廢舊鋼桶翻新自動化生產線系統設計（4）-程序設計與監控實現

文/解俊強

第4章 程序設計與監控實現

控制系統底層即現場層以西門子PLC為實現油桶翻新生產線自動控制核心，PLC通過AS-I層的傳感器等輸入設備對現場數據進行采集與處理，按照設計的PLC程序發出邏輯指令給執行設備完成自動化控制；實現自動化控制的同時，底層PLC可以通過CP5613通信卡進行數據采集，向上位機傳遞設備的實時參數，Win CC進行變量設置和動作執行，同時Win CC也可以客戶端將數據傳送到局域網上的管理信息系統。

本章以油桶加溫模塊和油桶噴砂模塊的控制系統設計為實例進行設計分析。程序設計與監控實現都要以前面章節作為基礎來展開設計工作。工藝流程的分析與程序流程圖的設計作為編程PLC程序的邏輯，為程序設計構建了清晰地框架結構；合理的I/O點的分配幫助在設計程序過程中明確了控制對象，簡化控制內容。為實現系統的監控前面章節也做了充分的鋪墊分析，首先明確了實現系統監控所需要的軟硬件組成，然后給出系統監控的實現需要完成的設計內容，最后給出實現從系統軟件設計到實現監控的通信方法。

4.1 順序控制與功能順序圖

本章設計一號控制柜所控制的油桶加溫模塊和油桶噴砂模塊的程序。程序設計一般流程是先設計順序功能圖，根據順序功能圖完成程序梯形圖的設計。功能順序圖不涉及具體應用技術的內容，它是一種通用語言，它的作用不僅方便設計人員對控制對象的分析，幫助設計人員理清邏輯結構，也有助于不同設計部門或行業之間進行溝通交流。功能順序圖組成主要由三個要素組成：狀態、轉移條件和轉移方向。狀態指的是工藝流程中的某種工作狀態，狀態也叫“步”，要想讓狀態與狀態之間轉化，那就需要給狀態一個轉化的條件，這個條件也就是轉移條件，功能順序圖是一種有向流程圖，當給出轉移條件后不會在回歸上一個狀態的動作，這個狀態轉移的方向靠轉移方向引導，用有向線段表示。功能圖的繪制，先要對狀態和轉移條件進行符號分配，用一對一的符號進行表示來繪制順序功能圖。本章對加溫模塊和噴砂模塊進行程序設計，下面先分配加溫模塊的符號如表4-1所示：

表4-1 加溫模塊的符號分配表

加溫模塊功能順序圖如圖4-1所示。在此不再贅述具體工藝流程，依照順序功能圖只做簡要描述：按下啟動按鈕輸入I0.1啟動信號，狀態轉移到工步1，執行上桶架上桶動作；上桶極限位置信號輸入，狀態轉移到工步2，執行上桶架回位動作；上桶下限位信號輸入，狀態轉移到工步3，執行加溫電電動機啟動和點火器點火動作；時間繼電器計時信號輸入，時間計時結束，狀態轉移到工步4，執行加溫機翻桶動作，將油桶翻出到第二加溫工位；翻桶限位信號輸入，狀態轉移到工步5，執行加溫機翻桶架回位動作；完成工步5后會有個小的循環動作執行當有上桶下限位信號輸入時，會轉移到工步3，當有翻桶架回位信號輸入時轉移狀態到工步6，轉桶架1執行轉桶動作；轉桶限位信號輸入執行轉桶回位動作，狀態轉移到工步7；按下停止按鈕結束程序。

圖 4-1 加溫模塊功能順序圖

下面分配噴砂模塊的符號如表4-2所示：

表 4-2 噴砂模塊的符號分配表

噴砂模塊輸入輸出點數較多，但輸出控制上多為聯動，所以信號的采集必須正常、準確，因為生產線以剛性傳動結構較多，同時生產線的控制系統實際處于開發階段，系統設計還不成熟。因此即使現階段，程序仍處于調試階段。噴砂模塊功能順序圖如圖4-2所示，與加溫模塊方法相同，本文不作具體工藝流程贅述，以功能順序圖為基礎作簡要分析：按下啟動按鈕，進入工步1，轉桶架1、2轉桶；轉桶限位輸入，狀態轉移到工步2，機械手爪下降；手爪下降極限信號輸入，狀態轉移到工3；以此類推，當噴砂室上仰信號輸入后，五組噴砂機在程序設計是設計為計時啟動停止，后面梯形圖設計會介紹。狀態轉移到工步15后，當有轉桶信號輸入時進行下一周期的循環，或按下停止，停止程序運行。

