铸件抛丸清理装备的数字化、智能化和网络化设计与实现

王守仁，李　聪，翟永真，张　云，程慧慧，徐　超，邹　晶，刘玉东（.山东开泰抛丸机械股份有限公司，山东邹平567；.济南电子机械工程学校，山东济南500）



·铸造设备·

铸件抛丸清理装备的数字化、智能化和网络化设计与实现

王守仁1，李聪1，翟永真1，张云1，程慧慧1，徐超1，邹晶1，刘玉东2
（1.山东开泰抛丸机械股份有限公司，山东邹平256217；2.济南电子机械工程学校，山东济南250101）

摘要：本文采用智能化控制系统及伺服电机综合控制，通过简单的电气控制线路，利用PLC编程，人机界面控制及各种检测元件等，在智能元器件的采集、转换、比较、反馈作用下，实现铸件抛丸清理的数字化和智能化。另外，针对抛丸机使用中的维护，提出了基于以太网的抛丸机远程监控方案，详细介绍了该远程监控方案的实施过程，并通过对STEP 7 MicroWin和组态王软件进行设置，实现了组态王软件对抛丸机远程监控。

关键字：铸件；抛丸清理；装备；数字化；智能化；网络化可编程逻辑控制器；STEP 7 MicroWin；组态王

目前，铸件清理还没有引起企业及抛丸清理生产厂家的高度重视，主要靠人工操作，在工件的识别、抛丸器的转换等方面还没有实现数字化和智能化设计与控制，抛丸机工作室的除尘没有实现节能优化控制，在对不同种类铸件处理、等待安装工程空闲或差压变换中，没有实现优化处理，基本上让电机按一个速度运行，能量损失较大[1]。清理车间没有进行组网，各单元的工作状态不能达到前呼后应和统一管理的要求，生产效率很低。抛丸机电机的智能控制程度不高，多数没实现变频控制。鉴于以上现状，铸件抛丸清理的数字化和智能化设计成为未来关注重点，可通过智能脉冲除尘控制设计与实现、智能抛丸机控制器设计与选用、电机轴承温度检测模块设计、数据交换接口设计和抛丸机工件上下料光机电一体化控制技术等，实现铸件抛丸清理的数字化和智能化[2]。另外，铸件抛丸清理的网络化设计也需与智能化技术齐头并进，即用一台计算机进行清理车间的控制管理，通过视频、射频、各智能控制器进行组网，以实现控制上协调、同步、除尘的优化，达到提升自动化程度、提高工作效率、节约能量、延长设备寿命的目的。

1　铸件抛丸清理的数字化和智能化设计与实现

1.1设计思路与方案

将铸件尺寸和形状等几何参数进行三维坐标测量，将测得数据输入计算机形成数据库，以进行仿真模拟计算，其仿真原理图如图1所示。目的是确定抛丸机抛丸器的出口位置及弹丸覆盖范围、需用抛丸器数量和需要清理加工时间。采用视频获取工件的图像进行模式识别，确定工件种类，确定相应的模式加工形式。视频摄取图像是由红外发光管计数传感控制，即有工件经过时候进行摄像模式识别，没工件经过时摄像关闭。红外发光管还起到对工件分类计数的作用。

图1　智能化设计仿真原理图

抛丸机多个抛丸器全部采用变频控制模式，实现速度可控，且可缓启动。多个抛头动作状态信息由工业控制机通过RS485总线传输可编程序控制器（PLC）控制，PLC通过RS485总线控制相应的变频器。抛丸机的电机温度和点参数通过智能模块获取，PLC同时实现抛丸机电机和清理室的状态检测和控制。

吊钩电机的速度采用变频器控制，控制指令无线射频获取。研制具有接受功能及控制变频器的智能行车控制器，以提高工件上下料自动化程度。对抛丸室和清理室采用两个大功率除尘器，该控制器可以根据气体入口压差、气体出口压差及抛丸机工作状态和模式来给变频器输出信号，以进行优化节能控制，实现灰量实时测量和在线反吹，对一级沉降、二级旋风除尘和三级滤筒除尘系统实行过程控制，其控制模式如图2所示。

将铸件抛丸清理装备的上下料机构、弹丸循环系统、室体抛打系统和除尘系统分别用智能控制器控制其工作过程，设计多数据交换接口器（如图3所示）将所有控制器进行以太网链接构成，以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网（10 Mbit/s）、快速以太网（100 Mbit/s）和千兆（1 000 Mbit/s）以太网，采用的是CSMA/CD访问控制法，都符合IEEE802.3.

图2　除尘系统一体化智能控制原理

图3　多数据交换接口器

通过摄像头对这个车间进行监控，并将图像实时显示和传送到工业计算机中。进行组网，制造厂家可通过以太网调取和访问工业计算机的所有数据，并通过RGPS进入互联网，可根据权限通过手机登录、访问数字车间有关数据；同时，可根据权限通过手机下达有关指令。通过以太网调取工件数据库，进行仓库管理。清理室的自动控制，根据机械手情况进行相应控制，同时把工业状态传送到优化控制器中，实现节能运行。数字化智能化设计原理如图4所示。

1.2智能化技术实现解决的关键技术问题

进行计算机仿真软件的开发，模仿实际工件的抛打形式，满足大型工件的清理需求；采用铸件特征提取识别模式，制定不同尺寸和形状铸件的模式识别方案；采用自动调频无级调速进行吊装及驱动，使运行速度最低可达50 m/min；弹丸循环系统采用双提升机+双分离器的结构，设计弹丸自动定量控制模式，解决大宽度室体丸料不好循环分离的问题；而且在分离器上设置可视化定量控制溢流口，解决丸料分配不均的问题；采用DCS总线控制方式和Modbus通讯协议，对溢流式可控满幕帘多级风选分离器和专用聚脂线芯提升机传动带等丸料循环净化系统进行智能化控制，实现了丸料的分选与循环利用，除尘系统采用旋风除尘+脉冲反吹滤筒除尘控制系统，滤筒斜插安放，过滤孔径可选，透气性强，除尘率可达99.99%以上，使用寿命长，如图5所示；设计在线远程监控系统，实时获取现场数据，便于信息采集和进行远程故障诊断，减少了待机时间，提高了生产效率。采用接受信号控制变频电机控制模式，以ST单片机系列作为控制核心，设计射频接受距离1 000 m，对铸件输送进行智能化控制。

图4　数字化智能化设计原理

图5　滤筒组合及布袋除尘器模型

2　铸件抛丸清理的网络化设计与实现

针对抛丸机使用中容易出现故障，大多数故障通过修改抛丸机电控柜里的可编程逻辑控制器（简称PLC）程序即可排除，而制造商派技术人员去现场维修出现时间成本和人工成本过高的问题，提出了基于以太网的抛丸机远程监控方案[3]，详细介绍该远程监控方案的实施过程，并通过对STEP 7 MicroWin和组态王软件进行设置，实现了组态王软件对抛丸机远程监控；利用STEP 7 MicroWin对抛丸机程序远程监控，远程上传、下载。PLC不仅在工业环境下可靠性高[4]，而且与组态王然间一起易于通信，便于实现监控，以以太网这种目前最广泛的局域网技术，利用Ethernet+TCP/IP，使系统更具开放性、可靠性，同时也是系统低成本成为可能[5]。

