胡亞南，寧奎偉

（1.西京學(xué)院，西安 710021；2.陜西西微測控工程有限公司，咸陽 710000）

0 引言

工程塑料具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、壽命久、質(zhì)量輕等眾多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、造船、航空及汽車領(lǐng)域[1]。注塑機(jī)是生產(chǎn)工程塑件的主要設(shè)備之一，被眾多塑件制造廠商使用，但隨著科技發(fā)展及工程塑件需求量的劇增，塑件制造廠的生產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大、注塑機(jī)數(shù)量不斷增多，為提升塑件生產(chǎn)效率，對塑件生產(chǎn)過程的自動化程度、智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)信息化提出了更高要求。目前，傳統(tǒng)的單機(jī)注塑設(shè)備生產(chǎn)模式存在系統(tǒng)落后、自動化程度低、兼容性差、聯(lián)網(wǎng)能力弱的問題，無法實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)生產(chǎn)參數(shù)的精確監(jiān)控、數(shù)據(jù)實(shí)時記錄、數(shù)據(jù)共享及資源整合，不利于提高企業(yè)的集成化管理[2,3]。

為實(shí)現(xiàn)塑件生產(chǎn)車間注塑機(jī)設(shè)備的集成化管理，以西門子S7-1500PLC為硬件核心控制器，以ET200MP為分布式從站，以TIA Portal V13軟件開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)注塑機(jī)遠(yuǎn)程集散控制系統(tǒng)，并搭建車間三層Profinet通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車間多臺注塑機(jī)集中監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享、資源集成管理，以保證注塑機(jī)組安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗能的運(yùn)行。

1 注塑工藝流程及設(shè)計(jì)要求

注塑工藝流程主要包括：原料準(zhǔn)備、加料、塑化、合模、注射、保壓、冷卻及固化、開模、塑件取出、推出機(jī)構(gòu)復(fù)位、合模，即完成一個注塑流程，然后按照上面的工藝流程進(jìn)行注塑循環(huán)加工（如圖1所示）。注射系統(tǒng)是通過注射缸施加一定壓力，將料筒內(nèi)熔融塑化的塑料經(jīng)噴嘴、澆注系統(tǒng)快速充滿密閉模具型腔?？刂葡到y(tǒng)是注塑機(jī)的“大腦”，通過HMI界面設(shè)置注塑工藝參數(shù)，完成執(zhí)行裝置動作及檢測裝置信號采集，實(shí)現(xiàn)自動控制和數(shù)據(jù)處理，具備數(shù)據(jù)顯示、存儲、報(bào)警、報(bào)表及打印功能[4]。料筒分區(qū)溫度、注射壓力、注射速度及模具溫度等參數(shù)控制效果的優(yōu)劣，決定著塑件產(chǎn)品質(zhì)量的等級及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，所以注塑機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的升級十分必要。

圖1 注塑工藝流程圖

針對當(dāng)前注塑機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計(jì)注塑機(jī)遠(yuǎn)程集散控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：1）能夠快速準(zhǔn)確完成注塑機(jī)注射壓力、料筒溫度、注射速度、生產(chǎn)數(shù)量、內(nèi)腔壓力、設(shè)備狀態(tài)、注射電子尺、合模電子尺及安全閥狀態(tài)等信號的實(shí)時監(jiān)測及反饋；2）利用智能控制策略對完成注塑機(jī)溫度和壓力的智能、精確、穩(wěn)定控制；3）通過HMI界面實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、報(bào)警設(shè)置、歷史曲線、生產(chǎn)報(bào)表、故障報(bào)警等功能；4）建立注塑機(jī)故障診斷庫，能夠針對故障報(bào)警提示解決方案；5）能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)場就地控制及一鍵啟停全自動控制三種控制模式；6）實(shí)現(xiàn)廠方所有注塑機(jī)設(shè)備集成控制、數(shù)據(jù)共享及遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)查詢功能。

