摘要：由于岩棉制品粉尘严重，长期吸入对身体伤害大，人工堆垛的劳动强度大，劳动环境恶劣，急需实现岩棉堆垛过程的自动化。目前，控制系统的发展已经取得相当大的成就，简单的PLC控制系统或基于PLC的DCS控制系统以及基于PLC和FCS的控制系统在现实生产中成熟使用，且应用广泛。基于此，本文主要对岩棉生产线自动堆垛系统设计进行分析探讨。
关键词：岩棉生产线；自动堆垛；系统设计
1堆垛工艺流程
以并排2个岩棉板为例，堆垛工艺流程如下：上叉伸出→岩棉板进入上叉→上叉回缩→岩棉板堆到下叉→下叉下降一定距离→岩棉板堆垛到指定厚度→下叉下降到最低位→岩棉板进入传送带→岩棉板离开下叉区域→下叉上升→岩棉板初步分离，转向→岩棉板进一步分离→第一垛岩棉板进入顶升区域→传送带3停，顶升上升→第一垛岩棉进入包装机→顶升下降，传送带3开→第二垛岩棉进入顶升区域→顶升上升→第二垛岩棉进入包装机。
2自动堆垛系统的结构方案
岩棉板的主要生产工艺流程是：天然岩石经高温熔融成纤，成为无机质纤维材料岩棉，然后加入适量粘结剂固化压制成型，再按规格尺寸要求切割成岩棉板。切割后的岩棉板通常是单层并排2～3个在传送带上连续输送。经过堆垛单元后成为单排多层送入热缩包装系统打包，最后装车起运。因此堆垛单元的主要功能是将单层并排2～3个岩棉板快速进行多层堆垛，并转化为单排进行输送。自动堆垛系统除了要满足上述功能要求外，还需要堆垛速度的可调，以实现与整条岩棉生产线的速度匹配。此外，还应实现对不同规格尺寸的岩棉板和堆垛层数的可调要求。
图1给出了自动堆垛系统的结构方案示意图。该系统的机械结构主要分堆垛、传送两大部分。堆垛部分由机架和上下叉构成。机架是支撑结构，上部安装了水平导轨和气缸，用于上叉的水平前后往复运动，下部安装了垂直导轨和伺服电机以及齿轮齿条传动机构，用于带动下叉做垂直上下运动；上叉用于把从上道工序输送带传送过来的岩棉板接过来，堆放到下叉上，每堆放一层，下叉自动下落一定高度，在达到预定的层数和厚度后下叉便把岩棉板下放到传送带上。传送部分由3段传送带和1个顶升装置构成。3段传送带速度依次递增，用于将贴合在一起的岩棉板垛分离开一定距离，并利用第二段弧形传送带实现岩棉板垛的转向。传送带3将分离和转向后的岩棉板依次送入顶升区域，由顶升装置将其送入热缩包装机。
图1 自动堆垛系统的结构方案示意图
3控制系统设计
3.1控制系统的构成
岩棉自动堆垛系统属于岩棉生产线控制系统的一个子系统，可以独立控制，也可以接受主系统指令而作出相应回应。根据工艺流程和控制系统要实现的功能，可以对堆垛系统从两个方面进行阐述：从现场控制角度上讲，岩棉堆垛系统需要完成岩棉位置的监测、执行器件顺序控制、电机启停；从数据处理角度上讲，岩棉堆垛系统需要完成参数设定、内部数据运算、实时数据监控、错误参数报警等功能。在岩棉堆垛系统内部，存在着传送带控制系统。3个系统的关系反映到作为控制核心的PLC上就是：PLC通过从站模块连入上级控制系统接受指令、反馈信息，又作为主站对各传送带的电机进行参数设置、实时监控。这样的结构降低了现场数据的传输量，提高了控制效率。鉴于现场总线技术在工业控制领域的优越性，本系统采用PROFIBUS－DP进行联网。出于现场控制的考虑，需要一个人机交互的过程，采用触摸屏来进行现场参数设定、状态监测、手动操作。
3.2硬件设计
