西门子自动化及RFID系列产品在精铸自动制壳线控制系统的应用

冯春雨 白晓松 张鹏伟

（中航工程集成设备有限公司 北京）

Application of SIEMENS automation and RFID series products in Automatic Shell line

［摘要］ 本文介绍了西门子SIMATIC S7-300 PLC、WinCC V7.0、RF300系列RFID设备等产品在国内自主研发的全自动的精铸制壳线项目中的应用，包括自动控制、RFID、计算机监控等；结合自动制壳设备、机械手技术、精确工装定位技术实现了自动制壳线的自动控制、产品批量生产RFID、工艺参数动态数据采集，最终实现模壳自动化制造。

［关键词］ 精铸制壳线、RFID、自动控制、工艺数据跟踪

［Abstract］ This paper introduces the application of SIEMENS SIMATIC S7-300 PLC and WinCC V7.0,RF300 series products in the automatic Casting Shell line which is the domestic independent research,including automatic control,RFID recognition,computer monitor,etc.,Combined with automatic shell making equipment,robot technology,precise tooling positioning technology to realize the automatic control of automatic shell making line,product batch production RFID identification,dynamic data collection process parameters,and finally realizes the shell mould manufacturing automation.

［Key Words］ the automatic Casting Shell line RFID recognition automatic control dynamic data collection process parameters

一、项目简介

1.项目背景

随着市场需求以及环保、智能制造等环境影响，武汉华培动力科技有限公司(以下简称武汉华培动力)作为全球领先的涡轮增压器关键零部件供应商之一，在生产上提高生产设备自动化、数字化水平势在必行，作为精铸工艺中的关键工序，自动制壳线是武汉华培动力在新精铸车间建设中的必然选择。武汉华培动力经过多次的技术交流以及调研，决定采用中航工程集成设备有限公司的全自动制壳线方案，并由中航设备进行制壳线的设计、制造以及安装调试等，其中包括该线的控制系统设计、选型以及安装调试等工作。图1、图2为制壳线现场图。

图1 自动制壳线现场1

图2 自动制壳线现场2

2.设备工艺

自动制壳线是精铸生产车间内的关键工艺设备，主要由机械手、高负载夹持器、预湿桶、浆料桶、双层淋砂机、悬链输送装置、挂载工装（挂架）等组成。制壳线在运行过程中，上料环节包括在装载工位组合完成蜡件挂架，由人工将挂架旋转并推送至装载悬链工位进行装载，然后悬链输送装置步进至装载结束悬链停止，挂载工装集成RFID芯片用于后面工艺过程的识别；加工过程中，机械手根据WinCC控制系统下发的加工指令，结合RFID读写器读取的芯片信息自动抓取悬链输送装置中的蜡件并在预湿桶工位进行蜡件预湿、在浆料桶工位进行面层浆料桶沾浆、在淋砂机工位进行面层淋砂，然后自动放置到悬链输送装置，由悬链输送装置上的RFID读写器进行蜡件信息识别，并自动反馈到WinCC控制系统中。加工过程中，自动制壳线的正常运行需要由S7-300等组成电气控制系统、RF300系列的RFID信息追踪系统、WinCC上位控制系统进行集成控制，进行工件上料、加工（预湿、沾浆、淋砂）、下料、暂存等过程的精确加工执行以及信息追踪。

二、控制系统组成及功能

电气及自动化系统用于控制精密铸造制壳系统。系统参考IEC以及中国国家标准进行设计、制造、安装和调试。电气及自动化系统的设计确保整个设备控制功能的完整性、可靠性、准确性以及先进性。系统给用户预留与其他生产线连接的接口以及预留与车间管理系统连接的接口。

控制系统采用西门子公司的S7-300 系列PLC 作为控制核心，通过PROFIBUS-DP 现场总线与机械手控制系统、RFID系统等主从通信，协调机械手实现各种生产动作，采集物流跟踪数据。S7-300 系列PLC配以各种功能模块采集接近开关、对射开关等数据，并输出控制变频器、接触器等按逻辑动作。上位管理计算机与PLC CPU、空调系统、机械手控制系统通过交换机构建快速工业以太网。上位管理计算机通过组态和通信监控传输线系统、机械手系统、空调系统、物流跟踪系统、装载卸载系统等的工作。上位管理计算机组态采用西门子WinCC v7.0组态软件。图3为自动制壳线的控制系统网络拓扑图。

图3 制壳线网络拓扑图

1.PLC系统

PLC作为整个制壳线的控制核心，CPU采用S7-315-2DP信号，通过CPU自带的PROFIBUS_DP通信口与机械手进行通信。PLC CPU作为主站，机械手配以通信卡作为子站，主站与子站间采用PZD数据格式传输数据。图4为电气控制系统在现场实际应用的效果图。