2 控制系統(tǒng)硬件選型

由于工程塑件注塑工藝較為復(fù)雜、控制參數(shù)及控制點(diǎn)量較多，注塑機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)，以Siemens S7-1500PLC為核心控制器，ET200MP為分布式從站，TIA Portal V13為軟件開發(fā)平臺，采用Profinet和Profibus-DP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)注塑生產(chǎn)過程集中管理、分散控制[5]。注塑機(jī)集散控制系統(tǒng)（如圖2所示）硬件設(shè)備為3層結(jié)構(gòu)：1）第1層為執(zhí)行層，主要完成注塑機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集、控制命令執(zhí)行等任務(wù)，該層主要包含液壓系統(tǒng)、溫度控制系、伺服電機(jī)及傳感器檢測等單元組成。傳感器檢測主要包括PT100溫度傳感器、EVT-20壓力傳感器、位移傳感器等，傳感器將參數(shù)信號轉(zhuǎn)化為4～20mA電流信號或0～5V電壓信號經(jīng)模擬量SM模塊傳輸給PLC模塊進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲；伺服電機(jī)主要為注塑機(jī)動力設(shè)備，驅(qū)動塑化原料流動，采用Siemens變頻器控制[6,7]。2）第2層為控制層，由S7-1500PLC模塊、ET200MP從站模塊組成，按照設(shè)計(jì)的控制策略和控制邏輯對注塑機(jī)注塑過程進(jìn)行實(shí)時控制，S7-1500PLC主站與ET200MP從站采用Profibus-DP通訊，S7-1500PLC與KP1500觸摸屏采用Profinet通訊，模擬量信號傳輸使用屏蔽電纜以避免信號干擾。3）第3層為管理層，由DELL計(jì)算機(jī)、Siemens服務(wù)器、網(wǎng)路設(shè)備、HP打印機(jī)組成，主要分為操作站、工程師站、客戶服務(wù)器、移動工程師站等部分，操作人員可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控模式完成遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)打印、遠(yuǎn)程診斷等工作，同時也可以完成程序修改、下載、升級及技術(shù)參數(shù)修改工作。注塑機(jī)集散控制系3層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間各節(jié)點(diǎn)的通訊，實(shí)現(xiàn)注塑生產(chǎn)多機(jī)模式的集成管理、數(shù)據(jù)共享、資源整合、分散控制等功能。

圖2 遠(yuǎn)程集散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

文中設(shè)計(jì)集散控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：1）以TIA Portal V13軟件為集散控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，相比傳統(tǒng)的WinCC+Step7方法可高效靈活的完成項(xiàng)目組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)搭建、程序編寫、在線診斷等功能，具有效率高、可視化、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)；2）采用現(xiàn)場KP1500觸摸屏與遠(yuǎn)程PC操作站相結(jié)合的監(jiān)控方式，可提高操作人員工作的便捷性和實(shí)時性；3）以性能強(qiáng)、運(yùn)算快的S7-1500PLC+S71500模塊為主站，以價格低、體積小的IM155通訊模塊+ET200MP模塊為從站形成高低搭配的控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)性能高、成本低的集散控制系統(tǒng)；4）搭建3層網(wǎng)絡(luò)框架，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)模式生產(chǎn)時的數(shù)據(jù)資源整合，各層分工明確、相互協(xié)調(diào)，便于任務(wù)分配，提高生產(chǎn)效率。

依據(jù)注塑生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)和廠家控制要求，選用Siemens S7-1500PLC系列的CPU1516-3PN/DP、PM70W電源模塊、IM155-5DP通訊模塊及SM模塊完成下位機(jī)硬件組態(tài)。S7-1500PLC的系統(tǒng)性能、集成技術(shù)、安全機(jī)制、簡單的操作及超強(qiáng)的易用性都能彰顯出其強(qiáng)大的自動化實(shí)力，同時其集成系統(tǒng)診斷功能、統(tǒng)一的顯示方案可將診斷信息顯示在工程組態(tài)軟件、HMI面板及WEB服務(wù)器中。在SM模塊中，選用SM521數(shù)字量輸入模塊，DI16×24VDC用于設(shè)備狀態(tài)、電機(jī)過載、限位信號、電機(jī)啟動、機(jī)械安全監(jiān)測等信號輸入；選用SM522數(shù)字量輸出模塊，DQ32×24VDC/0.5A，用于伺服電機(jī)啟動、吹氣、調(diào)模進(jìn)退、頂退等控制量輸出；選用SM531模擬量輸入模塊，AI8×U/I/RTD/TC，用于PT100熱電偶、注射電子尺、合模電子尺、注射壓力等模擬量輸入；選用SM532模擬量輸入模塊，AQ8×U/I，用于加熱控制輸出[8]。為提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，縮短組態(tài)和訂貨，可用TIA Selection Tool軟件模擬注塑機(jī)集散控制系統(tǒng)硬件組態(tài)，可準(zhǔn)確、無遺漏生成系統(tǒng)硬件模塊及其附件的訂貨清單（如表1所示），該軟件可模擬真實(shí)系統(tǒng)的硬件選型、機(jī)架分配、系統(tǒng)診斷、附件選型。注塑機(jī)集散控制系統(tǒng)設(shè)備組態(tài)（如圖3所示），完成了模塊選擇、組態(tài)、訂購的全集成自動化配置，可清晰查看組態(tài)硬件的訂貨號、電勢分配、插槽號、機(jī)架位置等信息。在項(xiàng)目視圖模式下，點(diǎn)擊訂單列表按鈕可自動生成模塊及附件的訂單信息，訂單列表包含設(shè)備名稱、訂貨號、信號種類、數(shù)量、包裝單位、包裝數(shù)量、控制精度，可將購物車內(nèi)的訂單直接導(dǎo)出到網(wǎng)上商城進(jìn)行硬件購買，也可導(dǎo)出為.csv或.pdf文檔傳輸?shù)讲少彶块T進(jìn)行硬件采購（如圖4所示）。

