西門子自動化及RFID系列產(chǎn)品在精鑄自動制殼線控制系統(tǒng)的應用

馮春雨 白曉松 張鵬偉

（中航工程集成設備有限公司 北京）

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

［摘要］ 本文介紹了西門子SIMATIC S7-300 PLC、WinCC V7.0、RF300系列RFID設備等產(chǎn)品在國內(nèi)自主研發(fā)的全自動的精鑄制殼線項目中的應用，包括自動控制、RFID、計算機監(jiān)控等；結(jié)合自動制殼設備、機械手技術、精確工裝定位技術實現(xiàn)了自動制殼線的自動控制、產(chǎn)品批量生產(chǎn)RFID、工藝參數(shù)動態(tài)數(shù)據(jù)采集，最終實現(xiàn)模殼自動化制造。

［關鍵詞］ 精鑄制殼線、RFID、自動控制、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、項目簡介

1.項目背景

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

圖1 自動制殼線現(xiàn)場1

圖2 自動制殼線現(xiàn)場2

2.設備工藝

自動制殼線是精鑄生產(chǎn)車間內(nèi)的關鍵工藝設備，主要由機械手、高負載夾持器、預濕桶、漿料桶、雙層淋砂機、懸鏈輸送裝置、掛載工裝（掛架）等組成。制殼線在運行過程中，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行裝載，然后懸鏈輸送裝置步進至裝載結(jié)束懸鏈停止，掛載工裝集成RFID芯片用于后面工藝過程的識別；加工過程中，機械手根據(jù)WinCC控制系統(tǒng)下發(fā)的加工指令，結(jié)合RFID讀寫器讀取的芯片信息自動抓取懸鏈輸送裝置中的蠟件并在預濕桶工位進行蠟件預濕、在漿料桶工位進行面層漿料桶沾漿、在淋砂機工位進行面層淋砂，然后自動放置到懸鏈輸送裝置，由懸鏈輸送裝置上的RFID讀寫器進行蠟件信息識別，并自動反饋到WinCC控制系統(tǒng)中。加工過程中，自動制殼線的正常運行需要由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)進行集成控制，進行工件上料、加工（預濕、沾漿、淋砂）、下料、暫存等過程的精確加工執(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以及中國國家標準進行設計、制造、安裝和調(diào)試。電氣及自動化系統(tǒng)的設計確保整個設備控制功能的完整性、可靠性、準確性以及先進性。系統(tǒng)給用戶預留與其他生產(chǎn)線連接的接口以及預留與車間管理系統(tǒng)連接的接口。

控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7-300 系列PLC 作為控制核心，通過PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線與機械手控制系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)等主從通信，協(xié)調(diào)機械手實現(xiàn)各種生產(chǎn)動作，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關、對射開關等數(shù)據(jù)，并輸出控制變頻器、接觸器等按邏輯動作。上位管理計算機與PLC CPU、空調(diào)系統(tǒng)、機械手控制系統(tǒng)通過交換機構(gòu)建快速工業(yè)以太網(wǎng)。上位管理計算機通過組態(tài)和通信監(jiān)控傳輸線系統(tǒng)、機械手系統(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。上位管理計算機組態(tài)采用西門子WinCC v7.0組態(tài)軟件。圖3為自動制殼線的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖。

圖3 制殼線網(wǎng)絡拓撲圖

1.PLC系統(tǒng)

PLC作為整個制殼線的控制核心，CPU采用S7-315-2DP信號，通過CPU自帶的PROFIBUS_DP通信口與機械手進行通信。PLC CPU作為主站，機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)場實際應用的效果圖。

圖4 制殼線電氣控制實際場景

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；機械手控制；空調(diào)系統(tǒng)控制；物流跟蹤管理；漿料、淋砂、風干系統(tǒng)；安全聯(lián)鎖；聲光報警管理,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機、激光傳感器、光電開關、接近開關、磁性開關及電磁閥等組成?？刂葡到y(tǒng)按照懸掛積放鏈循環(huán)運轉(zhuǎn)的順序通過PLC控制各輸送電動機、止擋器與頂升裝置的聯(lián)合的控制過程，準確的使機械手進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）機械手控制（見圖7和圖8）

