基于PLC和MES的挤出线生产规格自动跟踪系统的应用

2021-08-12王青峰孙建恩

橡塑技术与装备 2021年15期

王青峰，孙建恩

(三角轮胎股份有限公司，山东威海 264200)

挤出线主要用于满足全钢和半钢子午线轮胎胎面、胎侧、垫胶和胶芯等挤出及挤出后进行收缩、冷却、称重和定长等生产工艺需求，整条生产线主要由挤出机组、下游冷却辅线和接取或卷取装置三部分组成。以我公司一条全钢胎面挤出线为例，详细介绍该系统的设计思路，其结构示意如图1所示，主要工艺流程如图2所示。

图1 子午轮胎胎面挤出联动生产线结构示意

图2 子午轮胎胎面挤出联动生产线工艺流程图

1 系统设计

1.1 生产线现状

我公司早期投用的全钢胎面挤出线，由德国进口三复合挤出机组、国产下游冷却辅线和国产裁断胎面自动接取装置三大部分组成。生产线采用西门子S7-300和罗克韦尔 Contrologix Logix5000 进行控制，采用西门子MP277、组态王和易控分别做为挤出机组、下游冷却辅线和自动接取装置的HMI，进行配方的存储及调用和实时显示设备状态。

生产线共采用3套PLC控制系统，分别控制挤出机组，下游冷却辅线和自动接取装置，每套PLC控制系统为独立单元，可独立运行。3套独立的PLC系统之间未进行数据通讯，仅有简单的启停和安全急停信号互联，整条生产线的配方分三部分，分别存储在各自HMI中，需要切换新规格产品时，操作主手首先手动切换相应配方，由于生产线长度超过120 m，在生产线上的实际物料是不同的规格，再由人工根据新规格实际到达的位置逐步依次手动切换（如胎面达到裁断装置处需人工按切换规格），操作繁琐，生产效率较低，且存在配方切换不及时或错误的可能，存在较大的质量风险。

1.2 建设智慧工厂的需求

为满足智慧工厂要求，必须由软件自动跟踪新规格的运行位置，并依次自动切换相应装置的配方数据，并产生单个工装的生产实绩数据供MES读取和工装RFID绑定，便于自动送入立体库，无需人工干预。因此三个独立的部分应作为一条生产线，生产线工艺配方通过MES统一管控，生产的产出实绩和生产计划及配方严格对应。

1.3 具体实施方案的设计

根据现有生产线系统的特点和规格切换自动跟踪系统的要求，对原生产线软硬件设施进行评审，需在三套PLC系统分别添加一以太网模块作为与MES系统通讯的硬件接口，即可满足系统开发需求，决定基于原生产线控制系统进行开发。系统整体采用MES+西门子S7300+罗克韦尔 Contrologix Logix5000+HMI+以太网通讯的体系结构，如图3所示。

图3 配方切换自动跟踪系统组成

生产线配方由MES端创建并存储在MES服务器，操作人员通过MES客户端切换新规格时，系统将新规格切换标识置位，MES识别到切换标识后，通过以太网与MES-PLC接口进行通讯将配方数据传送到PLC配方缓存区，操作人员经HMI确认新配方数据，确认无误后下载到PLC配方执行区，此时激活生产线规格切换，并结合挤出机的状态、压力检测和辅线的运行状态，自动跟踪新规格的料头，随着生产线的启动，系统自动追踪新规格料头在生产线的位置，自动依次切换相关配方数据，切换完成后激活配方切换完成标识位。

MES系统可通过MES-PLC接口实时采集相关的设备、工艺和生产等相关数据，通过大数据手段对数据进行分析，降低生产过程的成本，提升管理水平和产品质量。

2 软件程序开发

系统软件程序的开发根据功能需求主要包括三大部分：一是PLC程序的设计，其中包括以太网模块的硬件组态、配方接口控制程序设计、速度位移脉冲程序设计、规格跟踪和配方切换程序设计；二是系统的控制运行；三是人机交互界面HMI的设计。

2.1 PLC程序设计

根据生产线PLC系统的硬件配置，配方自动跟踪系统PLC程序开发基于西门子315-2DP、AB 1756-L71、以太网通讯模块等装置开发。

西门子S7-300 PLC采用STEP7 V5.6进行组态和编程，罗克韦尔 Contrologix Logix5000 PLC采用RSLogix 5000 V20.03进行组态和编程，程序设计步骤如下：

（1）在原S7-300系统添加CP 343-1以太网通讯模块，原Contrologix Logix5000系统添加1756-EN2T以太网模块，对硬件组态程序进行编程并根据MES系统要求设置IP地址。

（2）硬件组态后设计控制程序。

（3）硬件组态和程序设计完成，编译保存通过编程电缆下载到PLC中。

（4）进行在线联机调试，最终达到设计要求。

无论是西门子还是罗克韦尔PLC系统，在硬件改变时必须对原系统的硬件组态或配置进行重新编程，硬件组态的作用是在PLC系统中生成一个与实际硬件完全一样的虚拟系统，系统设计之初，需将系统需要的CPU、输入、输出、变频器和触摸屏等各类配件的型号在编程软件中进行定义和配置。西门子和罗克韦尔因产品差异，硬件组态配置的方法不同，此文不详细描述，仅将本系统应用的部分硬件配置展示如下，如图4和图5所示。

