王青峰，孫建恩

(三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200)

擠出線主要用于滿足全鋼和半鋼子午線輪胎胎面、胎側、墊膠和膠芯等擠出及擠出后進行收縮、冷卻、稱重和定長等生產(chǎn)工藝需求，整條生產(chǎn)線主要由擠出機組、下游冷卻輔線和接取或卷取裝置三部分組成。以我公司一條全鋼胎面擠出線為例，詳細介紹該系統(tǒng)的設計思路，其結構示意如圖1所示，主要工藝流程如圖2所示。

圖1 子午輪胎胎面擠出聯(lián)動生產(chǎn)線結構示意

圖2 子午輪胎胎面擠出聯(lián)動生產(chǎn)線工藝流程圖

1 系統(tǒng)設計

1.1 生產(chǎn)線現(xiàn)狀

我公司早期投用的全鋼胎面擠出線，由德國進口三復合擠出機組、國產(chǎn)下游冷卻輔線和國產(chǎn)裁斷胎面自動接取裝置三大部分組成。生產(chǎn)線采用西門子S7-300和羅克韋爾 Contrologix Logix5000 進行控制，采用西門子MP277、組態(tài)王和易控分別做為擠出機組、下游冷卻輔線和自動接取裝置的HMI，進行配方的存儲及調(diào)用和實時顯示設備狀態(tài)。

生產(chǎn)線共采用3套PLC控制系統(tǒng)，分別控制擠出機組，下游冷卻輔線和自動接取裝置，每套PLC控制系統(tǒng)為獨立單元，可獨立運行。3套獨立的PLC系統(tǒng)之間未進行數(shù)據(jù)通訊，僅有簡單的啟停和安全急停信號互聯(lián)，整條生產(chǎn)線的配方分三部分，分別存儲在各自HMI中，需要切換新規(guī)格產(chǎn)品時，操作主手首先手動切換相應配方，由于生產(chǎn)線長度超過120 m，在生產(chǎn)線上的實際物料是不同的規(guī)格，再由人工根據(jù)新規(guī)格實際到達的位置逐步依次手動切換（如胎面達到裁斷裝置處需人工按切換規(guī)格），操作繁瑣，生產(chǎn)效率較低，且存在配方切換不及時或錯誤的可能，存在較大的質(zhì)量風險。

1.2 建設智慧工廠的需求

為滿足智慧工廠要求，必須由軟件自動跟蹤新規(guī)格的運行位置，并依次自動切換相應裝置的配方數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生單個工裝的生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)供MES讀取和工裝RFID綁定，便于自動送入立體庫，無需人工干預。因此三個獨立的部分應作為一條生產(chǎn)線，生產(chǎn)線工藝配方通過MES統(tǒng)一管控，生產(chǎn)的產(chǎn)出實績和生產(chǎn)計劃及配方嚴格對應。

1.3 具體實施方案的設計

根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)線系統(tǒng)的特點和規(guī)格切換自動跟蹤系統(tǒng)的要求，對原生產(chǎn)線軟硬件設施進行評審，需在三套PLC系統(tǒng)分別添加一以太網(wǎng)模塊作為與MES系統(tǒng)通訊的硬件接口，即可滿足系統(tǒng)開發(fā)需求，決定基于原生產(chǎn)線控制系統(tǒng)進行開發(fā)。系統(tǒng)整體采用MES+西門子S7300+羅克韋爾 Contrologix Logix5000+HMI+以太網(wǎng)通訊的體系結構，如圖3所示。

圖3 配方切換自動跟蹤系統(tǒng)組成

生產(chǎn)線配方由MES端創(chuàng)建并存儲在MES服務器，操作人員通過MES客戶端切換新規(guī)格時，系統(tǒng)將新規(guī)格切換標識置位，MES識別到切換標識后，通過以太網(wǎng)與MES-PLC接口進行通訊將配方數(shù)據(jù)傳送到PLC配方緩存區(qū)，操作人員經(jīng)HMI確認新配方數(shù)據(jù)，確認無誤后下載到PLC配方執(zhí)行區(qū)，此時激活生產(chǎn)線規(guī)格切換，并結合擠出機的狀態(tài)、壓力檢測和輔線的運行狀態(tài)，自動跟蹤新規(guī)格的料頭，隨著生產(chǎn)線的啟動，系統(tǒng)自動追蹤新規(guī)格料頭在生產(chǎn)線的位置，自動依次切換相關配方數(shù)據(jù)，切換完成后激活配方切換完成標識位。