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

（3）空調(diào)系統(tǒng)控制

空調(diào)采用獨立 P LC 控制子站并設置通信接口。該控制子站通過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） 進行實時通信以進行溫濕度參數(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)機械手配置圖

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

（4）物流跟蹤管理

PLC控制系統(tǒng)通過與計算機監(jiān)控與模殼管理系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)之間的協(xié)同管理，實現(xiàn)掛件在物流過程中的實時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、風干控制

漿料桶電動機采用變頻控制，變頻器采用西門子Micromaster系列變頻器。漿料桶可自動起動和停止工作，且轉(zhuǎn)速可自動或手動設定。漿料桶液位采用激光傳感器檢測，實現(xiàn)機械手沾漿深度的自動調(diào)整，并進行高低液位的報警以通知操作員需要填充漿料。漿料桶桶蓋處設置接近開關，當桶蓋沒有被完全打開時，系統(tǒng)禁止機械手沾漿工作。

風干系統(tǒng)的風機采用分組變頻控制，變頻器采用西門子Micromaster系列變頻器，風機轉(zhuǎn)速可設定。

圖8 PLC控制系統(tǒng)機械手編程梯形圖

（6）安全聯(lián)鎖

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

· 裝載站有物品時禁止卸料；

· 機械手未抓牢掛鉤前不能執(zhí)行移動操作；

· 漿料桶蓋關閉時，機械手禁止進行漿料操作；

· 當安全門打開時，機械手和傳輸線不得動作；

· 在出現(xiàn)意外情況時方便操作員按下急停開關，停止?jié){料桶、淋砂機、機械手及傳輸線的動作。

（7）聲光報警管理

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

2.RFID系統(tǒng)

（1）RFID系統(tǒng)功能

自動制殼線采用RFID系統(tǒng)實現(xiàn)模殼跟蹤功能（見圖9）。RFID系統(tǒng)采用PROFIBUS_DP通信接口，將識別后的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)，需要的時候模殼管理軟件從PLC系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)。模殼管理軟件系統(tǒng)會自動地為出現(xiàn)在上蠟點的工件選擇正確的配方。系統(tǒng)保存所有的制殼配方。每個工件號碼針對每層涂層有一個合適的沾漿配方，加上需要的最小的干燥時間。

圖9 RFID系統(tǒng)在自動制殼線的應用業(yè)務流程圖

（2）RFID系統(tǒng)組成

RFID系統(tǒng)分為控制器、讀寫頭和載碼體。在裝卸載位置、干燥室的進入懸掛鏈入口分別設置讀寫頭，用來讀寫經(jīng)過出入口的模殼的掛架編號。在每個掛架上設置載碼體。其硬件組成如表1所示。

表1 RFID系統(tǒng)硬件組成圖

西門子RF300系列的參數(shù)包括：

· 寫/讀間距：最大至 0.2m；

· 頻率：13.56MHz；

· 標準：ISO 15693；

· 最大容量：64KB。

根據(jù)自動制殼線的工藝設計以及節(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)，西門子的RF300系列是自動制殼線的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，縮短了周期時間，從而提高了生產(chǎn)效率；

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

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

· 在對速度和數(shù)據(jù)量要求較高時可采用寫入/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；

· 適用于機械制造中的軌跡跟蹤傳送設備、電動懸掛傳送帶等工業(yè)場景。

根據(jù)自動制殼線物流具有精準定位、多工位識別、多工件隨意裝卡等柔性加工的特性，以及蠟殼工件識別信息的唯一性，以掛件工裝配合RFID作為唯一識別碼，分別在懸鏈輸送線的進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)功能實現(xiàn)

西門子RF300系列在自動制殼線控制系統(tǒng)的集成應用，主要利用西門子TIA Portal V11對其進行配置操作。利用TIA 提供的PLC項目移植功能，結(jié)合STEP 7 的程序指令，在STEP 7編制RFID程序，通過項目移植的方法，在TIA實現(xiàn)對RFID的操作。

