使用小型工作站，软件使用JAVA和SQL SERVER编程实现。
3.2 PLC站及操作台
PLC选用西门子公司的S7-1200及S7-1500系列，上述两种系列的PLC，硬件配置灵活、软件编程方便。主PLC的CPU选择CPU1515-2PN，配一块128MB存储卡，该款CPU集成了两个不同网段的Profinet总线接口。其中，X1端口与喷枪PLC、ET200MP以及现场检测元件通讯;X2端口接入工厂工业网，与中控室设备通讯。
根据工艺需求和控制要求，该系统共设置1个PLC柜和1个操作台，数字量输入SM521模块若干，输出SM522模块若干;模拟量输入SM531模块若干，输出SM532模块若干。现场操作台配西门子精致面板（12寸）一面。
喷锌喷枪各配置1面PLC柜，该PLC的CPU选择S7-1200系列产品，该系列CPU集成了Profinet总线接口，作为子站与主PLC连接。同时，配置西门精简面板KTP700一块。
3.3 现场检测元件 现场设备配置若干套编码器，用来测量喷枪调整设备高度、锌丝送丝速度、运管车行走速度，通讯方式均通过工业以太网进行通讯。现场设备模拟量信号均采用4—20mA电信号，模拟量信号经过软件算法滤波后变成工程量进行计算。
4 控制系统软件设计
4.1 PLC控制软件
PLC控制软件是利用TIA PORTAL V15.1在WINDOWS10平台下开发的，可以完成地址、站址的分配以及用户程序的设计开发。软件采用模块化编程结构，根据所控制设备的实际情况，将喷锌工艺流程分为若干个子流程，每个子流程对应一个工位的功能。将各个控制功能和各种站点间的通讯数据分别编写在不同的程序块中，主程序通过OB1块调用各个功能，程序流程图如图3所示。
4.2 上位机HMI组态软件
该系统操作台及喷枪控制柜HMI采用TIA PORTAL软件中的WINCC功能来完成对上位机的组态，对喷锌机设备运行状态、配方参数等进行设定或监控。
该部分设备主要实现功能：显示现场检测元件实时数据，包括球墨铸铁管管径、管长、运管车行走位置、喷枪实时高度、各电机旋转速度、电流、喷枪反馈电流、电压等数据;显示动态工艺流程图;进行工艺参数设置;报警提示和故障诊断;显示喷枪电流历史曲线;记录单次生产周期锌丝消耗量和历史消耗量。
整套监控系統设有多幅实时监控画面，包括工艺画面、报警画面、报表画面、曲线画面等。其中，工艺画面可显示整个喷锌机的基本状态和工艺流程，现场传感器的瞬时值能够在相应画面中显示[3]。
4.3 中控MES系统
喷锌机MES系统采用JAVA软件和SQL SERVER实现，主要功能包括前序工位的数据传递、任务单生成、任务下发、生产报表等。生产报表（锌丝消耗量记录）如图4所示。
5 结语
文章所述喷锌机自动控制系统以西门子PLC为控制核心，用HMI以TIA PORTAL组态软件实现组态，中控MES作为信息调度。整个系统结构简单、控制功能完善，安装调试方便，满足工厂自动化控制的需求。
参考文献
[1] 孙优贤，褚键.工业过程控制技术方法篇[M].北京：化学工业出版社，2006.
[2] 王青树等.先进控制技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2001.
[3] 王常力，廖道文.集散控制系统的设计与应用[M].北京：清华大学出版社，1993.
关键词：PLC;喷锌机;控制系统;球墨铸铁管
中图分类号：TK323 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）02-016-03
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.007
文章针对新兴铸管某球墨铸铁管生产线中的喷锌机，设计了一套基于PLC的智能喷锌控制系统。该系统可以完成对球墨铸铁管喷锌机设备的自动控制、任务下发、工艺过程监控、混流生产、配方参数监控和设定，以及报警提示和故障诊断等，是一个实用性强、自动化程度高的控制系统[1]。
1 球墨铸铁管喷锌机工艺流程
球墨铸铁管喷锌机工艺流程图如图1所示。
待喷锌的球墨铸铁管由前道工序生产完成后送来，同时MES系统将该支管子的任务清单发来，该任务单包含订单号、管径、管长等信息。缓存区域可以实现球墨铸铁管的短时间存贮，同时完成对来管的任务分解。球墨铸铁管由分管器送达对齐工位，在该工位会测量铸管的管径、管长信息。同时，上述信息会和MES下发信息进行对比：若信息一致，则按照MES信息进行自动生产;若不一致，需人工核对，并转入区域自动生产（按照测量的管径信息调用相应配方数据）。之后，喷锌机会按照该支球墨铸铁管的信息，自动调整高度、送丝速度、喷锌速度、球墨铸铁管托轮旋转速度等。球墨铸铁管经拨管器到达喷锌工位，在该工位会再次测量管径，以保证数据正确，防止损伤设备。
2 喷锌机控制系统总体方案
2.1 控制系统的构成
该控制系统采用上、下位机的主从结构。其中，下位机系统包括：喷锌机主PLC1+现场子站PLC2共1套（西门子1500系列），6套喷枪PLC3-PLC8（西门子1200系列），其作用是直接控制现场喷锌设备，完成现场数据的实时采集和分散控制、状态判断等。上位机系统包括：以组态软件为核心的操作员站HMI及6套喷枪HMI，远程工程师站及生产线MES系统。其具有状态显示、配方设定、故障记录、报警提示、数据存储、统计报表等功能。各套PLC及相应上位系统通过工业以太网进行通讯和数据交换，其系统构成如图2所示[2]。