MES系統(tǒng)可通過MES-PLC接口實時采集相關的設備、工藝和生產(chǎn)等相關數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)手段對數(shù)據(jù)進行分析，降低生產(chǎn)過程的成本，提升管理水平和產(chǎn)品質(zhì)量。

2 軟件程序開發(fā)

系統(tǒng)軟件程序的開發(fā)根據(jù)功能需求主要包括三大部分：一是PLC程序的設計，其中包括以太網(wǎng)模塊的硬件組態(tài)、配方接口控制程序設計、速度位移脈沖程序設計、規(guī)格跟蹤和配方切換程序設計；二是系統(tǒng)的控制運行；三是人機交互界面HMI的設計。

2.1 PLC程序設計

根據(jù)生產(chǎn)線PLC系統(tǒng)的硬件配置，配方自動跟蹤系統(tǒng)PLC程序開發(fā)基于西門子315-2DP、AB 1756-L71、以太網(wǎng)通訊模塊等裝置開發(fā)。

西門子S7-300 PLC采用STEP7 V5.6進行組態(tài)和編程，羅克韋爾 Contrologix Logix5000 PLC采用RSLogix 5000 V20.03進行組態(tài)和編程，程序設計步驟如下：

（1）在原S7-300系統(tǒng)添加CP 343-1以太網(wǎng)通訊模塊，原Contrologix Logix5000系統(tǒng)添加1756-EN2T以太網(wǎng)模塊，對硬件組態(tài)程序進行編程并根據(jù)MES系統(tǒng)要求設置IP地址。

（2）硬件組態(tài)后設計控制程序。

（3）硬件組態(tài)和程序設計完成，編譯保存通過編程電纜下載到PLC中。

（4）進行在線聯(lián)機調(diào)試，最終達到設計要求。

無論是西門子還是羅克韋爾PLC系統(tǒng)，在硬件改變時必須對原系統(tǒng)的硬件組態(tài)或配置進行重新編程，硬件組態(tài)的作用是在PLC系統(tǒng)中生成一個與實際硬件完全一樣的虛擬系統(tǒng)，系統(tǒng)設計之初，需將系統(tǒng)需要的CPU、輸入、輸出、變頻器和觸摸屏等各類配件的型號在編程軟件中進行定義和配置。西門子和羅克韋爾因產(chǎn)品差異，硬件組態(tài)配置的方法不同，此文不詳細描述，僅將本系統(tǒng)應用的部分硬件配置展示如下，如圖4和圖5所示。

圖4 S7-300組態(tài)畫面

胎面擠出線配方主要由擠出機溫度、擠出機轉(zhuǎn)速，冷卻線接取速度、收縮比、各段速度調(diào)節(jié)輥位置及張力、冷卻前寬度、冷卻前米重、冷卻后寬度、裁斷長度和冷卻后米重等構成，主要配方如表1所示。

原生產(chǎn)線配方分為三部分存儲在各自HMI中，根據(jù)系統(tǒng)設計要求，需將三部分配方存儲在MES服務器，MES系統(tǒng)端根據(jù)表1內(nèi)容進行配方結構的設計，并根據(jù)工藝需求設計合理的存儲空間來保存足夠多的配方數(shù)；PLC系統(tǒng)端主要進行三部分程序的設計，一是分別在擠出機、下游冷卻輔線和自動接取裝置的PLC系統(tǒng)中根據(jù)表1內(nèi)容設計單獨的配方暫存區(qū)，用來存放MES端下載的配方；二是在擠出機PLC系統(tǒng)根據(jù)表1內(nèi)容設計完整的配方暫存區(qū)，并在擠出機HMI開發(fā)完整配方數(shù)據(jù)展示畫面和相關控制程序，用于操作主手查看配方數(shù)據(jù)和操作，檢查沒有問題后接收傳送配方到各個配方暫存區(qū)；三是在下游冷卻輔線和自動接取裝置PLC系統(tǒng)設計配方切換控制程序，識別自動跟蹤信號后自動將暫存區(qū)配方傳送到配方執(zhí)行區(qū)。

表1 胎面擠出線配方接口表

下游冷卻線，由16段傳送裝置組成，每一段的速度由調(diào)節(jié)輥裝置控制，由于橡膠制品的特殊性，前一段傳送裝置和后一段傳送裝置的速度是不同的。為保證規(guī)格切換接頭跟蹤的準確性，需設計一相同位移不同速度脈動信號Add-On指令，程序功能設計步驟如下：

（1）右鍵Add-On Instructions新建一個指令，命名為Tracing_Pusle;