圖3 注塑機(jī)硬件選型圖

圖4 集散控制系統(tǒng)訂單列表圖

表1 硬件配置表

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

注塑機(jī)集散控制系統(tǒng)由PLC車間控制、遠(yuǎn)程PC監(jiān)控及觸摸屏監(jiān)控組成（如圖5所示）。PLC下位機(jī)程序采用模塊化思想設(shè)計(jì)，主要包括初始化、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)濾波、智能控制、數(shù)據(jù)累積、操作模式、信息處理等模塊；數(shù)據(jù)采樣、濾波、存儲是現(xiàn)場傳感器按照采樣周期獲取參數(shù)信號，經(jīng)SM531模塊將4mA～20mA模擬量信號轉(zhuǎn)化為0～27648數(shù)字量信號并傳輸給PLC，PLC將數(shù)據(jù)存儲到對應(yīng)地址內(nèi)，按照預(yù)定程序進(jìn)行濾波處理，然后將參數(shù)值映射到HMI界面[9,10]。遠(yuǎn)程PC監(jiān)控和觸摸屏監(jiān)控主要包括工藝流程、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警設(shè)置、歷史曲線、生產(chǎn)報(bào)表、故障診斷及用戶登錄等界面，用戶登錄界面通過用戶名、密碼獲取登錄權(quán)限，可訪問注塑機(jī)遠(yuǎn)程集散控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)操作主要包括手動操作、遠(yuǎn)程操作及全自動操作模式。

圖5 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

為實(shí)現(xiàn)工程塑件產(chǎn)品生產(chǎn)流程的實(shí)時監(jiān)控，注塑機(jī)遠(yuǎn)程集散控制系統(tǒng)HMI界面設(shè)計(jì)采用TIA Portal V13中的WinCC軟件，其工具箱中包含有基本對象、圖形、元素和功能控件，可快速、靈活、便捷完成HMI界面開發(fā)。通過在Portal WinCC平臺設(shè)置過程變量連接Portal Step7對應(yīng)的地址，以變量地址為紐帶實(shí)現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)在HMI界面的顯示。如圖6所示，可清晰看到注塑設(shè)備的工作狀態(tài)及重要參數(shù)，工作人員可通過點(diǎn)擊界面上方子系統(tǒng)切換按鈕即可切換到不同子界面，能夠?qū)崿F(xiàn)注塑機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的分散管理和集中控制[11]。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)控工藝流程圖

如圖7所示，在生產(chǎn)和調(diào)試過程中，只需通過HMI的參數(shù)設(shè)置畫面修改控制參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)程序變量數(shù)據(jù)的修改，進(jìn)而完成相應(yīng)的控制動作，操作簡單便捷。同時，工作人員可快速、便捷的查詢到當(dāng)前各工藝參數(shù)設(shè)定值。

圖7 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面圖

為便于工作人員查詢工程塑件生產(chǎn)過程中注塑機(jī)存在的故障信息，能夠及時處理及便于維修人員處理設(shè)備故障，設(shè)計(jì)集散控制系統(tǒng)報(bào)警設(shè)置界面（如圖8所示）。報(bào)警設(shè)置界面主要包括故障發(fā)生時間、發(fā)生事件、故障時系統(tǒng)狀態(tài)及故障處理方法的備注，能夠縮短故障檢修時間，避免因設(shè)備故障造成緊急停車或設(shè)備損壞。

圖8 系統(tǒng)報(bào)警設(shè)置界面圖

注塑機(jī)集散遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)還包括生產(chǎn)報(bào)表、歷史曲線等界面，通過歷史曲線可對注塑機(jī)重點(diǎn)參數(shù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，查看工程塑件的工藝參數(shù)控制效果；生產(chǎn)報(bào)表界面可以查看工程塑件生產(chǎn)種類、生產(chǎn)數(shù)量、料筒溫度、注塑速度、注塑壓力等生產(chǎn)參數(shù)，管理人員可通過生產(chǎn)報(bào)表查詢企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)完成度及生產(chǎn)效率，客戶可通過生產(chǎn)報(bào)表了解企業(yè)生產(chǎn)狀況及訂單量。

4 結(jié)語

1）為解決注塑機(jī)自動化程度低、系統(tǒng)落后、聯(lián)網(wǎng)能力弱的問題，設(shè)計(jì)了注塑機(jī)集散遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)多機(jī)模式的數(shù)據(jù)共享、參數(shù)精確監(jiān)控、數(shù)據(jù)實(shí)時記錄及遠(yuǎn)程故障診斷功能。

2）以西門子S7-1500PLC為硬件核心控制器，以ET200MP為分布式從站，采用Profinet和Profibus-DP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，設(shè)計(jì)多臺注塑機(jī)生產(chǎn)過程集中管理、分散控制方法。

3）以TIA Portal V13軟件開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)注塑機(jī)HMI監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)工藝流程、參數(shù)設(shè)定、歷史曲線、生產(chǎn)報(bào)表等功能，以保證注塑機(jī)安全、高效、優(yōu)質(zhì)的運(yùn)行。

4）注塑機(jī)集散遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠提高工程塑件的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。