◎王莉静

（三门峡职业技术学院 机电工程学院，河南三门峡472000）

随着计算机技术的发展和信息化的普及，自动化控制的智能制造时代已经到来，工业4.0 对铝工业生产加工领域带来了机遇和挑战。目前可编程控制器（通常称为PLC）是一种工业控制计算机，具有配置灵活、处理速度高、数据处理能力强、多功能模块化控制，性价比高等性能，能充分适应不同的工业生产实际，操作简单，可靠性高，是应用最广泛的控制装置之一。[1]

铝锭铸造机是用于通过大型混合炉及流槽将熔融电解铝液铸造成为规定重量熔用的普通铝锭设备。[2]由铸造机生产的铝锭出厂前要进行打标记录生产信息，传统铝锭打标是由人工操作，记录整垛铝锭的参数信息，包含铝锭生产厂家、铝锭重量等内容；工作效率低、工作环境差，且信息收集容易出错，铝锭的生产信息无法溯源。笔者设计的西门子PLC 控制铝锭打码系统则实现了自动化打码。

传统人工打标已经非常落后，部分铝锭生产企业采用进口设备打码，设备昂贵且维护费用较高，增加生产成本；同时，操作人员技术水平较低，产品无法适应工业产业升级进行低成本的更新；通信协议和数据传输与其他设备不匹配；这些问题都阻碍了进口设备的广泛推广。国内的打码系统较多，但是针对铝锭打码且应用QR 码技术的寥寥无几。本文设计的基于PLC 的气动马达打码系统具有打码速度快、脉冲频率高，精确定位精度高、参数设置灵活等特点，在工业过程控制中使用，可靠性高，便于监控和信息反馈。同时，借助于工业化信息技术和QR 码识别技术等先进的手段，可以完成打码数据信息的在线传输，实现信息技术与制造技术的深度融合与集成，为智能工厂的发展打下坚实的基础。

1 系统设计的总体方案概述

以记录整跺铝锭参数信息为目标，基于TCP/IP 协议的数据传输作为切入点，设计一套基于PLC 控制的气动马达打码系统，通过硬件连线和软件编程对打码系统进行控制。当整垛铝锭行走至打码工位，收到铝锭行走的速度信号、铝锭位置定位信号和方向信号。此刻自动打码系统准备启动，首先由PLC 给出信号，电磁阀接收到信号后，控制气缸伸出，气缸带动气动马达工作，[2]马达前端的气动钢针在约80 秒时间内，依据程序的指令进行准确定位移动和高频率脉冲伸缩，完成在线自动打码，并记录在铝锭成品上；同时结合现代化工业需求，将QR 码及识别技术应用在打码系统中，并将整垛铝锭信息记录准确。然后把数据传输至仓库管理中心，完成铝锭的在线信息存储和出库。通过打码信息的数据采集，仓库管理中心能及时对生产情况和出库数据进行控制。这样节约了人力成本，创新了打码技术和在线数据传输技术，也大大提高了铝锭生产质量和效率。

2 系统的硬件模块组成及特点

从生产实际出发来考虑，硬件模块结构由PLC、气缸、气动马达、气动打标装置（气动钢针）和控制柜组成。

2.1 PLC 的选型及特点

PLC 的选择直接影响打码系统的经济指标，所以应从机型的选择、容量的选择、I/0 模块的选择，电源模块的选择等几方面考虑。在本控制系统中，综合控制系统对PLC 的功能要求、使用的I/0 点数以及现场环境等因素，选择了西门子PLC S-200smart，西门子PLC S-200smart 适用于各行各业的小型自动化控制，其功能强大、可靠性高、指令丰富；操作便捷易于掌握、有较强的通讯能力和丰富的扩展模块，可以实现独立运行，或连成网络实现复杂控制。[1]西门子PLC 本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出频率最大为10KHz，能够满足气动马达打码的要求。

该打码系统网络结构由西门子PLC S7-200smart 主控，I/O 通信接口实现数据传输，HMI 触摸屏进行人机交互，PLC 程序控制组件完成打码功能，主要包括位移传感器、光电接近开关、气动马达、气缸、气动钢针和按钮、指示灯等。

选择型号为S7-200smart 本地站，本机集成24 输入/16 输出共40 个数字量I/O 点。可连接2个扩展模块，有RS485 通讯/编程口，具有PPI 通信协议、MPI 通信协议和自由方式通讯能力。端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。

2.2 气缸的选择

气缸是将气源的能量转化为机械能输出，影响气缸型号的参数主要有气缸缸径、气缸行程、气缸的安装形式和缓冲形式等。[2]为实现气动马达带动气动钢针按照固定频率进行运动，结合工厂生产实际，气缸移动距离约为50mm，气缸选择为单轴气缸，亚德客SC 系列标准气缸SC50x80—S，气缸由缸体和活塞杆组成，缸体两端分别由进气口和出气口。亚德客SC 系列产品免润滑，带有固定缓冲，气缸终端还带有可调缓冲，气缸换向时平稳无冲击，且耐高温，可以长时间工作。当压力气体从气缸一端进入缸体，就会迫使活塞运动，为了确定气缸内活塞是否达到对应的运动位置，则在气缸上安装2 个磁性传感器来检测不同的位置信息。当执行元件上的传感器给PLC 控制器发出信号，才能进行下一步动作。由于气动马达要实现脉冲伸缩，气缸的伸出时间必须保证，因此可以用PLC 定时方式控制气缸电磁阀的通电时间。

