段曉燕，金 巖，趙正天，高鳴崗

（1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.金川集團(tuán)股份有限公司鎳冶煉廠，甘肅 金昌 737100）

1 引言

鎳是一種有光澤的銀白色金屬，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和延展性。用其制造的不銹鋼和各種合金鋼被廣泛地用于飛機(jī)、坦克、艦艇、雷達(dá)、導(dǎo)彈、宇宙飛船，以及民用工業(yè)中的機(jī)器制造、陶瓷顏料、永磁材料、電子遙控等領(lǐng)域。目前，世界范圍內(nèi)著名的產(chǎn)鎳企業(yè)包括俄羅斯的MMC諾里爾斯克鎳業(yè)公司（MMC Norilsk Nickel）、巴西的淡水河谷公司（Vale SA）、澳大利亞的必和必拓公司（BHP Billiton Ltd.）、中國的金川集團(tuán)有限公司（Jinchuan Group Co.Ltd.）、英國的特斯拉塔公司（Xstrata Plc）、日本的住友金屬礦山株式會社（Sumitomo Metal Mining Co.,Ltd.）等數(shù)家公司，其中我國的金川集團(tuán)有限公司鎳產(chǎn)量居世界第四、中國第一[1]。

在鎳板銷售過程中，鎳板的純度等級和重量（質(zhì)量）是影響銷售利潤的關(guān)鍵因素。其中，鎳的純度等級取決于制鎳的工藝過程，不在本研究的討論范圍內(nèi)，而重量（質(zhì)量）是成品鎳板在包裝過程中進(jìn)行稱量并標(biāo)注的。本研究針對金川集團(tuán)鎳冶煉廠“鎳板”自動包裝生產(chǎn)線稱重校驗(yàn)功能的缺陷，設(shè)計(jì)制造了新的稱重校驗(yàn)子系統(tǒng)，并與原生產(chǎn)線無縫融合，使新系統(tǒng)能夠完全自動地進(jìn)行稱重校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了每一垛入庫鎳板100%的計(jì)量準(zhǔn)確率，以及稱重校驗(yàn)數(shù)據(jù)的本地和遠(yuǎn)端計(jì)量部門的實(shí)時歸檔，確保了每一垛鎳板稱重校驗(yàn)數(shù)據(jù)的歷史可查詢。

2 鎳板自動包裝線

在諸多的金屬鎳產(chǎn)品中，長900～920 mm，寬880～900 mm的“鎳板”是其主要的一種產(chǎn)品形式，如圖1所示。由于制鎳工藝的要求，每一張鎳板上都有2個形似“耳朵”的鎳條，在制鎳過程中它們起懸掛鎳板的作用，在進(jìn)行成品鎳板包裝時首先需要將它們剪下。除去鎳耳朵后，堆疊成垛的鎳板如圖2所示。由于單張鎳板的薄厚不同，在每垛鎳板重量為1500±30 kg的要求下，鎳板垛的高度在300～700 mm。

圖1 鎳板

圖2 鎳垛

金川集團(tuán)鎳冶煉廠的“鎳板”自動包裝生產(chǎn)線由“剪切段”“轉(zhuǎn)運(yùn)段”和“包裝入庫段”等3個主要工段組成，如圖3所示。其中，“剪切段”包含A、B、C三條剪切線，它們主要完成原始鎳板懸掛用鎳帶（耳朵）的剪切，并將“剪耳”之后的鎳板按照一定的規(guī)格（重量或鎳板數(shù)量）堆疊成垛?！稗D(zhuǎn)運(yùn)段”通過一臺龍門懸臂變頻小車實(shí)現(xiàn)鎳板垛從“剪切段”到“包裝入庫段”的轉(zhuǎn)運(yùn)。轉(zhuǎn)運(yùn)小車可沿圖3中Y軸方向在A、B、C三條剪切線之間移動，在“位置1”“位置2”和“位置3”處沿X軸負(fù)方向移動裝載鎳板垛，僅可在“位置2”處沿X軸正方向移動卸載鎳板垛。出于安全因素的考慮，轉(zhuǎn)運(yùn)小車同一時間只能沿X或Y軸中一個方向移動，X軸和Y軸方向的移動是互鎖的?！鞍b入庫段”包含“整形對正”“壓平”“稱重”“打包”“噴碼”和“入庫”等6個主要工序構(gòu)成?！鞍b入庫段”在4號工位（交接工位1）接收轉(zhuǎn)運(yùn)小車送來的鎳板垛，并采用3組輸送鏈條E1，E2和E3沿X軸的正方向移動運(yùn)送鎳板垛，使其依次通過上述工序。鎳板垛首先到達(dá)5號工位（整形對正工位），依次接受沿X軸和Y軸方向的擠壓，促使垛里每一片鎳板在X和Y兩個方向都能對齊。由于鎳板的彎曲性，為了使垛中每個塊鎳板間彼此足夠接近，給后續(xù)的打包工序做好準(zhǔn)備，在6號工位，鎳板垛接受壓實(shí)機(jī)的擠壓。5號工位的“對正”和6號工位的“擠壓”均由液壓系統(tǒng)驅(qū)動。在7號工位采用交易用計(jì)量秤，對鎳板垛的重量進(jìn)行稱量，稱量得到重量數(shù)據(jù)通過PROFIBUS-DP總線上傳PLC系統(tǒng)。在9號工位，全自動打包機(jī)對鎳板垛進(jìn)行捆扎包裝。在10號工位，由噴墨打印機(jī)在鎳板垛的最上層鎳板上噴涂產(chǎn)品標(biāo)識信息（包括：產(chǎn)品名稱、標(biāo)準(zhǔn)、批號、牌號、日期、包號、片數(shù)、凈重和毛重等）。當(dāng)鎳板垛到達(dá)11號工位（交接工位2）時，“包裝入庫段”將其交予立體倉庫存放。[1]

