同朴超，张 澜，李 超，陈 强，刘 俊

（西部超导材料科技股份有限公司，陕西 西安 710018）

在目前钛合金生产配料过程中，作为主要基础原料的海绵钛一般采用圆柱形包装桶，生产过程中的海绵钛一般需分批经过挑选装桶后，使用人工手推搬运车或者使用吊车吊装转运到下游混料机处，并经人工手动上料至料仓。存在操作效率低下、人工参与度高、吊装转运过程有跌落可能等安全隐患。而且人工搬运劳动成本高，且效率极其低下。因此针对以上存在的问题，引入智能物流输送概念来解决[1]。

本文介绍了使用西门子S7-200SMART PLC 开发的海绵钛自动转运上料系统,实现了海绵钛料桶自动称重、缓存转运、自动上料等问题。

1 系统设计

1.1 工艺需求

系统由三部分组成，第一部分为与上游两条挑料机接驳的称重接料装置，第二部分为转运缓存装置，第三部分为自动上料装置。

具体工艺要求为：

（1）称重接料装置：具备将两条挑料机挑选结束的海绵钛，按预设定重量称重，到达重量停机、自动进出料桶；

（2）转运缓存装置：具备最低35 桶物料的缓存能力，并按最多5 桶一组区分；

（3）自动上料装置：可以按预设好的料仓位置，自动将缓存区的海绵钛料桶上料至现场对应的4 个料仓，并自动出空桶；

（4）报表统计：按每个料仓上料重量或每个海绵钛批次进行统计导出称重数据。

1.2 硬件设计

根据工艺要求，系统由称重、移载装置、环形转运装置、上料机等组成，整体系统由西门子S7-200SMART PLC 制，称重仪表使用基于RS-485的Modbus-Rtu 协议进行重量数据传输，DI/DO 及上料机变频器采用Profinet 总线进行传输，系统结构如图1 所示。

图1 系统结构图

1.2.1 称重接料

现场共两台可升降带有链条移载机的台秤，实际运行中需要判断台秤上料桶是否到位，为满足可靠性在秤台两侧安装了对射式光电开关，操作人员选择进桶操作后，移载装置上升，将空料桶输送至接料位，即遮挡光电开关并给PLC 输入信号，此时PLC开始完成去皮操作，完成后通过光电指示反馈给上游挑料机操作人员，允许挑料开始，当到达设定重量后，挑料机自动停机，移载装置上升完成料桶出料操作，至转运输送线。

1.2.2 转运缓存

考虑到现场实际布局空间的局限性，为最大利用空间，设计使用环形辊道输送转运装置，考虑到现场最多5 桶物料一组，将整个转运辊道划分为7 段，满足工艺不低于35 桶缓存的需求，每段采用独立的电机驱动，在每个接驳位置使用欧姆龙漫反射光电开关作为该段检测器件，由于每段距离较远，布线较为繁琐，使用基于Profinet 总线的分布式I/O 作为现场数字量的输入和输出接口。

1.2.3 自动上料

下游的OAS 混料机共有4 个料仓，考虑空间的充分利用，采用上料机移动而进出料位置固定的方式进行物料转运，根据现场实际，在3#料仓位置设定为进出料位置，设置链条移载装置，PLC 发出上料命令后，转运装置启动将两桶物料同时送到移载位置，移载机上升并旋转将物料送往上料机，上料机检测到物料后，移动至所选料仓，Profinet 总线上料机变频器开始高速提升到减速位后，降低速度将物料倒入对应料仓，为保证物料充分倒干净，通过PLC 程序控制设置为两次到料。

倒料完成后料筒下降，移栽机上升将空料桶转运至空桶存放区，上料机回位至3#位。考虑到上料机稳定性及上料效率，使用变频带抱闸电机，并使用多段速运行，起始提升使用高速、倒料使用低速，下降使用高速。

1.3 软件设计

软件平台采用MCGS TPC1162HI 开发，主要由用户窗口、设备窗口、实时数据库、运行策略等模块组成[2]。

1.3.1 HMI 画面组成图

HMI 画面组成情况如图2 所示。

图2 HMI 画面组成图

1.3.2 HMI 画面组态

该系统设计的重点是环形输送线仿真画面的设计，通过该画面实时监测系统的运行状态。据此，利用MCGS 的用户窗口模块，设计出主控画面、参数设置界面、手动操作界面、记录查询界面、报警界面。图3 为主控画面仿真环形输送线。