2.2 主要过程控制
该系统完成的过程控制主要包括三部分：球墨铸铁管倒运控制、球墨铸铁管喷锌行走控制、喷枪启停送丝控制。各参与过程控制的主要设备如下：
球墨铸铁管倒运控制：包括驱动缓存轨道、分管油缸、球墨管对齐设备、拨管器、柔性接管装置和出管装置、液压站，由主PLC1+从PLC2控制。
球墨铸铁管喷锌行走控制：包括喷锌运管行走车、旋转托轮、喷枪升降装置、除尘设备等，由主PLC1+从PLC2控制。
喷枪启停送絲控制：包括电焊机、喷枪、送丝机构，由相应喷枪PLC联合PLC1+PLC2共同控制。
2.3 系统控制方式
该系统共包括三种控制方式：
全手动控制：一般适用于设备检修期间或调试期间。当选择手动模式时，将转换开关打到手动模式。此时，操作员/调试员/维修员可通过现场操作台进行设备的启停控制。
半自动控制：一般适用于部分传感器损坏或需测量喷锌厚度时。当选择半自动模式时，球墨铸铁管自动倒运功能失效，仅保留喷锌机的基本喷锌功能和相关故障诊断功能。
全自动控制：全自动控制分为以MES任务单为依托的全局自动控制和以现场检测元件为依托的区域自动控制。当现场检测元件检测到管径、管长参数与MES下发任务一致时，自动调用全局自动控制模式，PLC系统会根据分解的任务清单控制喷锌机的所有生产参数，自动启停设备、调节配方参数大小，并记录相关生产数据。当现场检测元件检测到管径、管长参数与MES下发任务不一致时，自动切换区域自动模式，该模式下，PLC系统会按照预先设定（只与管径有关）的配方参数进行生产，同时也会上传相应生产参数。
3 控制系统硬件组成
该系统的硬件主要包括中控室、PLC站及现场传感器三部分，具体内容下。
3.1 中控室
中控室由一台工程师站和MES系统组成，通过工业以太网与PLC相连，工程师站使用工控机，配置西门子软件TIA PORTAL。MES系统使用小型工作站，软件使用JAVA和SQL SERVER编程实现。
3.2 PLC站及操作台
PLC选用西门子公司的S7-1200及S7-1500系列，上述两种系列的PLC，硬件配置灵活、软件编程方便。主PLC的CPU选择CPU1515-2PN，配一块128MB存储卡，该款CPU集成了两个不同网段的Profinet总线接口。其中，X1端口与喷枪PLC、ET200MP以及现场检测元件通讯;X2端口接入工厂工业网，与中控室设备通讯。
根据工艺需求和控制要求，该系统共设置1个PLC柜和1个操作台，数字量输入SM521模块若干，输出SM522模块若干;模拟量输入SM531模块若干，输出SM532模块若干。现场操作台配西门子精致面板（12寸）一面。
喷锌喷枪各配置1面PLC柜，该PLC的CPU选择S7-1200系列产品，该系列CPU集成了Profinet总线接口，作为子站与主PLC连接。同时，配置西门精简面板KTP700一块。
3.3 现场检测元件 现场设备配置若干套编码器，用来测量喷枪调整设备高度、锌丝送丝速度、运管车行走速度，通讯方式均通过工业以太网进行通讯。现场设备模拟量信号均采用4—20mA电信号，模拟量信号经过软件算法滤波后变成工程量进行计算。
4 控制系统软件设计
4.1 PLC控制软件
PLC控制软件是利用TIA PORTAL V15.1在WINDOWS10平台下开发的，可以完成地址、站址的分配以及用户程序的设计开发。软件采用模块化编程结构，根据所控制设备的实际情况，将喷锌工艺流程分为若干个子流程，每个子流程对应一个工位的功能。将各个控制功能和各种站点间的通讯数据分别编写在不同的程序块中，主程序通过OB1块调用各个功能，程序流程图如图3所示。
4.2 上位机HMI组态软件
该系统操作台及喷枪控制柜HMI采用TIA PORTAL软件中的WINCC功能来完成对上位机的组态，对喷锌机设备运行状态、配方参数等进行设定或监控。
该部分设备主要实现功能：显示现场检测元件实时数据，包括球墨铸铁管管径、管长、运管车行走位置、喷枪实时高度、各电机旋转速度、电流、喷枪反馈电流、电压等数据;显示动态工艺流程图;进行工艺参数设置;报警提示和故障诊断;显示喷枪电流历史曲线;记录单次生产周期锌丝消耗量和历史消耗量。
整套监控系統设有多幅实时监控画面，包括工艺画面、报警画面、报表画面、曲线画面等。其中，工艺画面可显示整个喷锌机的基本状态和工艺流程，现场传感器的瞬时值能够在相应画面中显示[3]。
4.3 中控MES系统
喷锌机MES系统采用JAVA软件和SQL SERVER实现，主要功能包括前序工位的数据传递、任务单生成、任务下发、生产报表等。生产报表（锌丝消耗量记录）如图4所示。
5 结语
文章所述喷锌机自动控制系统以西门子PLC为控制核心，用HMI以TIA PORTAL组态软件实现组态，中控MES作为信息调度。整个系统结构简单、控制功能完善，安装调试方便，满足工厂自动化控制的需求。
参考文献
[1] 孙优贤，褚键.工业过程控制技术方法篇[M].北京：化学工业出版社，2006.
[2] 王青树等.先进控制技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2001.
[3] 王常力，廖道文.集散控制系统的设计与应用[M].北京：清华大学出版社，1993.