阴极铜自动包装生产线控制及配重系统的研究(完整版)实用资料

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兰州理工大学阴极铜自动包装生产线控制及配重系统的研究（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）硕士学位论文阴极铜自动包装生产线控制及配重系统的研究姓名:林俊申请学位级别:硕士专业:机械制造及其自动化指导教师:黄建龙20210427硕十学位论文摘要我国的阴极铜板生产企业在产品包装生产中,始终使用传统的包装生产工艺,整个生产过程几乎为全人工操作,劳动强度大,危险系数高,人工分拣称量精度低,作业效率低,严重制约产品的市场竞争力。为解决这一难题,本项目综合应用机械、电子、液压、气动、精密计量、计算机控制技术等不同学科的基础理论和专业技术,通过理论分析、实验研究和计算机仿真等技术手段,对阴极铜包装作业过程中涉及到的配重、整形、压紧、打捆、精称、喷码、贴标及生产线自动控制技术进行研究,成功设计和研制了阴极铜板自动包装生产线,此生产线属国内首创。本论文对阴极铜板自动包装生产线的控制系统及其配重系统进行了研究,研究内容如下:(1生产线总体控制方案的研究:针对铜板包装生产线的生产工艺要求,由可编程序逻辑控制器(PLC控制现场检测元件和执行机构,电气自动控制系统利用PROFIBUS.DP总线构成主从式结构。工控机作为主站,主控PLC和各控制工位PLC作为从站;(2单垛铜板配重原理的研究:按期货交易所要求,高纯阴极铜每包重量为(2500士100kg。在分析铜板和现场实际情况的基础上,按单片铜板最大重量小于单包重量公差带,提出了“加一减一”的配重原理:(3配重工位机械结构的设计:按“加一减一”配重原理,设计了配重工位的机械结构,应用真空技术对铜板进行抓取,通过计算相关参数,对吸盘、装配附件和真空源进行了正确选型;(4配重工位控制系统的设计:根据配重原理设计了控制流程,利用西门子CP340通讯模块实现了称重电子秤与PLC间的数据传输和通讯,利用STEP7编程软件,设计了配重系统控制程序。通过以上的研究,提出合理的生产线控制方案,设计出可行的配重机构及控制系统,为生产线的研制提供了理论和设计依据。关键词:自动包装生产线:PROFIBUS;S7.300PLC;配重;真空系统;CP340AbstractInourcountry,manufacturingenterprisesofcathodecopperplatealwaysusethetraditionalpackingmanufacturingprocessduringtheproductpackingandproducing,thetotalmanufacturingwasalmostoperatedbymanual,1abor—intensiVe,high。risk,thepooraccuracyofwei曲ingwithmanualitscompetitionabilityinmarket.selecting,andinefficient,andalltheserestrictInordertosolvethisproblem,theprojectteamusedthebasictheoryandspeclaltytechnologyofdifferentsubjectssuchasmechanical,electronic,hydraulic,pneumatlc,precisionmeasurement,computer.controlledtechnology.Coumerbalance’shapmg,compacting,packaging,weighing,Coding,1abelingandmeauto。controlducnon1inewerestudiedthroughtheoryanalysis,experimentalresearchandcomputersimulationandsoon.Thecathodecopperplateauto-packingproductionlinehadbeendesignedsuccessf.u11yandthisproductionlineisinitiatedinourcountI.yflrstly・Inthispaper,thecontrolandcounterbalancesystemofcathodecopperauto-packingproductionlinewasstudied.Thedetailcontentwasshowedasfollows:(1TheresearchonproductionlinecontrolschemeAccordingtotheproductionprocessrequirementofcopperpIatepacklngproductionline,thescenemeasuringcomponentsandexecutlngmachlnewerecontroUedbyPLC.Theelectricauto・controIsystemadoptedmaste卜slaVestructurewhichiscOnstructedbyPROFIBUS—DP.Theindustrialcomputerwassetasmasterstation.andmastercontrolPLCandeachoperationcontrolstationweresetasaslaVestation.(2Theresearchonthecounterbalanceprincipleofsingle‘stackcopperplateAccordingtotherequirementoffuturesexchange,theweightofhi曲’purmedcathodecopperwasset(2500士1OOkgperbag.Thecounterbalancepnnclpleot・・addingone,subtractingone’’wasbroughtforwardbythetolerancezonethatmaxweightofsinglecopperplatewaslessthantheweightofsinglebagofcopper,baslngonanalyzingcopperplateandlocalesituation.(3ThedesigntomechanismofcounterbalancestationThemechanismofcounterbalancestationwasdesignedonthecounterbalanceprincipleof“addingone,subtractingone,,.ThetechnologyofVacuumwasusedtosnatchcopperplate.Besides,style-choosjngtocupules、assemblIngaccessorles、vacuumsourcewasmadepreciselythroughrelatiVeparametercalculatlng・¨硕十学何论文(4ThedesigntocontrollingsystemofcounterbalancestationThecontrollingflowwasdesignedonprincipleofcounterbalance.ThecommunicationmoduleSiemensCP340wasusedtorealizethedatetransmissionandcommunicationbetweentheelectronicscaleandPLC.TheprogrammingsoftwareSTEP7hadbeenusedtodesignthecontroUingprogramofcounterbalancesystem.BasingontheresearchaboVe,reasonablecontrolprojectofproductionlinehadbeenbrou曲tforward,andalsofeasiblecounterbalancemechanismandcontrolsystemhadbeendesigned,soastooff色rtheoryanddesigngistf.orthedeVelopingofproductionline.KeyWords:auto-packingproductionline;PROFIBUS;S7-300PLC;Vacuumsystem;CP340阴极铜自动包装,E产线控制及配蓐系统的研究插图索引图2.1阴极铜板包装工艺流程图………………….5图2.2阴极铜板自动包装生产线整体布局图…………5图2.3配重机示意图…………..6图2.4整形机示意图……..