陸毅華（北京師范大學(xué)珠海分校，廣東珠海519087）

基于W INCC V7.0和S7-1500的鋸切成套設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陸毅華
（北京師范大學(xué)珠海分校，廣東珠海519087）

傳統(tǒng)鋁鑄造行業(yè)需要通過(guò)提高設(shè)備的自動(dòng)化水平，以提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。鋸切成套設(shè)備是一套鋁棒鋸切的全自動(dòng)化設(shè)備，能有效提高鋁棒鋸切的效率。主要介紹了基于WINCCV7.0和S7-1500的鋸切成套設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)。以該控制系統(tǒng)為核心的鋸切成套控制系統(tǒng)在鋁鑄造企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。

WINCCV7.0；S7-1500；鋸切成套設(shè)備；OPC通信

0　前言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人力成本不斷上漲，中國(guó)制造的人口紅利逐漸消失，制造企業(yè)急需通過(guò)生產(chǎn)自動(dòng)化來(lái)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率以提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。傳統(tǒng)的鋁鑄造行業(yè)也面臨同樣的挑戰(zhàn)。

鋁鑄造行業(yè)中的鋁棒，是鋁型材擠壓成型的原材料，需經(jīng)歷熔煉、鑄造兩個(gè)環(huán)節(jié)。由于深井鑄造系統(tǒng)工藝的局限，鑄造出來(lái)的鋁棒（6～8m長(zhǎng)），其頭部和尾部的形態(tài)及品質(zhì)達(dá)不到要求，需要進(jìn)行切除；另外，一般鑄造出來(lái)鋁棒的長(zhǎng)度是固定的，但是不同的鋁型材擠壓設(shè)備，對(duì)鋁棒長(zhǎng)度要求不同。因此，在鋁棒鑄造完成后，會(huì)有鋸切的工序，把鋁棒的頭、尾切除并把鋁棒鋸切成客戶(hù)需求的長(zhǎng)度。

傳統(tǒng)的鋁棒鋸切設(shè)備自動(dòng)化水平不高，造成勞動(dòng)生產(chǎn)率低下。鋸切成套設(shè)備是一套全自動(dòng)的鋁棒鋸切設(shè)備，能高效地完成鋁棒鋸切工序的任務(wù)，提高生產(chǎn)率。而對(duì)設(shè)備運(yùn)行效率影響最大的是其控制系統(tǒng)。

本文著重介紹基于WINCCV7.0和S7-1500的鋸切成套設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)。

1　鋸切成套設(shè)備的組成

鋸切成套設(shè)備的組成如圖1所示，主要由四個(gè)部分組成：鋁棒自動(dòng)上料、鋁棒自動(dòng)鋸切、鋁棒自動(dòng)出料及堆垛和控制系統(tǒng)。

（1）鋁棒自動(dòng)上料

鋁棒上料系統(tǒng)主要由儲(chǔ)料臺(tái)，上料輥道以及上料搬運(yùn)小車(chē)組成。鑄造完成待鋸切的鋁棒被放置在儲(chǔ)料臺(tái)上，儲(chǔ)料臺(tái)負(fù)責(zé)把鋁棒輸送到上料位，上料搬運(yùn)小車(chē)把上料位的鋁棒搬運(yùn)到上料輥道上，上料輥道為鋁棒自動(dòng)鋸切系統(tǒng)連續(xù)輸送鋁棒。

圖1　鋸切成套設(shè)備的組成

通過(guò)儲(chǔ)料臺(tái)、上料輥道和上料搬運(yùn)小車(chē)三者的配合，使得鋁棒自動(dòng)上料系統(tǒng)能自動(dòng)、高效地完成鋁棒自動(dòng)上料的任務(wù)。

（2）鋁棒自動(dòng)鋸切

鋁棒自動(dòng)鋸切系統(tǒng)主要由入料輥道、鋸切主機(jī)、定尺和出料輥道組成。入料輥道把自動(dòng)上料輸送來(lái)的鋁棒往鋸切主機(jī)輸送，鋸切主機(jī)對(duì)鋁棒進(jìn)行鋸切，定尺機(jī)構(gòu)為鋁棒提供長(zhǎng)度基準(zhǔn)，出料輥道把鋸切完成的鋁棒輸送到出料部分。

鋁棒自動(dòng)鋸切系統(tǒng)主要完成鋁棒的鋸切工作。自動(dòng)鋸切系統(tǒng)的工作可分為兩大類(lèi)：長(zhǎng)棒鋸切和短棒鋸切，長(zhǎng)棒、短棒鋸切的流程分別如圖2、圖3所示。以長(zhǎng)棒鋸切為例來(lái)說(shuō)明自動(dòng)鋸切系統(tǒng)的工作過(guò)程：鋁棒通過(guò)入料輥道被送到鋸切主機(jī)進(jìn)行切料頭動(dòng)作，并通過(guò)定尺機(jī)構(gòu)根據(jù)長(zhǎng)度要求確定切料尾的位置，然后鋸切主機(jī)進(jìn)行切料尾動(dòng)作，切完料尾后，鋁棒被出料輥道輸送到出料部分，完成一根長(zhǎng)鋁棒的鋸切過(guò)程。

