6ES7318-3FL01-0AB0型号介绍

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引 言

　　近年来，随着轮胎行业的迅速发展，各轮胎企业纷纷要求以信息化为基础对传统生产线进行改造以提高综合效率和决策的可靠性，但又要避免过大的一次性投资给企业带来负担和风险，因此，在现有设备基础上对生产线进行网络信息化改造成为当务之急。炼胶是轮胎生产过程一个非常重要的环节，炼胶生产线的运行质量直接影响到轮胎的质量、成本以及效率，为了满足炼胶生产的高质量、低成本、高效率的要求，改善操作和监控环境，实现远程实时跟踪和工艺优化，提高密炼机生产管理水平，加大对炼胶生产线底层信息系统的网络化建设有着极其重要的意义。

1 问题及要求

图1 炼胶生产线流程

　　炼胶生产线一般包括上辅机（包括胶料、粉料和油料的称量及投送系统）、胶料混炼设备（密炼机）和下辅机（胶片挤出、冷却和称量系统）三大部分（如图1所示）。传统生产线这三部分的控制系统基本相互独立，控制也相对较简单，信息“孤岛”化严重，系统难以实现工艺优化调整、生产过程在线监控和故障在线诊断预警。同时，炼胶生产环境极为恶劣：环境温度较高、大功率设备较多、粉尘及噪音严重、每一个炼胶周期较短（一般2～5分钟），并且生产线上设备分布相对较分散。为了彻底改变这种局面，需要将三部分进行有机的整合，加强生产线子系统间的信息交换、进行智能化数据融合的研究是炼胶生产线改造的重点。

　　针对炼胶生产线的特点及传统系统存在问题，在构建底层信息交换网络的时候应具有如下特点：（1）在干扰与被交换数据并存的环境下保证信息交换的实时性和可靠性;（2）改造过程需要保留绝大部分现有旧设备，但不同厂家不同时期的电气设备，其通信能力和通信方式参差不齐;（3）系统具备故障自诊断和预警功能，保证交换数据的可靠性和物理系统的安全性;（4）为了在线跟踪胶料质量，对胶料质量进行在线预测;（5）为了提高系统的综合性能，需要加大子系统间的信息交换能力;（6）需要考虑系统未来的可扩充性，尤其是与管理层进行信息交换。

2 系统硬件架构

　　2.1 系统通信方式的确定

　　目前，工业生产中信息交换的基本技术主要有以通用串口为基础的串行通信（如RS-232C通信、RS-422/485通信）、现场总线通信以及工业以太网。工业以太网虽然具有很大魅力，但由于小信息传输费用比较高、支持设备还不多、时间确定性和可重复性还没有根本解决等原因[1]，因此目前在底层信息交换网络中以前两种为主。RS-422/485由于采用了平衡差分电路，可以实现多点通信，并且抗干扰能力强、通信距离远、通信速度较高，因此在工业数据通信中使用得比较多[2]。现场总线（FieldBus）技术是近20年来发展起来的一项工业IT基础技术，它是一种双向、串行、多节点的数字通信系统，以OSI参考模型为基础[3]，连接在总线上的智能设备共享信道，进行数据和信息交换。目前，现场总线几乎成了工业数据通信与控制网络的代名词[1]。Profibus现场总线是一个多种协议并存的现场总线技术，不同协议的数据在系统内透明传输[4]，是众多现场总线中能够真正实现制造业自动化、过程自动化、楼宇自动化、电力自动化的一个综合解决方案，支持的设备越来越多，具有很好的扩展能力。

　　在炼胶生产线基于网络化的控制系统改造中，我们选择了Profibus-DP作为底层控制网络的主体骨架，同时根据通信数据量、成本等多方面综合考虑，部分设备采用了基于RS-485的串行通信方式。

　　2.2 系统硬件架构

　　炼胶生产线需要处理信号主要包括：数字输入信号（如设备状态信号、手动控制信号等）、数字输出信号（如设备运行的开关控制信号等）、模拟输入信号（如密炼机胶料温度、系统液压压力、上顶栓压力、粉料重量、油料重量、胶料重量、电机转速、主电机功率等信号）、模拟输出信号（如上顶栓压力、电机转速等）。在生产现场一般需要的仪表有：多个重量显示仪表、多个温度显示仪表、压力显示仪表、功率显示仪表、电流表等。这些仪表多数具有一定的数字通信功能，所具有的通信方式如：RS-422/485、Profibus-DP等。

　　在炼胶生产线的底层控制系统设计上以Siemens S7-300为主要控制器，以工控计算机（IPC）作为监控站，并通过以太网与管理层相联。现场控制层以Profibus-DP为纽带连接现场主要智能仪表和智能设备，少部分设备由于通信功能的限制或基于改造成本等综合考虑采用RS-485串行通信，加强现场各工位人员对生产信息的直观了解和交互功能。主站PLC负责与上级监控级IPC进行信息交换，同时通过Profibus与其它智能设备（包括另外两台PLC）通信，各S7-300控制器具有相对独立性，分别处理相应子系统的数字信号和模拟信号。同时，由于炼胶过程的复杂性，目前还难以实现无人自动化，而生产线一般分布在四个楼层，为了提高效率，减少不必要的故障，现场增加两个LED显示屏（通过RS-485通信）、一个显示器（或触摸屏），以方便不同的现场人员对生产信息的了解和交互需要，并与IPC直接通信。具体如图2所示。

　
图2 炼胶生产线底层硬件架构

　　3 系统的软件架构

　　前面讨论了基于网络的底层网络系统架构，这是本文研究的基础，而系统的智能化实现是本文研究的又一主要任务，包括进行系统的故障诊断、主要质量指标的在线预测、友好的人机交互以及强大的数据库管理、工艺管理和与管理层接口等。为此，需要建立基于门尼粘度等反映混炼胶质量主要指标的预测模型以及故障诊断模型。软件系统的具体框架如图3所示。