（2）打開Tracing_Pusle指令的Parameters and Local Tags，根據(jù)功能要求，建立新的輸入、輸出和本地標簽；

（3）打開Tracing_Pusle指令的Logic，進行程序設計；

（4）設計完成后，編譯保存，并將指令下載到PLC中。

本程序中，由于原系統(tǒng)中實際的速度數(shù)據(jù)為整數(shù)，在本指令程序中需要對速度輸入數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換并需一100MS脈沖給信號，在不同的速度信號下，每200 mm位移生成一脈沖信號Pusle_200 mm程序如圖6所示。

圖6 速度位移脈沖程序

生產(chǎn)線規(guī)格切換開始，系統(tǒng)將規(guī)格切換標識位置位，生產(chǎn)線啟動后，根據(jù)擠出機的壓力、出口胎面溫度和胎面檢測等綜合條件判斷出新規(guī)格的胎面產(chǎn)出，程序識別5個速度位移脈沖也就是1 000 mm的胎面接頭，將標識位復位，系統(tǒng)自動跟蹤這5個脈沖在生產(chǎn)線的位置，程序功能設計步驟如下：

（1）打開Tasks,在MainProgram右鍵新建Rou tine命名為Recipe_Tracing;

（2）根據(jù)程序功能，建立新標簽；

（3）打開Recipe_Tracing指令的Logic，進行程序設計；

（4）設計完成后，編譯保存，并將指令下載到PLC中。

下游冷卻線每段傳送裝置都需要調(diào)用Tracing_Pusle指令和BSL指令，以裁斷裝置配方跟蹤和配方切換程序為例，如圖7所示。

圖7 裁斷裝置配方接頭跟蹤和配方切換程序

（1）當配方接頭到達下坡傳送帶末端，Tracing_xp_BSL[0].9置位，將新配方單條裁斷長度設定值傳送到執(zhí)行地址；

（2）速度位移脈沖指令，根據(jù)裁斷傳送帶的實際速度產(chǎn)生200 mm位移脈沖信號Tracing_CD_Pusle；

（3）200 mm位移脈沖信號Tracing_CD_Pusle每置位一次，BSL指令將Tracing_CD_BSL數(shù)組內(nèi)配方跟蹤位左移一位，移動長度Length計算方式如下：

L—裁斷傳送帶長度，mm

Tracing_CD_BSL數(shù)組大小根據(jù)計算得出的Length值合理設置。

2.2 系統(tǒng)控制運行

系統(tǒng)由本地和遠程兩種模式，為了防止MES端異常情況，確保生產(chǎn)線正常運行，系統(tǒng)保留原規(guī)格切換功能的設計，即本地模式，生產(chǎn)線規(guī)格的切換操作與原設計相同。遠程模式下，生產(chǎn)線規(guī)格切換由系統(tǒng)自動完成，無需人員的干預，遠程模式下規(guī)格切換詳細流程如圖8所示。

圖8 規(guī)格切換流程

2.3 HMI設計

系統(tǒng)HMI基于原生產(chǎn)線的HMI進行升級，原HMI安裝在主操作臺，監(jiān)控整個生產(chǎn)線的運行狀態(tài)、實時顯示運行數(shù)據(jù)和修改相關參數(shù)等。擠出機組HMI采用西門子MP277觸摸屏，該觸摸屏應用SIMATIC Wincc Flexble 2008 sp3軟件進行畫面程序的編寫，可通過工業(yè)以太網(wǎng)、DP和MPI進行通訊。下游冷卻輔線和自動接取設備HMI采用的基于工控機的組態(tài)王和易控上位機軟件，采用kingview和INSEPEC軟件進行畫面程序編寫，根據(jù)系統(tǒng)設計的要求，在相關HMI上開發(fā)了配方顯示界面，生產(chǎn)線配方接頭跟蹤畫面等程序，從而達到應有的效果。

3 結束語

系統(tǒng)投入使用以來，通過現(xiàn)場生產(chǎn)和工藝評審，達到設計目標，經(jīng)過長時間的運行表現(xiàn)出如下優(yōu)勢：

（1）生產(chǎn)線工藝配方通過MES統(tǒng)一管控，生產(chǎn)線僅保留在產(chǎn)配方，提升了工藝管理水平。

（2）降低生產(chǎn)線規(guī)格切換時人員的勞動強度，簡化配方切換流程，提升了生產(chǎn)效率。

（3）杜絕原生產(chǎn)線出現(xiàn)的規(guī)格切換錯誤和切換不及時等問題。

（4）實現(xiàn)生產(chǎn)線的信息化管理，實時采集生產(chǎn)線運行數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集積累為后期運用大數(shù)據(jù)分析提升現(xiàn)場管理水平和產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)打下基礎。