圖2　長(zhǎng)棒鋸切流程

圖3　短棒鋸切流程

（3）鋁棒自動(dòng)出料及堆垛

鋁棒自動(dòng)出料及堆垛系統(tǒng)主要由輸送輥道、出料搬運(yùn)小車(chē)、堆垛機(jī)械手組成。輸送輥道負(fù)責(zé)把鋸切完成的棒料輸送到出料搬運(yùn)小車(chē)（長(zhǎng)棒）或堆垛機(jī)械手（短棒）可以搬運(yùn)的位置；出料搬運(yùn)小車(chē)負(fù)責(zé)把輸送到位的長(zhǎng)鋁棒搬運(yùn)到出料儲(chǔ)料臺(tái)上；堆垛機(jī)械手負(fù)責(zé)把輸送到位的短鋁棒堆疊到短棒料框上。

下面以長(zhǎng)棒為例說(shuō)明鋁棒自動(dòng)出料的過(guò)程：輸送輥道把鋸切完成的鋁棒輸送到出料搬運(yùn)小車(chē)可以搬運(yùn)的位置，然后出料小車(chē)從輸送輥道位置把鋁棒有序地運(yùn)送到出料儲(chǔ)料臺(tái)上，以便運(yùn)走打包。

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能在下節(jié)重點(diǎn)敘述。由上述四個(gè)子系統(tǒng)組成的鋸切成套設(shè)備能勝任鋁棒鋸切工序的所有工作，而且自動(dòng)化程度好，效率高。

2　控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)是鋸切成套設(shè)備的核心，關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的自動(dòng)化程度及生產(chǎn)效率?？刂葡到y(tǒng)的功能有兩個(gè)：一、負(fù)責(zé)鋁棒自動(dòng)上料、鋁棒自動(dòng)鋸切和鋁棒自動(dòng)出料及堆垛三個(gè)子系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備的控制，把實(shí)現(xiàn)此功能的系統(tǒng)稱(chēng)為下位機(jī)；二、負(fù)責(zé)為操作人員、企業(yè)管理系統(tǒng)等外部實(shí)體提供操作及數(shù)據(jù)管理接口，把實(shí)現(xiàn)此功能的系統(tǒng)稱(chēng)為上位機(jī)。

鋸切成套設(shè)備以開(kāi)關(guān)動(dòng)作為主，而各個(gè)子系統(tǒng)之間主要是邏輯關(guān)系。所以控制系統(tǒng)的下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)、邏輯控制功能。可編程邏輯控制器（PLC）擅長(zhǎng)邏輯、開(kāi)關(guān)控制，且具有抗干擾能力良好、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、維修方便等特點(diǎn)，適合作為鋸切成套設(shè)備的下位機(jī)控制器。

上位機(jī)需要給操作人員提供系統(tǒng)參數(shù)輸入、登錄管理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能，需要對(duì)整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控及相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，并在設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行有效的報(bào)警。為了使設(shè)備易于操作和監(jiān)控，需要把相關(guān)的運(yùn)行情況及數(shù)據(jù)通過(guò)動(dòng)畫(huà)和圖表的形式進(jìn)行可視化。此外，上位機(jī)需要較強(qiáng)的通信功能以便與下位機(jī)及企業(yè)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。組態(tài)軟件能實(shí)現(xiàn)上述的所有功能，且以其易于開(kāi)發(fā)、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，成為上位機(jī)的首選。

2.1控制系統(tǒng)的組成

鋸切成套設(shè)備的控制系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4　控制系統(tǒng)組成

S7-1500是西門(mén)子新一代高性能的PLC產(chǎn)品，其整體性能較上一代大幅提升，能讓控制系統(tǒng)的響應(yīng)更為快速、及時(shí)[1]。此外，S7-1500配備了強(qiáng)大的基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的PROFINET接口，能與上位機(jī)進(jìn)行高速可靠的通信，滿(mǎn)足上位機(jī)、下位機(jī)數(shù)據(jù)交換的要求，且各系統(tǒng)采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單?？紤]到系統(tǒng)對(duì)其他資源的要求，最終選定S7-1500系列的CPU1511-1 PN作為下位機(jī)控制器。