……7图2.5压力机示意图…………..7图2.6打捆机示意图…………..8图2.7步进梁示意图………….10图2.8阴极铜板自动包装生产线…………………10图3.1PROFIBUS—DP与PROFIBUS—FMS……………..13图3.2PROFIBUS结构协议图……15图3.3阴极铜板包装生产线控制系统结构图………..15图3.4模块式PLC逻辑框图…….17图3.5主控PLC机架结构框图…………………..17图3.6控制任务解决流程图…….20图3.7STEP7程序调用流程图………………….20图3.8输送链运行逻辑图………2l图3.10上位机监视界面……….23图3.11浏览生产数据界面……..23图4.1配重系统控制流程图…….25图4.2机械手手部按夹持原理分类……………….26图4.3真空吸盘控制系统………27图4.4气流负压吸盘原理图…….28图4.5挤气负压吸盘………….28图4.6配重机械系统总体结构示意图……………..29图4.7自动包装线配重工位…….30图4.8吸盘吸取铜板垂直运动受力示意图………….32图4.9吸盘吸取铜板水平移动受力示意图………….32图4.10真空系统装配、安装附件………………..33图4.11真空发生器气压回路图………………….34图4.12真空发生器在6bar的工作压力下抽空1升容积所需的时间………35图4.13VADMI系列真空发生器耗气量Q和工作压力P之间的关系……….36图4.14配重工位真空系统……..37IV硕十学何论文图4.15抽空时间t。和真空度Pu之间的关系………..图4.16阴极铜板表面情况……..图4图4图5图5图57真空泄漏测试系统……..8真空搬运技术现场试验………………….配重机构动作流程图…….电子秤工作原理图………SCS系列电子地上衡…….37383839404244图5.4PLC与称重显示仪表连接示意图……………47图5.5RS一232信号接线图……..48图5.6PtP协议在IS0参考模型中的位置………….48图5.7组态CP340一RS232模块…………………..49图5.8设置CP340一RS232C模块参数………………49图5.9设置通讯协议类型………50图5.10CP340模块ASCII参数设置………………50图5.11采集称重数据流程图……51图5.12调用发送程序块FB3……52图5.13调用接收程序块FB2……53图5.14通讯测试软件SSCOM32………………….54图5.15数据块DBl0接收到的数据……………….54图5.16数据在SSCOM32接收窗口中的显示…………54图5.17配重操作按钮及I/O地址………………..56图5.18PLC外部接线图……….56图5.19081程序结构…………57图5.200Bl00初始化程序……..58图5.21FC3程序结构…………59图5.22自动配重程序顺序功能图………………..60V阴极铜自动包装牛产线控制及配藿系统的研究附表索引表3.1PROFIBUS—DP的主要技术指标……………..14表4.1铜板相关参数………….30表4.2生产工艺对系统的要求…………………..30表5.1显示仪表与传感器间推荐最长电缆长度………45表5.2D插座管脚与信号名称…………………..45表5.3通讯模块与协议间对应关系……………….46表5.4FB3“P—SEND"的参数设置表………………52表5.5FB2“P—RCV"的参数设置表…………….…53表5.6符号表……………….55VI兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:碾经1日期:二啡4月27日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》,并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名:/I陈.f垒导师签名:前壶龙日期:劬夕年日期:少夕年4月上7日乒月矽日硕十学付论文第1章绪论1.1课题来源本课题来源于甘肃省科技重大专项(编号:0801GKDA052,项目名称:阴极铜自动包装生产线。该生产线是兰州理工大学针对金川公司目前阴极铜板包装作业技术及装备现状而设计开发的。1.2课题研究的目的和意义铜是应用历史最古老的金属,从史前社会开始,人类就已经开始采掘露天铜矿,制造各种原始工具、器皿和武器。随着社会的进步和科技的发展,铜已成为重要的工业原料,广泛应用于国民经济各领域,其需求量持续增长。相关数据表明,中国已成为世界上铜材生产、进出口和消费大国。金川集团是集采、选、冶、化配套的大型有色冶金、化工联合企业,是全球同类企业中生产规模大、产品种类全、产品质量优良的公司之一。