图3 主控画面

1.3.3 参数设置

根据工艺需求，需要设定每桶物料的净重及给下游OAS 混料机每个料仓加料数，兼顾考虑称重仪表的设置状态显示，设计参数设置界面如图4 所示。

图4 参数设置

1.3.4 记录查询

为了便于后续进行数据分析，需要将每个挑选铸锭的工艺数据进行保存，利用MCGS 本身的历史数据库保存能够采集到的现场数据，并设计相应的查询导出窗口如图5 所示。

图5 数据查询导出

通过脚本程序可以将查询数据导出到U 盘，其脚本程序如下：

另外，采用编写脚本程序方式可以实现复杂的报警功能和系统参数设置。

1.3.5 PLC 通讯连接

PLC 主要承担Modbus 设备的数据中转、Profinet总线的逻辑控制、与触摸屏数据交互等功能，其与触摸屏交互使用TCP/IP 模式，设置本机与PLC 的IP地址及通讯槽号即可，如图6 所示。

图6 触摸屏与PLC 通讯设置

西门子S7-200SMART PLC 其V2.5 版本的CPU 已支持Profinet 总线控制功能[3]，其在Profinet 通讯中有两个角色：IO 控制器（IO-Controller）和IO 设备（IO-Device）[4]，在该项目中作为IO 控制器使用。因此对于距离较远传感器或执行机构的输入输出可以部署远程I/O 从站作为IO 设备实现，数据传输只需一根网线即可，可节省大量布线。本次使用德国倍福的BK9103 Profinet 总线耦合器作为远程I/O 分站[5]，KL1408 和KL2408I/O 端子分别作为DI 和DO，利用STEP 7-MicroWIN SMART 软件中的Profinet 配置向导可快速的配置I/O 从站如下。

1.3.6 PLC 程序实现

图7 200SMART Profinet 配置向导

PLC 编程采用模块化结构，按功能分别编写相应的程序块，在主程序OB1 中进行调用，使程序结构更为清晰，维护方便如图所示，分报警汇总（SBR0）、启动/停止（SBR1）、上料称重（SBR2）、输送（SBR3）、卸料投料（SBR4）、参数设置（SBR7）、称重仪表（SBR8）等22 个程序功能块，如图8 所示。

图8 主程序OB1

2 经验教训

由于该系统涉及称重、转运、上下料等复杂功能，电器控制更是使用了变频器、Modbus 通讯、Profinet 通讯等子模块在调试中遇到了诸多问题，在此分享出来。

2.1 电磁干扰

变频器在工作时会对光电开关输入造成干扰，引发各种误动作，对此一方面在PLC 程序中对光电开关的输入进行滤波，一方面给变频器加装输入输出EMI 滤波装置减小干扰。

Modbus 通讯掉线，排查主要原因还是存在干扰，对此通过加装RS485 中继器进行隔离。

2.2 程序结构

起初为了方便在PLC 程序中未使用模块化编程思想，并使用了大量的M元件串联在一起，在调试中出现的BUG 极难发现，后续通过引入状态字VB 进行分类，分状态、分功能进行处理相关程序，每一个状态只做当前任务，使程序结构清晰明了，便于后续维护。

3 结束语

利用PLC 和MCGS 触摸屏设计的海绵钛自动转运上料系统实现了：①可完成海绵钛称重、输送、缓存、上料等操作的实时监控、自动运行等多项功能；②解决了以往海绵钛转运输送中存在的需要多人次管理、操作效率低、人工劳动强度大、存在安隐全患等问题；③经过实际统计，日常运转操作由原来的3人降为1 人，转运效率提升1 倍；④实现按工艺批号和料仓编号的称重的数据统计导出，实现了整个配料过程信息整合,满足后续的统计分析。

本系统经过连续两年运行表明，其系统设计合理、自动化程度较高、运行稳定，可推广至其他相关称重转运输送需求的行业，具有直接的经济效益。