圖3 鎳板自動包裝生產(chǎn)線

3 原有稱重校驗(yàn)功能的缺陷

鎳板自動包裝生產(chǎn)線自2012年投入使用以來，是金川集團(tuán)股份有限公司研制開發(fā)的國內(nèi)第一條電解鎳板自動化加工生產(chǎn)線，首次實(shí)現(xiàn)了對9996電解鎳板剪切、包裝、入庫的全流程自動化生產(chǎn)，設(shè)備利用率達(dá)95%以上，日產(chǎn)量為300 t左右，是成品車間主要運(yùn)行設(shè)備。然而，在8年的生產(chǎn)運(yùn)行期間，用戶關(guān)于鎳板垛重量異議的投訴多達(dá)10余起。

3.1 缺陷分析

鎳板自動包裝生產(chǎn)線的計(jì)量稱重主體由2個部分組成：一是A、B、C三條剪切線的“初秤”部分，二是7號工位（稱重工位）的計(jì)量秤部分。前者主要被用于通過重量判斷是否完成了1垛鎳板的堆垛，后者則用于實(shí)際交易。原有的稱重校驗(yàn)功能是通過比對“初秤讀數(shù)”和“計(jì)量秤讀數(shù)”實(shí)現(xiàn)的。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)是不能達(dá)到稱重校驗(yàn)要求，無法實(shí)現(xiàn)全部包裝入庫鎳板重量的校驗(yàn)確認(rèn)。究其原因，主要體現(xiàn)在以下2個方面：一方面，上述的比對結(jié)果沒有采用數(shù)據(jù)實(shí)時上傳的方式反饋到PLC程序中，并通過PLC程序及時地進(jìn)行稱重數(shù)據(jù)的質(zhì)量把控，而只是通過參考產(chǎn)品出庫時采樣率為5%的抽檢產(chǎn)品的“比對數(shù)據(jù)”來間接評價計(jì)量稱重數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，存在系統(tǒng)風(fēng)險漏洞。另一方面，這種設(shè)計(jì)忽略了設(shè)備的實(shí)際使用工況。首先，初秤秤臺是置于堆垛升降平臺上的，該平臺的上升和下降動作會引起初秤的計(jì)量偏差；其次，在鎳板的堆垛過程中，每天對初秤秤臺的敲擊高達(dá)到2 000次以上。這種工況導(dǎo)致在實(shí)際生產(chǎn)過程中，“初秤讀數(shù)”和“計(jì)量秤讀數(shù)”之間經(jīng)常會出現(xiàn)10～20 kg的偏差，失去了重量比對校驗(yàn)的意義。