圖 4-2 噴砂模塊功能順序圖

4.2 程序梯形圖設計

梯形圖設計應用的是編程軟件SIMATIC STEP7 MicWIN_V4SP3編寫。依照功能順序圖步和狀態轉移條件對功能圖符號資源進行分配，編制相應的程序梯形圖，程序結構采用模塊化設計方法，將控制任務分為多個線性任務塊，即主程序OB1調用子程序SBR0、SBR1等的結構。模塊化設計方法是將生產線工藝流程根據工序動作進行模塊劃分，噴砂模塊以噴砂機作為組成單元，其梯形圖為噴砂模塊控制子程序之一，下面給出噴砂機梯形圖設計作為設計實例。

噴砂機的工作原理是對經過熱處理的廢舊油桶桶壁進行噴砂打磨，去除桶壁表面的銹蝕以及廢料殘渣，實現油桶傳送、油桶轉動、輸送及回收鐵砂、噴砂打磨等動作。對廢舊油桶桶壁打磨主要依靠提砂機構、噴砂機構、噴砂室機構等三個機構來完成。提砂機構的功用是為噴砂機提供鐵砂；噴砂機構功能是把鐵砂高速噴出，對油桶壁進行打磨；噴砂室機構的功能是讓油桶在噴砂時進行旋轉，以確保油桶內壁打磨均勻。三個機構間通過連接配合設計，保證整體結構緊湊而動作完整穩定。通過對噴砂工序流程順序以及機構所實現動作進行分析，噴砂機要依次完成7步工序，步序流程如表4-3：

表4-3 噴砂機步序流程

按照七步工序控制，噴砂機程序流程圖如圖4-3所示。

圖 4-3 噴砂機程序流程圖

通過對工序流程的分析，噴砂機模塊的控制需要7個信號采集點、4個控制按鈕作為PLC的輸入點，區別前面章節的I/O點分配，對控制噴砂機的輸入輸出點重新分配，如表4-4所示：

表 4-4 噴砂機 I/O 點分配表

如圖4-4所示為部分自動噴砂程序，當檢測到噴砂室有桶信號后，倉門氣缸關閉、噴砂室揚起，啟動電機對油桶進行噴砂打磨，打磨完成后開倉出桶。

圖4-4 噴砂機部分自動噴砂程序

4.3 監控軟件設計 

信息監控系統可以分為底層 PLC數據采集層，中間層Win CC過程監控，上層信息管理三個部分。針對一號控制柜而言，作為中間過程監控層的Win CC工控機，要通過應用服務器的管理信息系統，采集并上傳油桶加溫時間、噴砂機噴砂時間等各種參數信息等。因此監控軟件的人機交互界面設計應該包括四個主要界面：登錄界面、主界面、控制界面和監控界面。觸摸屏人機界面如圖4-5所示。

圖4-5 觸摸屏人機界面

觸控屏上電后進入登錄界面如圖4-5（a）所示，登錄界面主要包括登錄系統窗口、以及用戶信息等內容；點擊右下角進入系統按鈕即可進入主界面，如圖4-6（b）所示，主界面主要顯示產品信息以及各主要界面進入窗口，主要用于各控制界面切換；進入控制界面如圖4-5（c）所示，選擇系統運行模型，控制系統運行狀態；進入監控界面可顯示當前各工位的工作狀態，如圖4-5（d）所示。一號控制柜人機界面設計如圖4-6所示，下圖設計的是加溫模塊和噴砂模塊的監控界面，1顯示噴砂室狀態，2顯示機械手狀態，3顯示轉桶架狀態，4顯示加溫機狀態，5顯示報警燈和急停按鈕，當達到指定工作位置時工位狀指示燈會顯示綠色，否則顯示為灰色，當處于非正常工作狀態是報警燈會閃爍并發出警報聲，需要按下急停按鈕后查看工作異常位置。

1.噴砂室狀態 2.機械手狀態 3.轉桶架狀態 4.加溫機狀態 5.報警燈和急停按鈕

圖4-6 一號控制柜人機界面設計

人機交互界面可以實時展現當前的油桶加溫和噴砂的工作狀態，包括設備當前運行情況、生產時實流程狀態和相關報警信息等。在出現故障和緊急報警的情況下，Win CC人機界面還能起到排除故障、處理報警的作用，在最大程度上確保了生產的順利進行。作為監控系統核心的中間層，Win CC不僅可以實現與現場層的控制和數據交換，還可以利用雙Win CC的冗余系統組態，來確保系統運行的穩定性。通過上層管理信息系統實的遠程網絡監控，將Win CC數據轉儲，可以為用戶提供更好的需求，以此來彌補Win CC系統在數據庫和可拓展性方面不足。

4.4 本章小結

本章設計了控制系統的控制軟件和監控軟件。首先設計了控制系統程序的功能順序圖，并以噴砂機為程序設計案例設計了梯形圖，然后為實現中間過程監控層的功能，設計了Win CC的人機監控界面以及組態的設計，通過觸控屏、PC與PLC之間的通信，完成組態在控制柜的控制系統中的實際應用。