WINCC V7.0是西門(mén)子的一款功能強(qiáng)大組態(tài)軟件，包含界面設(shè)計(jì)、報(bào)警記錄、報(bào)表制作、用戶(hù)管理等功能，滿(mǎn)足工業(yè)控制中人機(jī)交互及相關(guān)管理的需求，此外，還具有豐富的通信功能，使得上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)變得快捷、可靠[2]。故選取WINCCV7.0作為上位機(jī)的組態(tài)軟件。值得一提的是，與S7-1500配合更好的WINCCV13未被采用，是因?yàn)閺哪壳笆褂玫慕Y(jié)果來(lái)看，WINCC V13的運(yùn)行穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步改善。

2.2S7-1500的PLC程序設(shè)計(jì)

基于西門(mén)子S7-1500 PLC的程序框圖，如圖5所示。程序采用梯形圖語(yǔ)言編寫(xiě)，按照功能模塊來(lái)對(duì)程序進(jìn)行組織，設(shè)備中每個(gè)功能子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)子程序。由于成套鋸切設(shè)備的各個(gè)子系統(tǒng)在并發(fā)執(zhí)行時(shí)，效率最高，故程序需按并發(fā)執(zhí)行特性來(lái)設(shè)計(jì)。對(duì)于具有并發(fā)執(zhí)行特點(diǎn)的邏輯控制，在子程序調(diào)用中以傳感器信息作為進(jìn)入子程序執(zhí)行的條件的同時(shí)，增加前后兩個(gè)工序子程序之間的邏輯互鎖，以保證兩個(gè)并發(fā)執(zhí)行的子程序之間的操作不相互干擾導(dǎo)致意外的發(fā)生。

圖5　基于西門(mén)子S7-1500PLC的程序框圖

PLC最為核心的工作原理是循環(huán)掃描，對(duì)于S7-1500 PLC來(lái)說(shuō)其循環(huán)執(zhí)行的主程序?yàn)榻M織塊OB1，所有的子程序都需要在OB1中被調(diào)用。而由于各子程序不需要存儲(chǔ)工藝參數(shù)，故子程序使用功能塊FC即可。在每個(gè)掃描周期中，只要符合進(jìn)入條件的子程序FC塊都會(huì)被執(zhí)行一次，以滿(mǎn)足各個(gè)子系統(tǒng)并發(fā)執(zhí)行的需要。

2.3W INCC V7.0的程序設(shè)計(jì)

基于WINCC 7.0的上位機(jī)設(shè)計(jì)框圖，如圖6所示。鋸切成套設(shè)備的上位機(jī)系統(tǒng)由人機(jī)交互界面、報(bào)表及歸檔、腳本策略和數(shù)據(jù)通信四大子系統(tǒng)組成。

圖6　基于WINCC 7.0的上位機(jī)設(shè)計(jì)框圖

人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)設(shè)備與操作人員的交互。通過(guò)人機(jī)交互界面，操作人員可以輸入系統(tǒng)使用中可配置的參數(shù)。設(shè)備的工作狀態(tài)也通過(guò)指示燈、動(dòng)畫(huà)等可視化的方式，讓操作人員能清晰地了解到。報(bào)表及歸檔子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)設(shè)備運(yùn)行中一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)歸檔，并以報(bào)表的方式被企業(yè)管理系統(tǒng)讀取，以便企業(yè)及時(shí)監(jiān)控、了解生產(chǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。腳本策略子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)一些對(duì)于PLC較為復(fù)雜的算法的計(jì)算以及較為復(fù)雜動(dòng)畫(huà)的制作。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)上位機(jī)和PLC的數(shù)據(jù)傳輸，包括人機(jī)交互界面、腳本策略子系統(tǒng)、報(bào)表及歸檔子系統(tǒng)都需要通過(guò)數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)完成與PLC的數(shù)據(jù)交互?；赪INCC7.0的上位機(jī)系統(tǒng)，為PLC及企業(yè)管理系統(tǒng)、操作人員等上層子系統(tǒng)提供一個(gè)十分友好、易用的接口。

3　W INCC 7.0與S7-1500的OPC通信

圖7　上位機(jī)與PLC的OPC通信連接

WINCC與PLC的連接方式可以分為兩大類(lèi)：通過(guò)WINCC支持的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行連接；通過(guò)SIMATIC NETOPC進(jìn)行連接。由于WINCCV7.0沒(méi)有包含與S7-1500連接的驅(qū)動(dòng)，故WINCC V7.0與S7-1500不能通過(guò)驅(qū)動(dòng)連接的方式通信，而只能通過(guò)SI?MATICNETOPC的方式，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

OPC(OLE for Process Control)是嵌入式過(guò)程控制標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范以O(shè)LE/DCOM為技術(shù)基礎(chǔ)，是用于服務(wù)器/客戶(hù)機(jī)連接的統(tǒng)一的而開(kāi)放的接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范[3]。OPCServer屏蔽了所有下層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的細(xì)節(jié)，為OPC Client提供了一個(gè)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的統(tǒng)一、規(guī)范的訪問(wèn)接口。上位機(jī)使用OPC技術(shù)與PLC通信，可以增強(qiáng)上位機(jī)數(shù)據(jù)通信接口的通用性，使得不同廠商的組態(tài)軟件和PLC之間可以相互連接。一般來(lái)說(shuō)，可以讀取PLC過(guò)程變量的OPCServer的軟件包是由PLC廠商或者第三方廠商提供。