3.2 缺陷的早期處理

鑒于上述情況，金川集團(tuán)鎳冶煉廠在“鎳板”自動包裝生產(chǎn)線的8號工位（等待工位）加裝了一套二次復(fù)核稱重裝置如圖4、圖5所示，輔助校驗(yàn)交易秤稱量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。然而，投入使用后發(fā)現(xiàn)存在以下問題：（1）稱重儀表單元不能與生產(chǎn)線主PLC對接，無法反饋二次復(fù)核稱量數(shù)據(jù)形成“稱重數(shù)據(jù)質(zhì)量把控”的閉環(huán)控制，僅僅只能通過崗位職工目測觀察進(jìn)行“計(jì)量秤讀數(shù)”和“二次復(fù)核稱量讀數(shù)”的比對。（2）二次復(fù)核稱重裝置采用了“剪切角”式的機(jī)械頂升機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)升起后，其位置輸出是振蕩收斂的，它達(dá)到穩(wěn)定位置所需的時間較長，在有限的稱量時間內(nèi)稱重儀表顯示的重量有一定的波動，給崗位職工準(zhǔn)確取數(shù)造成了困難。（3）該機(jī)械頂升機(jī)構(gòu)采用了液壓驅(qū)動方式，與升降油缸連接的管路由于傳遞了液壓回路中的震動（由其他液壓設(shè)備產(chǎn)生），導(dǎo)致在頂起稱重過程中實(shí)際稱重讀數(shù)有4～6.5 kg的偏差，二次復(fù)合不準(zhǔn)確，使崗位職工決策判斷困難。

圖4 機(jī)械頂升機(jī)構(gòu)

圖5 頂起稱量中

4 新稱重校驗(yàn)子系統(tǒng)

為了確保鎳板自動包裝生產(chǎn)線正常、穩(wěn)定、連續(xù)地運(yùn)行，消除客戶關(guān)于產(chǎn)品的“重量異議”質(zhì)量事故率，研究人員重新設(shè)計(jì)、制造，并與原系統(tǒng)無縫融合了全新的入庫前稱重校驗(yàn)子系統(tǒng)，替代原有無效設(shè)備。新增子系統(tǒng)由：工業(yè)用臺秤（量程為3 t，精度等級為3級）、氣動頂起機(jī)械裝置、PLC控制子系統(tǒng)等3個部分組成。主要完成了鎳板垛的頂起稱重，計(jì)量秤和校驗(yàn)秤讀數(shù)的實(shí)時在線比對和監(jiān)控，以及校驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸檔顯示等工作。

4.1 氣動頂起機(jī)械裝置

針對之前液壓“剪刀角”式機(jī)械頂升機(jī)構(gòu)存在的缺陷，研究設(shè)計(jì)制造了氣動頂起機(jī)械裝置如圖6、圖7、圖8所示。該裝置采用了氣動的驅(qū)動方式，避免了液壓管路的震動干擾；另外，它通過四氣缸平行推動方式頂升鎳板垛。經(jīng)調(diào)試，在生產(chǎn)現(xiàn)場壓縮空氣的氣壓滿足≥0.4 MPa的條件下，它能夠在規(guī)定的時間內(nèi)（7 s）柔和且無振蕩地頂起鎳板垛，并且確保鎳板垛完全與輸送鏈條完全分離，使它們之間的距離≥70 mm（這個間距可以完全避免鎳板垛的最下層鎳板因?yàn)閺澢鷮?dǎo)致的鎳板角與輸送鏈條搭接的情況）。該頂升裝置頂起鎳板垛后，保持需要的時長（5 s），待PLC系統(tǒng)與校驗(yàn)秤的儀表通訊采集稱重讀數(shù)后平穩(wěn)落下。

圖6 機(jī)械頂起裝置設(shè)計(jì)圖

圖7 機(jī)械頂起裝置實(shí)物

圖8 機(jī)械頂起裝置升起圖

4.2 控制子系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的組織架構(gòu)如圖9所示，其中下位PLC（S7_300 CPU315-2PN/DP）與上位監(jiān)控軟件（WinCC 7.3）之間采用了TCP/IP通訊總線[2]。

4.2.1 控制子系統(tǒng)的功能模塊

首先，關(guān)于原有系統(tǒng)和新加入的校驗(yàn)秤儀表之間的數(shù)據(jù)采集接口問題，主要考慮了2個方面的因素。第一，新增的子系統(tǒng)屬于輔助系統(tǒng)，它不應(yīng)影響原系統(tǒng)的正常工作，故障或必要時應(yīng)該能被切出主系統(tǒng)，因此，新的子系統(tǒng)融入前后應(yīng)保持PLC系統(tǒng)硬件組態(tài)（或者說硬件配置）的一致性，盡可能避免引入新的不確定的干擾危害系統(tǒng)的魯棒性[3]；第二，經(jīng)濟(jì)成本因素。鑒于這2個方面的考慮，對于新加入的校驗(yàn)秤儀表，并沒有額外采購與原系統(tǒng)通訊方式一致的通訊模塊，而是采用工控行業(yè)最常用的串口（COM口），通過上位工控機(jī)系統(tǒng)（避免直接與PLC系統(tǒng)相連）實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對校驗(yàn)秤讀數(shù)的采集，如圖9所示。為實(shí)現(xiàn)這種數(shù)據(jù)采集模式，在WinCC監(jiān)控軟件平臺上編寫用于校驗(yàn)秤讀數(shù)采集的全局C腳本，在PLC中為之匹配“校驗(yàn)秤儀表讀數(shù)觸發(fā)控制”程序段。