图4 S7-300组态画面

胎面挤出线配方主要由挤出机温度、挤出机转速，冷却线接取速度、收缩比、各段速度调节辊位置及张力、冷却前宽度、冷却前米重、冷却后宽度、裁断长度和冷却后米重等构成，主要配方如表1所示。

原生产线配方分为三部分存储在各自HMI中，根据系统设计要求，需将三部分配方存储在MES服务器，MES系统端根据表1内容进行配方结构的设计，并根据工艺需求设计合理的存储空间来保存足够多的配方数；PLC系统端主要进行三部分程序的设计，一是分别在挤出机、下游冷却辅线和自动接取装置的PLC系统中根据表1内容设计单独的配方暂存区，用来存放MES端下载的配方；二是在挤出机PLC系统根据表1内容设计完整的配方暂存区，并在挤出机HMI开发完整配方数据展示画面和相关控制程序，用于操作主手查看配方数据和操作，检查没有问题后接收传送配方到各个配方暂存区；三是在下游冷却辅线和自动接取装置PLC系统设计配方切换控制程序，识别自动跟踪信号后自动将暂存区配方传送到配方执行区。

表1 胎面挤出线配方接口表

下游冷却线，由16段传送装置组成，每一段的速度由调节辊装置控制，由于橡胶制品的特殊性，前一段传送装置和后一段传送装置的速度是不同的。为保证规格切换接头跟踪的准确性，需设计一相同位移不同速度脉动信号Add-On指令，程序功能设计步骤如下：

（1）右键Add-On Instructions新建一个指令，命名为Tracing_Pusle;

（2）打开Tracing_Pusle指令的Parameters and Local Tags，根据功能要求，建立新的输入、输出和本地标签；

（3）打开Tracing_Pusle指令的Logic，进行程序设计；

（4）设计完成后，编译保存，并将指令下载到PLC中。

本程序中，由于原系统中实际的速度数据为整数，在本指令程序中需要对速度输入数据进行格式转换并需一100MS脉冲给信号，在不同的速度信号下，每200 mm位移生成一脉冲信号Pusle_200 mm程序如图6所示。

图6 速度位移脉冲程序

生产线规格切换开始，系统将规格切换标识位置位，生产线启动后，根据挤出机的压力、出口胎面温度和胎面检测等综合条件判断出新规格的胎面产出，程序识别5个速度位移脉冲也就是1 000 mm的胎面接头，将标识位复位，系统自动跟踪这5个脉冲在生产线的位置，程序功能设计步骤如下：

（1）打开Tasks,在MainProgram右键新建Rou tine命名为Recipe_Tracing;

（2）根据程序功能，建立新标签；

（3）打开Recipe_Tracing指令的Logic，进行程序设计；

（4）设计完成后，编译保存，并将指令下载到PLC中。

下游冷却线每段传送装置都需要调用Tracing_Pusle指令和BSL指令，以裁断装置配方跟踪和配方切换程序为例，如图7所示。

图7 裁断装置配方接头跟踪和配方切换程序

（1）当配方接头到达下坡传送带末端，Tracing_xp_BSL[0].9置位，将新配方单条裁断长度设定值传送到执行地址；

（2）速度位移脉冲指令，根据裁断传送带的实际速度产生200 mm位移脉冲信号Tracing_CD_Pusle；

（3）200 mm位移脉冲信号Tracing_CD_Pusle每置位一次，BSL指令将Tracing_CD_BSL数组内配方跟踪位左移一位，移动长度Length计算方式如下：

L—裁断传送带长度，mm

Tracing_CD_BSL数组大小根据计算得出的Length值合理设置。

2.2 系统控制运行

系统由本地和远程两种模式，为了防止MES端异常情况，确保生产线正常运行，系统保留原规格切换功能的设计，即本地模式，生产线规格的切换操作与原设计相同。远程模式下，生产线规格切换由系统自动完成，无需人员的干预，远程模式下规格切换详细流程如图8所示。

图8 规格切换流程

2.3 HMI设计

系统HMI基于原生产线的HMI进行升级，原HMI安装在主操作台，监控整个生产线的运行状态、实时显示运行数据和修改相关参数等。挤出机组HMI采用西门子MP277触摸屏，该触摸屏应用SIMATIC Wincc Flexble 2008 sp3软件进行画面程序的编写，可通过工业以太网、DP和MPI进行通讯。下游冷却辅线和自动接取设备HMI采用的基于工控机的组态王和易控上位机软件，采用kingview和INSEPEC软件进行画面程序编写，根据系统设计的要求，在相关HMI上开发了配方显示界面，生产线配方接头跟踪画面等程序，从而达到应有的效果。