李學(xué)軍，程 紅

（1.四川大學(xué) 錦城學(xué)院，成都 611731；2.成都理工大學(xué)，成都 610059）

0 引言

注塑件的成型品質(zhì)很大程度上取決于模具性能。隨著新材料和新技術(shù)的開發(fā)利用，注塑產(chǎn)品的適用領(lǐng)域和行業(yè)需求不斷擴(kuò)大，制造周期明顯縮短，注塑生產(chǎn)也逐漸趨向于小批量、多樣化和復(fù)雜化[1]。然而，對于大多數(shù)注塑件制造廠商，由于生產(chǎn)訂單的不確定性，塑件規(guī)格和種類的增多，都為模具的管理工作帶來一定的難度，模具隨意堆放和使用不規(guī)范等現(xiàn)象，不僅造成車間存儲空間的浪費，也影響模具的性能與使用壽命[2,3]。目前，產(chǎn)品數(shù)據(jù)PDM、產(chǎn)品生命周期PLM和集成化ERP等系統(tǒng)的融合和應(yīng)用方便了對模具使用信息的高效管理，但模具使用和維護(hù)等信息數(shù)據(jù)的記錄仍主要依靠人工完成，不僅效率低、耗時多，繁雜的模具查找和維護(hù)工作也會影響注塑車間的整體生產(chǎn)效率。

射頻識別（RFID）是一種非接觸、近距離無線通信技術(shù)，通過RFID終端自動識別標(biāo)簽信息，實現(xiàn)物與網(wǎng)絡(luò)之間雙向數(shù)據(jù)交互和動態(tài)管理[4～6]。在制造業(yè)領(lǐng)域，PLC是應(yīng)用最普遍的工業(yè)控制器，與射頻RFID融合有助于實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)控管理。因此，針對注塑模具倉庫管理需要，設(shè)計了一種支持模具在線查詢和管理的自動化控制系統(tǒng)，由射頻RFID記錄模具出入庫、使用等工作狀態(tài)，再利用S7-1500PLC、工業(yè)以太網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)將注塑生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動寫入標(biāo)簽，提高模具倉庫信息化管理水平，使其真正為注塑車間的高效作業(yè)服務(wù)。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

模具自動化倉庫是注塑成型的重要輔助單元，通過融合工業(yè)以太網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行模具出入庫登記、上下架整理等基本業(yè)務(wù)，系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示，主要包括上位機(jī)監(jiān)控、注塑生產(chǎn)控制和倉庫自動化管理等部分。

圖1 模具自動化倉庫總體構(gòu)成

上位機(jī)監(jiān)控負(fù)責(zé)調(diào)度和管理整個生產(chǎn)區(qū)域，一方面伴隨塑件的成型過程，由注塑機(jī)PLC在線記錄與生產(chǎn)過程相關(guān)的模具使用信息，另一方面通過讀RFID標(biāo)簽、自動搬運和堆垛，遠(yuǎn)程管理模具倉庫。注塑生產(chǎn)控制以工業(yè)以太網(wǎng)為核心，通過PLC實現(xiàn)注塑機(jī)、倉庫機(jī)電設(shè)備的自動控制，再利用以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，遠(yuǎn)程交互模具使用信息。

倉庫自動化管理由立式貨架、搬運機(jī)和堆垛機(jī)等設(shè)備組成，當(dāng)使用模具A時，通過上位機(jī)或倉庫現(xiàn)場觸摸屏面板在線查詢該模具信息，經(jīng)確認(rèn)后，控制堆垛機(jī)行走、貨臺升降和貨叉伸縮，將模具A從立式貨架轉(zhuǎn)移到搬運機(jī)工位。倉庫PLC系統(tǒng)再控制搬運機(jī)動作，將模具轉(zhuǎn)移到射頻讀卡區(qū)，在有效的識別間距下由RFID讀卡器記錄模具A出庫。同樣，當(dāng)模具A使用完成后，由RFID讀卡器記錄模具A入庫，先確認(rèn)模具是否需要維護(hù)，再通過搬運、堆垛行走、貨臺升降和貨叉伸縮將模具轉(zhuǎn)移到立式貨架的對應(yīng)位置。

2 倉庫系統(tǒng)硬件設(shè)計

注塑模具自動化倉庫以S7-1500 PLC為核心，利用射頻RFID在線記錄模具出入庫信息，再通過搬運機(jī)和堆垛機(jī)自動整理模具，控制系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖2所示。