圖10 RF300系列在自動制殼線的部署位置示意圖

RFID系統(tǒng)功能實現(xiàn)的硬件環(huán)境包括：

· S7-300 CPU315；

· ASM456；

· RF340R；

· RF340T。

硬件設備連接原理圖如11所示。

圖11 西門子RFID系統(tǒng)示意圖

RFID系統(tǒng)功能實現(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，通過項目移植、硬件組態(tài)及參數(shù)配置等步驟可實現(xiàn)RFID系統(tǒng)硬件的集成應用。

3.計算機監(jiān)控與模殼管理系統(tǒng)

（1）監(jiān)控系統(tǒng)整體介紹

制殼線計算機軟件采用西門子組態(tài)軟件 WinCC V7.0進行組態(tài)，并運行于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：輸入工件號碼；存檔模殼歷史記錄；接近錯誤屏幕；操作手動功能；監(jiān)督和配合工藝過程；裝載/卸載工件等功能。對于每個模殼零件，均保存工藝過程文件。且對每個模殼的位置進行跟蹤并作狀態(tài)報告。該系統(tǒng)提供工藝過程狀態(tài)圖形，并提醒超過極限的工藝條件。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

計算機監(jiān)控與模殼管理系統(tǒng)的實時狀態(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)行相關操作命令的交互界面。實時狀態(tài)界面下，操作員可以實時查看制殼的全部信息，包括：系統(tǒng)編號，當前所處的層，預設干燥時間及實際干燥時間和溫濕度曲線等數(shù)據(jù)，以及漿液粘度（手工測量錄入）、漿液溫度等信息。對于溫濕度、風速、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：實時數(shù)據(jù)、工藝配置、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)幫助、系統(tǒng)災難恢復、用戶登錄相關輔助功能、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)庫采用SQL Server數(shù)據(jù)庫，存儲信息包括：

· 鑄造工件號碼、工件描述、涂層的數(shù)目、每個涂層的機器人配方號碼、每個涂層的最短干燥時間等模殼信息；

· 每個模殼涂層開始時的溫度、每個模殼涂層開始時的時間、每個模殼涂層開始時的日期、當前溫度、當前濕度等工藝過程信息。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)界面（見圖14和圖15）

圖14 制殼線系統(tǒng)總覽界面

三、項目運行及應用體會

中航設備作為自動制殼線國內(nèi)的唯一供應商，設備性能對標國際標準，目前同類自動制殼線項目已在多個項目現(xiàn)場成功實施，并在武漢華培動力科技有限公司的精鑄車間項目中正常運行，該自動制殼線項目從方案、設計等多方面得到了客戶的認可，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。

自動制殼線項目的控制系統(tǒng)調(diào)試過程中，PLC控制系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)、計算機監(jiān)控與模殼管理系統(tǒng)的集成應用是核心，也是難點所在。在控制系統(tǒng)調(diào)試過程中，其主要難點包括：

1） 西門子PLC系統(tǒng)如何與KUKA/ABB機械手控制子站進行集成以及指令交互；

2） 西門子PLC系統(tǒng)如何與RFID系統(tǒng)進行通信設置以及讀寫操作，如何實現(xiàn)懸鏈輸送裝置的精準定位與RFID系統(tǒng)、計算機監(jiān)控與模殼管理系統(tǒng)的實時信息交互和精準執(zhí)行；

圖15 制殼線實時監(jiān)控界面

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

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

5） 計算機監(jiān)控與模殼管理系統(tǒng)如何在WinCC軟件平臺實現(xiàn)工藝信息的實時下載，主要體現(xiàn)在與RF300系列的識別系統(tǒng)的實時信息交互過程；

6） WinCC軟件平臺與SQL Server的集成應用，如何配置WinCC實現(xiàn)工藝信息、過程信息在SQL Server數(shù)據(jù)庫的存儲功能。

項目進行過程中，自動制殼線設備的正常運行是機械裝置與電氣控制系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)和計算機監(jiān)控系統(tǒng)的成功集成應用的體現(xiàn)。其中，西門子的產(chǎn)品功能強大、選型多樣、性能穩(wěn)定、技術支持能力卓越，是項目順利實施的有力保障，縮短了實施周期，保證了工程質(zhì)量。

參考文獻

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