2.1工作原理

铸件抛丸清理装备电控系统中的可编程逻辑控制器（PLC）控制整个设备的运行过程，因此PLC中的程序影响整个设备的工作情况。可编程逻辑控制器采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。为了实现对已出厂的抛丸机的快速维修和实时跟踪，提高抛丸机的使用效率，提出了基于以太网的抛丸机远程诊断和维护方案。以Q69系列辊道式抛丸机为例（图6a）），控制柜中PLC使用西门子6ES7 216-2BD23-0XB8，24输入，16输出。程序就存放在6ES7 216-2BD23-0XB8中，使用USB转9针插口下载线直接连接电脑和PLC，把程序下载到PLC中，点击程序状态监控按钮，可以实现对该抛丸机的监控。利用以太网实现对远距离的抛丸机进行监控。以太网技术作为一种功能强大的通信技术已经广泛应用于办公自动化和数字商务领域，正在向工业自动化、仪表自动化和楼宇自动化领域发展，这些领域对应成本的要求相当苛刻[6]，需要一种低成本的以太网解决方案，对于抛丸机这一行业，提出基于以太网的抛丸机远程监控方案，如图6b）所示。该系统主要由工程师站、操作员站、控制站和现场设备组成。各控制站之间通过以太网进行连接。组态软件安装在作为上位机的工程师站上，以实现系统的开发，控制站采用控制器S7-200系列PLC[7].PC机为控制器的上位机[8]。

通过以太网对抛丸机进行监控，监控的核心元件是抛丸机电控系统中的PLC.对抛丸机进行远程监控，监控端设备制造商和被监控端抛丸机使用者处在不同的以太网中，该监控方案的原理是通过通信设备把抛丸机所在的网络拉入抛丸机生产商所在的网络中，这样，就相当于把客户使用的抛丸机引入抛丸机生产商的以太网内网中，从而对抛丸机进行监控和维护。

图6　抛丸机实物及远程监控图

2.2监控方案介绍

该监控方案需要用到抛丸机，CP243i（remote）模块，路由器，RCD模块，带有STEP7 MicroWin软件的计算机，以太网络等，如图7a）所示，图中cp243i（remote）和RCD是8:1的关系，一个RCD模块可以对应8个cp243i，可以实现对8台抛丸机的监控。

监控端网络环境：监控端的以太网环境为一个具有固定IP的联通网络，（注固定IP地址为222.134.46.218）位于滨州山东开泰集团联通网下，如图7b）所示。在该网络上设置主路由器（设置如下：转发规则—>DMZ主机—>启用DMZ主机地址192.168.1.30），端口为102.硬件环境：一台安装有STEP7_MICROWIN V4.0 sp6的电脑，一块远程接入设备模块（RCD模块），一个路由器选用TP-LINK路由器。RCD模块接入24V电源，通过网线接到以222.134.46.218为固定IP地址的路由器上。对RCD模块的设置如下图所示：RCD远程接入设备IP:192. 168.1.30，端口号为00102，对应分支码为，

一个RCD模块可以监控8个设备，占用192. 168.1.30—192.168.1.37共8个IP地址。

图7　抛丸机远程监控实物连接图及监控端设置

硬件环境：一个路由器TP_LINK，一块西门子PLC选用6ES7 216-2BD23-0XB8，一个CP243i（remote）模块。将西门子PLC与CP243i用数据线连接，用网线把CP243i接入路由器上，将CP243i联入以太网中。在浏览器上输入网址192.168.1.222，进行设置，因为监控端具有固定IP地址，设置RCD接入设备1固定IP:222.134.46.218，端口号：102，分支对应码：16000.

2.3网络化实现

对抛丸机进行监控，一般会用到与PLC品牌对应的软件，这里根据选用的西门子PLC，选择STEP7-Microwin和组态王软件。

STEP7-Microwin监控：STEP7编程软件是对西门子PLC编程、监控和参数设置的必备软件。相应的设置：要首先在通讯—>set PG/PC interface—>TCP/IP（Auto）->Marvell Yuko 88E8057->属性，选择不要自动分配IP地址;然后在通讯－>IP地址中填入：远端固定IP地址为192.168.1.30，从上图可知，可以用STEP-7通过以太网找到远程距离的PLC.因为被监控端设置的分支对应码是16000，所以这里IP地址输入为192.168.1.30，如果被监控端设置的分支对应码是16010，则IP地址应该设为192.168.1.31，双击刷新，在右侧窗口找到被监控抛丸机，点击该设备同时打开该抛丸机设备对应的程序，点击程序状态监控按钮，可以看到监控状态如图8b）所示。