图4 制壳线电气控制实际场景

PLC控制系统涵盖制壳线的全部控制以及信息传递，根据工位的功能、设备的布局以及电气控制条件，该控制系统功能主要包括：传输线控制；机械手控制；空调系统控制；物流跟踪管理；浆料、淋砂、风干系统；安全联锁；声光报警管理,如图5所示。

图5 PLC控制系统功能

（1）传输线控制

传输线主要由悬挂链输送电动机、激光传感器、光电开关、接近开关、磁性开关及电磁阀等组成。控制系统按照悬挂积放链循环运转的顺序通过PLC控制各输送电动机、止挡器与顶升装置的联合的控制过程，准确的使机械手进行装卸料的流程控制。图6所示为PLC中传输线控制程序梯形图。

（2）机械手控制（见图7和图8）

机械手控制系统作为PLC的子站进行控制，方便系统的集成性。机械手控制系统配以工业以太网网卡和PROFIBUS_DP总线子站卡，分别与上位管理计算机通信、控制核心S7-300主站通信。

（3）空调系统控制

空调采用独立 P LC 控制子站并设置通信接口。该控制子站通过通信模块与布置在室内的QAA24温湿度传感器读取温湿度参数，并与制壳线的 PLC 控制系统 （主站） 进行实时通信以进行温湿度参数的传输。

图6 PLC中传输线控制程序梯形图

图7 PLC控制系统机械手配置图

该空调独立PLC控制子站能够实现温湿度的闭环控制，使干燥室维持设定的温湿度。

（4）物流跟踪管理

PLC控制系统通过与计算机监控与模壳管理系统、RFID系统之间的协同管理，实现挂件在物流过程中的实时位置控制以及挂件加工工艺的下载与加载执行。

（5）浆料、淋砂、风干控制

浆料桶电动机采用变频控制，变频器采用西门子Micromaster系列变频器。浆料桶可自动起动和停止工作，且转速可自动或手动设定。浆料桶液位采用激光传感器检测，实现机械手沾浆深度的自动调整，并进行高低液位的报警以通知操作员需要填充浆料。浆料桶桶盖处设置接近开关，当桶盖没有被完全打开时，系统禁止机械手沾浆工作。

风干系统的风机采用分组变频控制，变频器采用西门子Micromaster系列变频器，风机转速可设定。

图8 PLC控制系统机械手编程梯形图

（6）安全联锁

安全联锁系统必须保证人员或机器不受伤害，利用接近开关、光栅传感器等电气元件与机械手、PLC控制系统实现如下功能：

· 装载站有物品时禁止卸料；

· 机械手未抓牢挂钩前不能执行移动操作；

· 浆料桶盖关闭时，机械手禁止进行浆料操作；

· 当安全门打开时，机械手和传输线不得动作；

· 在出现意外情况时方便操作员按下急停开关，停止浆料桶、淋砂机、机械手及传输线的动作。

（7）声光报警管理

声光报警管理主要根据自动制壳线的各工位的功能及物流路线，分别在定位夹、提升门、下件工位，卸载工位以及悬挂链输送线布置声光报警元器件，由PLC控制系统进行统一管理。

2.RFID系统

（1）RFID系统功能

自动制壳线采用RFID系统实现模壳跟踪功能（见图9）。RFID系统采用PROFIBUS_DP通信接口，将识别后的数据直接传输到PLC系统，需要的时候模壳管理软件从PLC系统中读取数据。模壳管理软件系统会自动地为出现在上蜡点的工件选择正确的配方。系统保存所有的制壳配方。每个工件号码针对每层涂层有一个合适的沾浆配方，加上需要的最小的干燥时间。

图9 RFID系统在自动制壳线的应用业务流程图

（2）RFID系统组成

RFID系统分为控制器、读写头和载码体。在装卸载位置、干燥室的进入悬挂链入口分别设置读写头，用来读写经过出入口的模壳的挂架编号。在每个挂架上设置载码体。其硬件组成如表1所示。

表1 RFID系统硬件组成图

西门子RF300系列的参数包括：

· 写/读间距：最大至 0.2m；

· 频率：13.56MHz；

· 标准：ISO 15693；

· 最大容量：64KB。

根据自动制壳线的工艺设计以及节拍要求，需要选用具有快速采集周期、数据量满足要求的RFID产品。根据产品选型调研以及研究结果发现，西门子的RF300系列是自动制壳线的RFID系统的最好选择，选型依据包括：

· RF300系统具有最快速的数据采集，缩短了周期时间，从而提高了生产效率；

· 通过通信模块与 SIMATIC S7-300 连接的解决方案成本比较低；

· 读取装置和标签之间的高速数据传输（最大速度为 8000B/s）；

· 在对速度和数据量要求较高时可采用写入/读取装置与 SIMATIC、PROFIBUS、PROFINET 或 PC 及其他厂家的控制器相连的解决方案；

· 适用于机械制造中的轨迹跟踪传送设备、电动悬挂传送带等工业场景。

根据自动制壳线物流具有精准定位、多工位识别、多工件随意装卡等柔性加工的特性，以及蜡壳工件识别信息的唯一性，以挂件工装配合RFID作为唯一识别码，分别在悬链输送线的进线工位和上下料的装卡工位部署RF340R，布局图如图10所示。