圖9 新增子系統(tǒng)的控制架構(gòu)

除上述內(nèi)容以外，在WinCC監(jiān)控軟件平臺上將校驗(yàn)秤數(shù)據(jù)實(shí)時顯示功能融入原監(jiān)控界面，并配置了用于歷史查詢的數(shù)據(jù)歸檔功能。在PLC中，增加為數(shù)據(jù)歸檔匹配的“分頻觸發(fā)”程序段；控制頂升裝置上升下降動作的程序段；協(xié)調(diào)頂升裝置動作與E3輸送鏈條啟停的程序段；比對和監(jiān)控計(jì)量秤和校驗(yàn)秤讀數(shù)的實(shí)時程序段。

4.2.2 串口采集校驗(yàn)秤數(shù)據(jù)

在新加入的子系統(tǒng)中，利用工控機(jī)上的WinCC監(jiān)控軟件直接讀取串口數(shù)據(jù)，主要包括涉及數(shù)據(jù)提供者（校驗(yàn)秤儀表）和數(shù)據(jù)接受者（工控機(jī)WinCC）兩方面的COM通訊口的設(shè)置，以及相應(yīng)程序編寫。校驗(yàn)秤儀表和工控機(jī)的COM通訊口均采用了“9 600位/s的波特率、8個數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗(yàn)、1個停止位、無流控制”的基本設(shè)置[4]。作為數(shù)據(jù)提供者的校驗(yàn)秤儀表采用了“連續(xù)輸出”的方式持續(xù)不斷地向COM口輸出稱量數(shù)據(jù)。作為數(shù)據(jù)接受者的工控機(jī)WinCC系統(tǒng)決定何時采集有效的稱量數(shù)據(jù)。WinCC對COM口的訪問方式比較多，包括直接和間接的訪問方法?？紤]到開發(fā)的方便性，采用了WinCC直接訪問COM口的方式。但是WinCC軟件7.0以上的版本不再集成訪問COM口的控件，因此，利用C++語言編寫了訪問COM口的動態(tài)鏈接庫文件（Com.dll），并通過WinCC的全局腳本動作調(diào)用這個Com.dll文件，實(shí)現(xiàn)了WinCC 7.3對COM的訪問。關(guān)于WinCC何時觸發(fā)這個全局腳本動作，則由PLC程序提供觸發(fā)信號，即當(dāng)PLC驅(qū)動頂升機(jī)構(gòu)升起，得到上升到位的信號并經(jīng)過適當(dāng)延時之后，觸發(fā)該讀數(shù)信號，以確保讀入正確的稱量數(shù)據(jù)。

4.2.3 校驗(yàn)秤數(shù)據(jù)的實(shí)時比對機(jī)制

WinCC讀取校驗(yàn)秤儀表的數(shù)據(jù)后，將其寫回到PLC中，與控制系統(tǒng)中該垛鎳板的交易秤稱量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，如果二者一致（在±1 kg的誤差范圍內(nèi)）則可以正常繼續(xù)后續(xù)的打包、噴碼、交接入庫等工序，否則引發(fā)報錯機(jī)制（紅色聲光報警燈的閃爍如圖10所示，以及WinCC界面的錯誤校驗(yàn)重量提示如圖11所示），提示崗位操作工人及時處理。