黑色方块表示接通，由图可知，除尘电机和提升电机已经启动，抛丸电机没有启动。这样实现了对PLC的远程监控，对抛丸机的远程监控，对抛丸机的工作状态进行监控，从而实现抛丸机的远程诊断，修改程序，实现新程序的远程上载，下载等。

组态王监控：组态王软件是一种新型的工业自动控制系统进行开发监控系统的软件。具有通用性，只需要在开发时针对不同的PLC选择不同的参数即可。要实现组态王与PLC通过以太网的方式通讯，需要在组态王软件中安装PLC的tcp/ip驱动程序[9]。打开组态王开发软件，选择设备→COM1；选择PLC——西门子——S7-200（TCP）——TCP;单击“下一步”，输入要安装的设备的逻辑名称Q4000辊道抛丸机；再单击“下一步”，输入设备的IP地址及相对于PLC CPU226的位置（槽号）。TCP/IP协议通常采用应用层、传输层、网络层和链路层4层简化模型描述。应用层传输来自以太网和数据终端的数据，并对数据包做打包拆包处理，传输层仅使用传输控制协议TCP，网络层实现IP协议以及报告数据传输差错等情况的协议，链路层部分则有网络控制芯片完成[10]。IP地址为192.168.1.30：0；再单击“下一步”，保持默认值，直接单击“下一步”。进入组态王监控软件，工件输送系统2页面，对工件输送系统2的运行情况进行监控，如图9所示，可以看到组态王监控图比程序监控图更直观，监控到除尘电机，提升电机，分离电机，横螺电机，纵螺电机收丸电机，吹丸电机，辊道电机等辅机正常运行，抛丸机1，抛丸机2，抛丸机3正常运行，抛丸阀1-3在正常抛丸，抛丸机4，抛丸机5，抛丸阀4，抛丸阀5都停止。排除故障时，重点检查抛丸机4.

图8　远程抛丸机通信图及程序监控图

图9　组态王监控图

3　结论

可编程逻辑控制器（PLC）主要广泛应用于工业环境的现代化数字操作的电子装置中，PLC技术主要采用编制程序的存储器，从而进行顺序运算、定时计算以及执行逻辑运算、算数运算等一些指令。通过互联网，将已经出售的抛丸机设备拉入局域网内，对该抛丸机设备进行远程监控和诊断，通过程序的运行情况找出设备的故障所在，可以修改程序，将新程序远程下载到抛丸机设备中，这样当已售抛丸机出现问题时，可以远程诊断，维修，提高了解决问题的效率，节省出差时间，人力和费用成本，高效解决问题，增加了设备的使用时间，从而实现铸件抛丸清理的信息化。

参考文献：

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中图分类号：TG234.4

文献标识码：A

文章编号：1674-6694（2016）01-0001-05

doi：10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.01.001

收稿日期：2015-09-08

作者简介：王守仁（1966-），男，山东寿光人，博士，教授，主要从事铸造设备自动化研究工作。

Design and Realization of Digitization，Intelligentizing and Networking for Casting Shot Blasting Cleaning

WANG Shou-ren1，LI Cong1，ZHAI Yong-zhen1，ZHANG Yun1，CHENG Hui-hui1，XU Chao1，ZOU Jing1，LIU Yu-dong2
（1.Shandong Kaitai Shot-blasting Machinery CO.，LTD.，Zouping Shandong 256217，China；
2.School of Electrical Mechanical Engineering，Jinan Shandong 250101，China）

Abstract:This paper adopted intelligent control system and comprehensive control of servo motor to realize the digitization and intelligentizing of casting shot blosting cleaning through electric control circuit，using PLC programming，human computer interface control and various detecting element，based on the application of collection，conversion，comparison and feedback.It also put forward the remote control program aiming at the maintaining of shot blasting in use and introduced in detail the program implementation process．The STEP 7 MicroWin and Kingview softwar were set up to realize its remote control.

Key words:casting，shot blasting，equipment，digitization，intelligentizing，networking PLC，STEP 7 Ethernet，Kingview software