上位機(jī)與PLC的OPC通信連接，如圖7所示。使用OPC技術(shù)來(lái)連接WINCCV7.0和S7-1500,需要SIMATICNET的支持。SIMATICNET不僅包含了符合規(guī)范的OPC SERVER，而且還具有與PLC通信的協(xié)議以及相應(yīng)通信模塊的驅(qū)動(dòng)程序。對(duì)于鋸切成套設(shè)備的控制系統(tǒng)，SIMATICNET需要包含S7通信協(xié)議，而普通以太網(wǎng)卡已有驅(qū)動(dòng)程序不需包含。OPC Client—WINCC V7.0通過(guò)SI?MATICNET中的OPCServer提供的符合OPC規(guī)范的統(tǒng)一接口來(lái)讀取過(guò)程變量。SIMATIC NET中的OPC Server對(duì)S7-1500過(guò)程變量的訪問(wèn)是通過(guò)SIMATIC NET中的通信協(xié)議（S7通信協(xié)議）實(shí)現(xiàn)的[4]。

值得指出的是，S7-1500較以往西門(mén)子PLC增加了通信服務(wù)限制的功能。在默認(rèn)的情況下，遠(yuǎn)程伙伴通過(guò)PUT/GET通信進(jìn)行訪問(wèn)是被禁止的。在使用OPC來(lái)進(jìn)行WINCC和S7-1500進(jìn)行通信時(shí)，必須激活允許PUT/GET通信的選項(xiàng)，否則，OPCServer通過(guò)S7通信對(duì)S7-1500的過(guò)程變量的訪問(wèn)是被禁止的。即使各項(xiàng)組態(tài)正確，WINCC也無(wú)法建立與S7-1500的正常通信。在STEP7 V13的硬件組態(tài)中，CPU模塊的屬性選項(xiàng)卡中有一個(gè)“常規(guī)->保護(hù)->連接機(jī)制->允許從遠(yuǎn)程（PLC、HMI、OPC、…）使用PUT/GET通信訪問(wèn)”的選項(xiàng)，需要通過(guò)激活該選項(xiàng)可以允許OPC使用PUT/GET通信訪問(wèn)S7-1500，從而保證OPC Server與S7-1500的數(shù)據(jù)通信。

4　總結(jié)

本文介紹了基于WINCCV7.0和S7-1500的鋸切成套設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。分別給出了下位機(jī)S7-1500和上位機(jī)WINCC 7.0程序的設(shè)計(jì)思想，同時(shí)說(shuō)明了上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)OPC通信的原理及特點(diǎn)，指出了其在組態(tài)過(guò)程中的要點(diǎn)。

以上論述的基于WINCCV7.0和S7-1500的鋸切成套設(shè)備控制系統(tǒng)，已經(jīng)在各大鋁業(yè)公司使用，結(jié)果表明系統(tǒng)界面友好，運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，生產(chǎn)效率得到了較大的提高，為企業(yè)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］Siemens AG.S7-1500自動(dòng)化系統(tǒng)-系統(tǒng)手冊(cè)［Z］. 2014.

［2］Siemens AG.WinCC V7.0 SP1MDM-WinCC：通信［Z］.2008.

［3］西門(mén)子（中國(guó)）有限公司工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域工業(yè)自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)技術(shù)集團(tuán).深入淺出S7-1200［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［4］Siemens AG.WINCC通過(guò)SIMATIC NET OPC與S7-1200CPU的以太網(wǎng)通信［Z］.2010.

(編輯：阮毅)

Control System Design of Cutting Equipment Based on W INCC V7.0 and S7-1500

LUYi-hua
（Beijing NormalUniversity，Zhuhai，Zhuhai519087，China）

The traditional aluminum casting industry needs to improve the automation level of the equipment，to enhance the competitiveness of enterprises.The cutting equipment is a set of aluminum bar automatic cutting equipment，which can improve the efficiency of aluminum bar cutting.This paper mainly introduces the design and key technology of control system for the cutting equipment，based on WINCC V7.0 and S7-1500.The cutting equipment，ofwhich the control system is the core，are operating and achievinggood effectin severalaluminum castingenterprises.

WINCCV7.0；S7-1500；cuttingequipment；OPC communication

TP273

A

1009－9492(2015)04－0016－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.005

2015－01－26

陸毅華，男，1985年生，廣東肇慶人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器視覺(jué)。已發(fā)表論文2篇。