圖10 校驗(yàn)秤儀表及報警指示燈

4.2.4 校驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時顯示和歸檔

校驗(yàn)秤數(shù)據(jù)存儲于PLC中該垛鎳板對應(yīng)的DB數(shù)據(jù)塊中，與“牌號”“生產(chǎn)日期”“包號”“片數(shù)”“毛重”“主秤凈重”“副秤凈重”等其他數(shù)據(jù)構(gòu)成這垛鎳板的產(chǎn)品信息，并跟隨這垛鎳板在生產(chǎn)線的移動在對應(yīng)位置的DB塊之間傳遞，同時顯示在WinCC監(jiān)控界面上（如圖11所示），最終隨著鎳板垛的入庫，傳遞給立體倉庫和計(jì)量部門。除了對產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)的傳遞，為了保證每垛鎳板信息數(shù)據(jù)的歷史可查詢，將上述的“牌號”“生產(chǎn)日期”“毛重”“主秤凈重”“校驗(yàn)秤重量”等關(guān)鍵信息以數(shù)據(jù)歸檔的方式進(jìn)行本地存儲，如圖12所示。

圖11 WinCC監(jiān)控界面錯誤提示

圖12 歸檔數(shù)據(jù)表

數(shù)據(jù)歸檔是當(dāng)鎳板垛到達(dá)10號工位進(jìn)行產(chǎn)品信息噴涂時同時進(jìn)行的，因?yàn)榇藭r產(chǎn)品已經(jīng)完成打包，其信息不會發(fā)生更改。數(shù)據(jù)歸檔的觸發(fā)信號采用的是噴涂動作的觸發(fā)信號，但是這個信號是個脈沖信號（每垛鎳板到達(dá)10號工位后，這個信號都會由0跳變至1觸發(fā)噴涂動作，經(jīng)歷500 ms的延時后，再由1跳變回0），它的兩次跳變將會對同一組產(chǎn)品數(shù)據(jù)觸發(fā)兩次歸檔操作。因此，研究設(shè)計(jì)采用分頻程序，以分頻后的信號觸發(fā)數(shù)據(jù)歸檔，確保歸檔數(shù)據(jù)的唯一性。

4.2.5 頂升機(jī)械裝置控制

頂升機(jī)械裝置的升降是新加子系統(tǒng)內(nèi)唯一的空間動作，盡管動作簡單，但必須考慮其周邊設(shè)備的運(yùn)行情況。首先，頂升機(jī)械裝置的升降與E3輸送鏈條的啟停是典型的互鎖關(guān)系；其次，其相比較于E3輸送鏈條上其他的打包、噴碼和交接入庫等動作環(huán)節(jié)的用時最短，在一次有效稱量讀數(shù)后，必須保證其不會二次誤動作；第三，考慮當(dāng)?shù)谝淮畏Q量沒有獲得正常讀數(shù)時，其應(yīng)該能夠自動地再次動作進(jìn)行第二次稱量，確認(rèn)讀數(shù)不符合要求后進(jìn)行報警提示；第四，作為輔助功能，可以在必要的時候切出校驗(yàn)稱量功能。綜合上述分析，將頂升機(jī)械裝置的升降動作寫為一個“稱量子程序”如圖13所示，而將其他功能要求寫作一個“稱量校驗(yàn)總程序”的子程序如圖14所示。“稱量校驗(yàn)總程序”在單次循環(huán)中可多次調(diào)用“稱量子程序”，并用“第一次稱量標(biāo)志”置1確保在一次有效稱量讀數(shù)后不會二次誤動作，用“稱量次數(shù)計(jì)數(shù)”小于2保證在第一次正常讀數(shù)失敗后可以自動地進(jìn)行二次稱量讀數(shù)，還可以根據(jù)需要由崗位操作工人切出稱重校驗(yàn)功能。

圖13 稱量子程序

圖14 稱量檢驗(yàn)總程序

4.2.6 新系統(tǒng)融合后的應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)

融合了新的稱重校驗(yàn)子系統(tǒng)后，統(tǒng)計(jì)該生產(chǎn)線3個月的稱重校驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比分析如表1所示。其中，發(fā)現(xiàn)“稱重異?！钡逆嚢?垛，并及時處理重新計(jì)量入庫，入庫準(zhǔn)確率達(dá)到了100%。

表1 系統(tǒng)改造前后重量校驗(yàn)對比分析

5 結(jié)論

鎳板自動包裝生產(chǎn)線融合新的稱重校驗(yàn)子系統(tǒng)后，能夠完全自動地進(jìn)行稱重校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了每一垛入庫鎳板100%的計(jì)量準(zhǔn)確率，以及稱重校驗(yàn)數(shù)據(jù)的本地和遠(yuǎn)端計(jì)量部門的實(shí)時歸檔，確保了每一垛鎳板稱重校驗(yàn)數(shù)據(jù)的歷史可查詢。本研究工作對類似在線稱重校驗(yàn)系統(tǒng)的集成和改造提供了一定的參考意義。