主要生产镍、铜、钴、稀贵金属、有色金属粉体材料、压延及盐类产品和硫酸、、亚硫酸钠等无机化工产品。金川镍矿是世界著名的多金属共生的大型硫化铜镍矿床之一,位居世界同类矿山第二位,铜金属保有储量位居中国第二位,同时伴生钴、铂、钯、锇、钇、钌、铑、硒等稀贵元素,是中国三大资源综合利用基地之一,是中国最大的镍钴生产基地和铂族金属提炼中心。镍和铂族金属产量占全国的90%以上,被誉为中国的“镍都”。2006年11月,金川公司年产20力.吨铜电解工程建成投产,首批大板高纯阴极铜出槽。这标志着中国最大的镍生产企业、北方最大的铜生产企业一金川集团已形成年产40万吨阴极铜的精炼能力,铜冶炼规模和技术居国内先进水平。近年来,金川公司围绕优化生产工艺、调整产品结构、推广信息技术、加强环境保护等四个主攻方向进行技术创新。其中在阴极铜生产工艺流程关键技术的研究方面(采矿、选矿、熔炼相继取得了一批具有自主知识产权的标志性成果【¨。2007年9月,金川集团JNMC高纯阴极铜入选2007年中国名牌。但在铜包装生产环节,还未进行有效的技术改造和技术创新,尚未形成成熟的技术,也没有高效可靠的专用装备。包装作业区中间物料倒运全部靠叉车,叉车交叉作业严重,人工气动捆扎钢带所需操作人员多且劳动强度大、危险因素多,与叉车配合作业也不能保证长久持续作业,影响包装速度和质量。特别是在阴极铜板的配重系统方面,铜板的分检、配重基本靠人工操作,而且受人为的因素影响有时还会出现漏称或者误称现象,按(LME伦敦金属交易所要求,高纯阴极铜每包重量为(2500士100kg,人工分检严重制约着包装生产,是包装工艺的瓶颈I;月极铜自动包装生产线控制及配重系统的研究部分。整个包装生产过程中毫无自动化程度可言,与金川公司目前的生产规模与总体技术水平极不协调。为了满足金川公司提高铜板包装效率和扩大市场的需求,对铜板自动包装生产线的开发势在必行。本课题的实施,不仅能实现阴极铜包装作业的机械化、自动化,从而提高阴极铜包装作业的生产效率、降低作业人员的劳动强度、提升阴极铜加工技术装备的整体水平。同时,能更好地符合国内铜板生产企业完善阴极铜包装规范、进一步满足期货市场关于阴极铜期货交易包装标准,从而提高国内铜板生产企业在国际市场上的竞争力。1.3国内阴极铜包装生产现状1.传统手工作业进行包装国内大部分阴极铜生产企业,如金川公司精炼厂、白银有色(集团铜业有限责任公司、安徽铜都铜业第二冶炼厂等等,在阴极铜板包装生产过程中,仍然运用传统的工艺设计,将阴极铜的电解生产作业和打包包装作业独立进行,设置单独的打包作业区。包装作业大多依靠天车、叉车等通用工具进行人工作业【21,配重过程采用台秤称量,人工读数、记录,并且全人工操作进行铜板加减配重,劳动强度大,危险系数高,称量精度低,作业效率低。这些企业无法将包装工艺与电解工艺整合为一个完整连续的系统,只有在现有包装作业区进行技术改造和更新。2.引进国外阴极铜生产线与国内铜板包装不配套江西铜业公司、铜陵有色金属公司通过重点改造扩建项目的实施,技术装备水平及生产效率明显提高,包装生产线达到国际先进水平。这些企业采用了世界上最先进的铜冶炼和加工技术与装备,如奥托昆普闪速熔炼等,使一批铜冶炼企业工艺技术装备达到了国际先进水平。这些具有国际先进水平的技术装备均系国外全套引进(如芬兰Outokumpu公司、日本住友金属矿山株式会社。通过技术装备的引进使作业方式完全改善,作业方式将阴极铜的电解、堆垛、配重包装整合在一条立体化生产线上,全部作业流程形成一个时问和空间上连续的系统【3】,并不存在独立的包装作业区。生产效率和自动化程度极高,但是,引进国外阴极铜生产线与国内阴极铜包装生产不能配套。我国大多数阴极铜生产企业都无法将包装工艺与电解工艺整合为一个完整连续的系统,均面临着技术改造,设备重建等问题,特别是包装生产线的研发更是势在必行。只有对现有的包装作业区进行改造和更新,才能满足行业的发展要求。配重系统作为包装生产线的重要组成部分,是衡量生产线改造的关键。通过全套引用国外的生产包装设备,投资极大,不能根本解决现有的问题,更不利于我国自主研发与创新,也不符合中小型企业的现状。若能自主研制出一套可行的2硕十学何论文包装设备,最终将对我国冶金行业的发展起到积极的影响。1.4国外阴极铜包装生产现状目前以全球第一大铜生产商,Codelco(智利国家铜公司为代表的世界上阴极铜生产厂家均采用集成工艺,立体化作业:从电解到包装为一完整而且在时空上连续的系统。