2.3 气动马达的选型

气动马达安装在气缸伸出轴的前端，气缸将压缩气体的压力能转化为机械能输出后，从而来控制产生旋转运动的气动执行元件马达。气动马达是把压缩空气的压力能转换成旋转的机械能的装置。气动马达上装的钢针是直接实现铝锭在线打码的物理载体，气动马达可以实现无级调速，能够瞬时换向，而且在正反向转换时，冲击很小；工作安全，不受振动、高温、电磁辐射的影响，有过载保护作用，具有较高的启动力矩，可以直接带载荷启动。启动、停止均迅速。考虑到气动打码钢针的打码位置准确与否和打码时间的长短等因素都会影响生产效率，所以选择气动马达进行高频率打码，是较好的实施方案。

气动马达的选取取决于四大因素：功率、扭矩、转速和耗气量。综合考虑生产实际，气动钢针需要在80S 内实现铝锭在线自动打码，因此，选择叶片式气动马达。同时，安装一个二位三通的电磁阀来控制马达的旋转方向，确保马达有压缩空气供给和残留空气排出。

3 系统的软件设计

3.1 软件设计方案

铝锭在线打码系统自动程序流程图

气动打码系统中的PLC 用于接收信号，并通过给电磁阀信号来发出执行命令。当前一工序完成在线计量称重并码垛后，运送至打码工位，检测装置检测到铝锭垛送至该位置，打码工位接收到信号，开始工作。首先，PLC 给出电磁阀动作信号，气缸开始工作[2-3]，气缸向铝锭垛一侧行走50mm，压紧装置下行，压住铝锭垛，此时铝锭静止不动、气动针头对准铝锭垛最高、最外层一侧，PLC 给出气动马达信号，气动钢针由气动马达带动开始高频率振动打码，PLC 自动切换至打码程序，约80S 左右将实时的数据信息打码在铝锭垛上。（包含单位名称、生产日期、生产班次、重量、铝锭纯度、QR 码等）打码完成后，信号返回PLC，数据传输至仓库管理中心，仓库管理中心接收到数据信息，完成打码（见上图）。打码工位接收到结束信号，PLC 发出执行信号，压紧装置抬起，气缸缩回到指定位置，开始下一次打码准备。[4]

3.2 I/0 地址分配表

在气动打码系统工作过程中，系统控制对象为：电磁阀、气缸伸出轴、气动马达、电磁换向阀、气动钢针。需要检测的参数为气缸伸出的极限位置、气动马达脉冲信号、气动马达的打码位置、打码信息的QR 码位置检测。

根据在线打码系统的控制要求，整个控制系统的输入点为6 点，输出点为4 点，I/0 地址分配如下表所示。

4 系统的应用实例

4.1 系统的测试与性能分析

铝锭打码系统安装完毕后，对PLC 控制程序的运行进行测试，射频识别设备灵敏、可以准确控制气缸和气动马达的动作、准确定位；打码钢针的动作精准，能够实现预期的打码效果，通过打码记录在铝锭上的产品信息尺寸约60×40mm，打印时间在预定的80S 内，精确度较高，打码系统的设备安装合理。

4.2 企业生产应用实例

通过对硬件安装测试和PLC 控制程序调试，实现了气缸和气动马达的准确定位；打码钢针的精准动作，在铝锭上记录了尺寸约60×40mm 的产品信息。

该气动在线打码系统已经在某铝锭制造企业得到实际应用，与上一工序码垛装置能很好地协调工作。经过试生产和实践，证明该装置适应能力强、体积小、安装方便灵活，质量标准符合铝锭行业生产需求。同时可在控制柜上模拟现实打码效果，可直接在屏幕上进行观察。工作适应性强，能够连续工作24 小时以上。打码系统能够提供造字程序、自动记忆打码数据及自动记忆设定的打码状态、流水号数等。同时，铝锭打码完成后，可将打码信息传输至仓储管理系统，便于追溯打码信息。该设备单套售价6 万—8 万；每月节省4 人工资，约2 万，每年可节省人力成本投入24 万。

4.3 打码系统的优点

降低工人的劳动强度，打码精度和稳定性增强，打码速度快，提高了作业有效时间，生产效率高，经济效益高；降低了人工打码的打印大锤、针头和印盒等耗材的使用；改善了打码现场作业的恶劣环境，不易引发安全事故，夏天高温生产不易出现中暑现象，避免了人工打码过程中，大锤（或锤头）飞出伤人；提升了打码质量，避免了错打、漏打和打码不清楚等情况，减少了因为人工打码错误产生的废品而给企业造成很大的损失；应用了QR 码及识别技术，与信息技术紧密结合，也实现了工业生产现代化，并加快和推进了智能工厂的建设；将物理系统与信息系统通过互联网和物联网协同交互，及时借助数据传输系统将采集的打码信息进行记录和传输。大大节省了人力和物力，充分体现了互联网的信息化、集约化优势[5-6]。

输入/输出端口分配表

5 结语

介绍了气动马达在铝锭在线自动打码系统中的实际应用，通过PLC 来控制气缸和气动马达，从而带动气动钢针高频率振动，实现现代化智能工厂的打码技术和在线传输技术，应用前景良好。该气动打码系统的设计和应用，可以解决小型铝锭加工行业打码的技术难题，提高了铝锭生产的质量和效率，又能节约人力成本和经济成本，加快了企业的发展速度，具有明显的社会效益。同时对其他铝加工行业自动打码系统的改进和提高具有十分积极的意义。该系统结构简单、操作方便，节约成本，经济效益较高，非常容易推广使用。