整个系统采用西门子S7－200PLCCPU224XP作为一类主站、西门子KTP－178触摸屏作为二类主站来进行现场层的控制，传送带控制系统采用西门MM420变频器对电机进行变频控制。对于整个岩棉生产线控制网络来讲，本系统采用EM277通信模块作为DP从站来进行S7－200PLC与上位机的通信。由于控制需要，本例增加了EM233模块进行开关控制。出于监测要求，采用了接近开关检测下叉，顶升上下限位，采用光电传感器检测岩棉位置。通过伺服控制器控制伺服电机来完成对下叉的调速，通过电磁阀控制气路从而控制上叉运动，通过各种继电器来实现系统功能。
3.3软件设计
本例使用西门子S7－200PLC专用编程软件STEP7V4．0对PLC进行编程。系统可分自动、手动两种形式。在自动运行时，当有现场信号传到PLC，PLC即根据所设定的程序和参数对系统进行顺序控制，并将检测到的信息发送到监控界面上予以显示；当手动运行时，PLC根据监控界面上的命令对相应元件进行状态判断，并对执行元件发出控制信号，然后把运行结果反馈到监控界面上。
监控界面的设计使用的是西门子HMI组态软件WINCCFLEXIBLE2008。WINCCFLEXIBLE2008是一款功能强大的HMI设备组态软件，它可以集成到所有自动化解决方案内，内置所有操作管理功能，可简单、有效地进行组态，适用于所有工业和技术领域的解决方案。触摸屏作为二级主站主要完成系统参数设置、信息反馈、错误报警、现场调试等功能。
3.4通信设计
本系统采用了PROFIBUS现场总线通信。在前面硬件设计中组态了EM277PROFIBUS－DP从站模块，通过该从站模块将S7200PLC连接到PROFIBUS－DP网络。EM277通过串行I/O口连接到S7－200的CPU。ROFIBUS网络通过其DP通信端口与之相连。EM277接收主站传输来的多种不同的I/O配置，向主站发送和接收不同数据量的数据。
对传送带系统的控制采用的是西门子专门为驱动装置开发的USS通信协议，USS协议具有支持多点通信、报文简单、数据传送灵活高效、容易实现、成本较低等特点。针对MM3及以上系列产品，USS已经集成了指令库。在USS_INT指令块中，MODE定义了通信口的类型（1表示的是USS通信，0是自由口通信），Baud指定了通信频率，Active表示变频器从站的地址（在定义从站地址同时激活变频器）。在USS_INT指令正确完成后Done位输出1。USS_CTRL则是用于控制具体变频器的指令。Drive定义了变频器的地址，Speed则表示变频器的频率，其中VD640是设定的频率值，VD644反馈的是电机运行的实际频率。只要RUN位置1，变频器便开始运作，OFF位置1，变频器便停止。由上可知，通过使用各个指令块，便能直接方便地实现对变频器的控制，从而实现对传送带系统的监控。
结语
针对国内岩棉生产线的自动化堆垛需求，本文设计开发了一套基于PLC和触摸屏的自动堆垛系统，并通过现场总线实现了与岩棉生产线主控系统的通信。经过现场调试改进，解决了落料不整齐、堆垛送叉有冲击、整体堆垛时间和生产节拍不协调等问题，整个系统稳定，满足生产要求。该系统促进了岩棉生产的全面自动化，有效提高了生产效率，改善了劳动环境条件。
参考文献：
[1]汤媛.PLC、DCS与现场总线控制系统的关系[J].石油化工建设，2005，（04）：58-60+63.
[2]胡毅，于东，刘明烈.工业控制网络的研究现状及发展趋势[J].计算机，2010，（01）：23-27+46.
论文作者:叶章全
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/15
标签：堆垛论文; 系统论文; 传送带论文; 岩棉论文; 控制系统论文; 岩棉板论文; 变频器论文; 《基层建设》2019年第23期论文;