（3）RFID系统功能实现

西门子RF300系列在自动制壳线控制系统的集成应用，主要利用西门子TIA Portal V11对其进行配置操作。利用TIA 提供的PLC项目移植功能，结合STEP 7 的程序指令，在STEP 7编制RFID程序，通过项目移植的方法，在TIA实现对RFID的操作。

图10 RF300系列在自动制壳线的部署位置示意图

RFID系统功能实现的硬件环境包括：

· S7-300 CPU315；

· ASM456；

· RF340R；

· RF340T。

硬件设备连接原理图如11所示。

图11 西门子RFID系统示意图

RFID系统功能实现的软件环境包括：

· PC操作系统：Win7;

· TIA Portal;

· STEP 7。

在上述软件环境下，通过项目移植、硬件组态及参数配置等步骤可实现RFID系统硬件的集成应用。

3.计算机监控与模壳管理系统

（1）监控系统整体介绍

制壳线计算机软件采用西门子组态软件 WinCC V7.0进行组态，并运行于Win7操作系统下，具有模壳跟踪功能和模壳管理功能。

TIA的RFID连接配置如图12所示。

图12 TIA 的RFID连接配置

WinCC V7.0所组态出的制壳线软件界面色彩美观、直观易懂。至少包含：输入工件号码；存档模壳历史记录；接近错误屏幕；操作手动功能；监督和配合工艺过程；装载/卸载工件等功能。对于每个模壳零件，均保存工艺过程文件。且对每个模壳的位置进行跟踪并作状态报告。该系统提供工艺过程状态图形，并提醒超过极限的工艺条件。图13为软件控制系统架构图。

图13 系统架构图

（2）监控系统功能

计算机监控与模壳管理系统的实时状态监控是系统根据采集的数据以曲线和数据等直观的形式显示给操作者并允许操作者执行相关操作命令的交互界面。实时状态界面下，操作员可以实时查看制壳的全部信息，包括：系统编号，当前所处的层，预设干燥时间及实际干燥时间和温湿度曲线等数据，以及浆液粘度（手工测量录入）、浆液温度等信息。对于温湿度、风速、浆液温度等参数，采用曲线和数据等直观的方式显示。除系统总览外，系统还包含：实时数据、工艺配置、历史数据、系统帮助、系统灾难恢复、用户登录相关辅助功能、系统退出等窗体，根据系统的配置不同可能某些功能不可用或受权限管理限制。

系统数据库采用SQL Server数据库，存储信息包括：

· 铸造工件号码、工件描述、涂层的数目、每个涂层的机器人配方号码、每个涂层的最短干燥时间等模壳信息；

· 每个模壳涂层开始时的温度、每个模壳涂层开始时的时间、每个模壳涂层开始时的日期、当前温度、当前湿度等工艺过程信息。

（3）监控系统界面（见图14和图15）

图14 制壳线系统总览界面

三、项目运行及应用体会

中航设备作为自动制壳线国内的唯一供应商，设备性能对标国际标准，目前同类自动制壳线项目已在多个项目现场成功实施，并在武汉华培动力科技有限公司的精铸车间项目中正常运行，该自动制壳线项目从方案、设计等多方面得到了客户的认可，在生产节拍、控制精度等方面都满足或优于客户需求。

自动制壳线项目的控制系统调试过程中，PLC控制系统、RFID系统、计算机监控与模壳管理系统的集成应用是核心，也是难点所在。在控制系统调试过程中，其主要难点包括：

1） 西门子PLC系统如何与KUKA/ABB机械手控制子站进行集成以及指令交互；

2） 西门子PLC系统如何与RFID系统进行通信设置以及读写操作，如何实现悬链输送装置的精准定位与RFID系统、计算机监控与模壳管理系统的实时信息交互和精准执行；

图15 制壳线实时监控界面

3） RFID系统中的RF340R读写模块的位置部署，选择合理的位置去实现RF300T载体信息的快速识别与信息反馈；

4） RFID系统的通信调试，如何利用西门子一系列软件、硬件产品实现RF300系列的集成应用；

5） 计算机监控与模壳管理系统如何在WinCC软件平台实现工艺信息的实时下载，主要体现在与RF300系列的识别系统的实时信息交互过程；

6） WinCC软件平台与SQL Server的集成应用，如何配置WinCC实现工艺信息、过程信息在SQL Server数据库的存储功能。

项目进行过程中，自动制壳线设备的正常运行是机械装置与电气控制系统、RFID系统和计算机监控系统的成功集成应用的体现。其中，西门子的产品功能强大、选型多样、性能稳定、技术支持能力卓越，是项目顺利实施的有力保障，缩短了实施周期，保证了工程质量。

参考文献

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