圖2 PLC系統(tǒng)組成

對于PLC模塊，考慮控制系統(tǒng)性能、開發(fā)成本和I/O點數(shù)等因素，PLC選擇CPU 1516-3PN/DP。與S7-300/400相比，S7-1500 PLC硬件、軟件和上位機(jī)監(jiān)控可通過TIA portal平臺開發(fā)，在提高組態(tài)和編程效率的同時，方便技術(shù)人員在線查詢CPU的工作狀態(tài)，并提供相對直觀的故障反饋信息。CPU 1516具有2個Profinet（X1 P1/P2和X2 P1）和1個Profibus接口，其中，X2 P1作為從站接入端口，通過工業(yè)以太網(wǎng)總線與上位機(jī)數(shù)據(jù)交互，X1 P1作為設(shè)備接入端口，通過交換機(jī)X208實現(xiàn)觸摸屏TP1200、2臺變頻器G120、分布式I/O單元ET200SP等模塊之間的Profinet通信。模具出入庫信息記錄和堆垛定位采用支持Profibus通信的終端，其中，射頻RFID讀卡器采用CK-F080P01，與標(biāo)簽數(shù)據(jù)交互的典型距離約15cm，堆垛定位采用激光測距DL100和條碼定位傳感器OLM200[7]，再分別確定模具對應(yīng)的立式貨架和堆垛位置。

CPU 1516-3PN/DP機(jī)架上添加電源PM 190W、開關(guān)量輸入DI 16和開關(guān)量輸出DO 16模塊。其中，DI 16用于輸入控制臺上電（鑰匙選擇開關(guān)）、急停、自動與點動工位轉(zhuǎn)換旋鈕、搬運機(jī)和堆垛機(jī)控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換旋鈕與點動控制按鈕（前進(jìn)和后退、貨叉伸縮、貨叉升降）等信號，DO 16用于控制輸出系統(tǒng)運行與狀態(tài)指示燈，以聲光報警方式直觀反映系統(tǒng)或機(jī)電設(shè)備故障?？刂乒袂懊姘灏惭bTP1200觸摸屏，通過Profinet通信為自動化倉庫機(jī)電設(shè)備控制、狀態(tài)監(jiān)測、立式貨架模具信息查詢和管理提供現(xiàn)場人機(jī)交互服務(wù)。搬運機(jī)和堆垛機(jī)的行進(jìn)、貨叉伸縮、貨叉升降等工作狀態(tài)分別由G120變頻器控制，每臺變頻器分別控制3臺相同的異步電機(jī)，且在變頻器控制模塊中設(shè)置電機(jī)參數(shù)（額定功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等）和Profinet通信協(xié)議，搬運與堆垛控制原理如圖3所示。

圖3 搬運與堆垛控制原理

模具出庫或入庫時，分別通過上位機(jī)或RFID讀卡器將模具信息發(fā)送給倉庫S7-1500 PLC，將其在立式貨架的位置數(shù)據(jù)（圖3虛線所示）作為給定。由圖2可知，分布式I/O ET200SP提供2×DI 32、2×DO 32和2×AI 4，其中，2×DI 32用于輸入貨叉常閉限位、貨架常開限位、貨叉過升降和過伸縮預(yù)警限位等信號，2×DO 32輸出控制繼電器和接觸器，以實現(xiàn)行走M(jìn)1、貨叉升降M2和貨叉伸縮M3等動作切換，2×AI 4用于檢測搬運機(jī)和堆垛機(jī)運行過程中電壓和電流參數(shù)。G120變頻器負(fù)責(zé)行走M(jìn)1、貨叉升降M2和貨叉伸縮M3的直接控制，如圖4所示，DI 0～D2 1分別對應(yīng)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和復(fù)位。當(dāng)分布式I/O ET200SP控制KM1和KM4閉合，G120控制行走電機(jī)M1，由激光測距反饋控制，確定立式貨架位置后，KM4斷開、KM5閉合，G120再輸出控制貨叉升降M2，由條碼定位反饋，確定立式貨架上模具的堆垛位置后，KM5斷開、KM6閉合，G120再控制貨叉伸縮M3，由貨叉常閉限位和貨架常開限位反饋控制，當(dāng)貨叉伸出到位且模具堆垛到位同時滿足時，貨叉停止伸出。