图3 系统软件架构图

　　系统IPC中的整个应用软件系统自主开发，通过该软件系统实现IPC对生产线工艺配方的管理、对底层控制系统下达生产计划、在线监控、生产过程数据库的管理、数据分析、远程现场信息的显示与交互（对触摸屏）、工艺优化建模和生产质量的在线预测、在线事故诊断及预警、与管理层进行信息交换。IPC通过CP5611卡与PLC主站（Master）通过MPI接口进行通信。

　　整个IPC系统软件我们采用Delphi 7.0在bbbbbbs XP环境下开发，数据库采用SQL Server2000管理。

4 系统功能及特点

　　通过应用本系统对传统炼胶生产线进行改造，炼胶生产线控制系统的综合性能得到了提高：

　　（1）具有内容丰富的多点监控画面，并且能够进行远程交互（例如可以在中控室也可在现场进行生产计划的下达等）;

　　（2）加大了必要信息的采集，子系统间信息交换和协调能力得到了大大加强，提高整个系统的运作效率和安全可靠性，有效降低了系统由于信息“孤岛化”带来的生产风险;

　　（3）上辅机系统（即胶料、粉料和油料称量系统）实现了手动、自动称量，并且配方修改方便、灵活;

　　（4）混炼系统除具备手动和普通的自动控制外，能够进行以质量为中心的智能控制，通过建立的门尼粘度在线预测模型在对质量进行预测，进而对混炼过程进行控制;

　　（5）通过对通信网络、设备运行状态、过程控制状况以及主要工艺数据进行实时跟踪，达到对系统的故障诊断和预警;

　　（6）具备了与管理层进行信息交换的能力，走出了传统系统信息孤岛的局面;

　　（7）同时系统具有较强的数据库管理和工艺配方编辑能力。

  七头钥匙机是一种同时加工七把钥匙的设备。钥匙形状如图1所示，该钥匙有两面，每一面都有18个孔， 孔的排列如图2所示。这种类型的钥匙，孔的深度有三个规格，按照排列组合可产生出3亿把不同的钥匙，这使得钥匙重复率非常低。

图1

图2

一、         系统配置及控制方案

系统具体配置见表一：

表一

本系统用工控机通过MODBUS RTU协议分别跟Kinco PLC和台安变频器通讯，Kinco PLC则通过CAN总线控制Kinco伺服。该系统利用CAN总线的高通讯速率，从而可以快速地控制多台伺服的联动，达到了系统快速性的要求。系统控制方框图如图3所示：

图3

在本系统中，工控机主要起到设置变频器频率，钥匙编码的生成和传输，通过PLC设置伺服的速度，并显示各伺服的实时坐标；PLC主要是通过CAN控制伺服的动作，同时也通过I/O点控制变频器的启停。

二、         工艺流程与要求

1）工艺流程

图4

       工作流程解析：首先启动有两个按钮，一个是蓝色的，一个是绿色的。蓝色按钮是按同一个序号编码加工钥匙；绿色是按下一个序号编码加工钥匙。按了启动之后，Z轴开始回到工作零点（自定义的），到位后，X、Y轴也开始定位到个孔的位置，定位完成，旋转轴旋转设定的角度，完成后，Z轴开始钻孔，钻完一个孔后，X、Y轴继续定位，一直到钻完18个孔后，旋转轴将钥匙翻转180°，然后再重复之前打孔的流程，直到钥匙两面都打了18个孔，X、Y、Z轴回工作零点，旋转轴回到0°位置，钥匙加工完成。

       2)工艺要求

1.       工控机方面：能实时显示X、Y、Z的坐标，可以自由设定孔间距、孔排距、孔深级差、各轴的速度，能从外部导入编码文件，并从组态画面自由的选择某个编码传输到下位机。实现多用户操作，分三个等级，分别有不同的操作权限。

2.     定位功能：用户任意选定工作原点后，系统自动校正，以后运行时可以自动找原点；

3.     断电保护：上电后程序沿着断点继续向下运行；

4.     同时控制功能：能够同时控制所有16套伺服按照工艺流程运行；

5.     分别调整功能：每套伺服可分别单独手动校准；

6.       每分钟可生产七把钥匙，其中X、Y、Z方向精度为正负0.02mm，旋转方向±20º旋转范围内精度±0.05º，可重复加工同一把钥匙；

三、         实现方法

1．伺服系统： X、Y轴采用1.57KW的三相伺服（ED430-0157-AA和130D-0157-20AAA）；

Z轴采用7套两相伺服（ED200-AA和23S41-0650-803J7-AA）；

旋转轴采用7套400W的三相伺服（ED430-0040-AA和60S-0040-30AAA）；

2.工控机：工控机通过PLC设置各个伺服的速度，显示伺服的当前位置和伺服报警信息，手动控制伺服和变频器的启停。利用数据库链接功能，通过导入数据库文件，从而可以从画面上直接读取数据库里面的数据，并且根据PLC的信号来传输到PLC。

3.伺服的联动：本系统主要的动作就是要实现16个伺服的联动，而本方案采用了CAN总线，利用我们的智能型伺服不需要脉冲/方向控制的特点和它的总线功能，用PLC通过CAN通讯中的PDO报文来设置伺服的操作模式、控制字、速度、位置等参数，从而启动伺服的定位模式控制，同时也通过读取伺服的状态字来判断伺服是否定位到位，从而以该到位条件来互锁每个动作的执行，使得每个伺服能够很好的完成彼此之间的联动。

 4.本方案做出的效果完全达到了客户的要求，精度达到了正负0.01mm以内，并且速度达每分钟7把钥匙