圖4 變頻控制電路

3 倉庫系統(tǒng)軟件設(shè)計

自動化倉庫控制軟件在TIA portal平臺上開發(fā)，主要包括對S7-1500 PLC控制程序、TP1200觸摸屏界面和上位機(jī)監(jiān)控界面等設(shè)計。PLC程序用于注塑模具出入庫的自動控制以及對控制臺、觸摸屏或上位機(jī)監(jiān)控請求的響應(yīng)，程序控制流程如圖5所示。

圖5 PLC程序控制流程圖

模具出入庫自動控制程序由搬運子程序、堆垛子程序、狀態(tài)監(jiān)測和處理子程序、故障報警子程序等組成。其中，狀態(tài)監(jiān)測和處理子程序在線判定倉庫控制系統(tǒng)I/O狀態(tài)，并對特定 I/O狀態(tài)作出響應(yīng)，進(jìn)而觸發(fā)對應(yīng)的中斷以調(diào)用搬運、堆垛、故障報警等子程序。模具入庫時，射頻RFID讀卡器自動讀取模具標(biāo)簽信息，S7-1500 PLC通過Profinet與上位機(jī)進(jìn)行交互，判定模具是否需要維護(hù)。由于模具在注塑過程中使用信息已通過Profinet傳回上位機(jī)，技術(shù)人員在注塑結(jié)束后對模具進(jìn)行維護(hù)，相關(guān)信息也錄入生產(chǎn)管理過程。但是，在入庫前模具未進(jìn)行維護(hù)，則需要由倉庫S7-1500 PLC作出判定，方便技術(shù)人員及時維護(hù)模具。如果模具已維護(hù)或不需要維護(hù)，觸發(fā)中斷調(diào)用搬運子程序，將模具由RFID讀卡區(qū)搬運至待堆垛區(qū)。同樣，模具搬運完成后，再觸發(fā)堆垛機(jī)控制子程序，將模具轉(zhuǎn)移到立式貨架上。

觸摸屏或上位機(jī)為模具倉庫管理提供最基本的人機(jī)交互服務(wù)。觸摸屏主要用于模具位置和堆垛空位的在線查詢，如圖6所示，方便技術(shù)人員查詢和管理具體模具的使用情況。

圖6 觸摸屏界面

上位機(jī)用于模具倉庫總體業(yè)務(wù)的監(jiān)控管理，如圖7所示，支持對多立式貨架模具位置和堆垛空位查詢、搬運機(jī)和堆垛機(jī)變頻調(diào)速控制等。模具倉庫管理作為一個子監(jiān)控界面，通過主界面和返回選項，方便與注塑過程監(jiān)控主界面的自由切換。變量狀態(tài)選項輸出倉庫S7-1500 PLC監(jiān)控I/O和中間變量狀態(tài)，對其中異常進(jìn)行報警，再通過報警選型反饋給管理人員。模具倉庫管理提供7排貨架共145個貨格位置的直觀顯示和查詢，能根據(jù)實際需求靈活分配和擴(kuò)展貨架貨格，并由貨架貨格的柔性分配擴(kuò)展設(shè)置搬運和堆垛等設(shè)備運行參數(shù)。

4 結(jié)語

由于注塑模具隨意堆放和使用不規(guī)范等問題，不僅浪費車間存儲空間，也影響模具性能與使用壽命。在此背景下，通過研究注塑模具出入庫管理需求，利用S7-1500 PLC設(shè)計了一種支持模具在線查詢和管理的自動化倉庫系統(tǒng)，并在TIA portal平臺上進(jìn)行硬件組態(tài)、通信配置、PLC程序和監(jiān)控界面的開發(fā)設(shè)計。對于注塑模具的自動化倉庫管理，由射頻RFID記錄模具的出入庫信息，融合工業(yè)以太網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，利用PLC或上位機(jī)處理模具使用數(shù)據(jù)，再調(diào)用相應(yīng)的機(jī)電設(shè)備實現(xiàn)模具搬運或堆垛控制。自動化倉庫為技術(shù)人員開展模具管理工作提供便利，實現(xiàn)對對模具使用信息、狀態(tài)的高效管理，解決了過往模具管理存在的問題，在一定程度上提高了注塑生產(chǎn)效率。

圖7 上位機(jī)界面