其技术的发展方向是:改变过去传统的分段式生产模式,不断压缩热加工空间,努力实现生产从原料至成品的连续化,从而实现节省金属消耗、能源消耗和生产无公害。同时,世界阴极铜工业未来的发展趋势是运用高新技术和先进适用技术对铜加工生产技术与工艺进行技术改造。而自动配重系统的发展趋势是正向着在线式、高精度、模型化、数字化、微机智能化以及系统化、集成化方向发展。1.5自动配重系统和称重、计量技术的现状自动配重称量系统是一种新型的配料称量系统,不能等同于单纯的称重计量系统,为了达到称量的目标值需要由配重系统本身完成物料的给料过程,而不单单是对己有物料的称量【4】。它将定量给料、称重计量系统等采用分布式控制系统的方式集成为一个完整系统,系统在运行中将所称得的实际重量随时与按生产工艺要求预置在控制仪器中的理论需求重量相比较,并自动调整给料设备,对给料量进行实时调整和补偿,使得实际给料量紧紧跟踪预置量,其差值在一很小范围内,这个差值与预定值的百分比就是给料精度f5】。根据生产工艺要求,如需改变给料量,可以从键盘输入或自动输入新的预置量,定量给料系统就会立刻自动跟踪这个新的预置量,自动调节电气控制设备,使系统的给料满足预定的要求。称重计量技术在工业领域具有广泛的应用背景,称重计量技术在经历了机械式、模拟式、电子化、数字化及微机智能化称量等的时代之后,至九十年代,已进入集成化称重计量、模型化称重计量的新时代。数字化、集成化称量技术的产生与发展是人类称重计量发展史上的重要里程碑,这是随着生产过程自动化而提出的。随着工艺过程自动化的不断发展,称重越来越失去它作为单件计量器具的意义,而变成了调节和控制过程中的一个重要环节,通过称重所得的信息来控制和调节工艺流程,为经济核算提供重要的数据。在称重过程中最初以模拟方式获取称重结果,为了将模拟量转变成所需的数字信号,并根据所得信号进行控制操作,随后便产生了许多工业部门用计算机控制生产过程。于是,称重计量往住成为获得过程参数的决定性的测量环节【6】。在许多应用场合中,需要称重计量能够接受检定,以求在获取量值、处理和记录量值方面都能保持较高的测量准确度【7J。近来,利用称重传感器获得称重模拟信号,对信号进行相应的滤波放大,再阴极铜自动包装生产线控制及配重系统的研究采用模数转换器把模拟量转换成数字量,借助于微处理器,能够把量值获取和处理等组件集成起来,利用软件程序来充分发挥高度集成的电气电路的效能【8J。因此,这种技术路线的重点从硬件移到软件上,特别是在自动称量技术中,称量软件对未来称量技术的发展起着日益重要的作用,通过优越的软件设计,便能使系统的硬件得到充分的发挥,使系统达到最佳状态。实现对重量的计量和生产的自动化控制。在国外,对定量配重称量技术的研究比较深入,已有高度自动化的定量配重称量设备,一些动态精密称量的技术突破,逐步实现了智能化测量,称量技术已经跨入了高技术时代。国内配重计量技术在国家的大力支持下,虽然也取得了很大的发展,就产品的品种、技术水平及质量而言,动态电子轨道衡、电子汽车衡、电子皮带秤、电子计价秤等,基本达到了国际同类产品的水平。但是自动衡器中的电子定量包装秤、非连续和连续称量自动秤、重量检验秤、重量分选秤等设备在控制精度、稳定性方面仍比较差,还与国际有一定的差距,致使我国要进口很多的称重计量装置【9】。1.6本课题主要研究内容根据企业和市场对铜板包装生产线的需求,针对金川公司目前阴极铜包装作业的技术及装备现状,综合应用机械、电子、液压传动、精密计量、计算机控制等不同学科的基础理论和专业技术,通过理论分析、实验研究和计算机仿真等技术手段,对阴极铜包装作业过程中涉及到的计量、配重、整形、致密、贴标、自动打包、标识印制及生产线自动控制技术进行研究,完成铜自动包装生产线总体方案的设计。在此基础上开发能完全满足金川公司阴极铜自动包装作业要求的成套装备,并直接应用于生产实践。本论文对阴极铜自动包装生产线的控制系统及其配重系统进行研究,具体研究内容如下:1.铜板自动包装生产线总体控制方案的研究;2.单垛阴极铜板配重原理的研究;3.配重工位铜板抓取系统的设计;4.配重工位机械结构设计;5.配重工位电子秤与可编程控制器(PLC通讯的建立;6.配重系统控制程序的设计。4硕十学伶论文第2章铜板自动包装生产线概述2.1铜板自动包装生产线的功能要求经过对铜板包装作业工序的研究和对国外同类产品的借鉴,确定了铜板包装生产线的功能要求和设计目标:将铜板包装所有的必要工序(上料、配重、整形、压紧、打包、精称、喷码、贴标、卸料依次整合在一条作业线上,自动完成打包作业。生产线总体结构由链式输送机、各工位专用设备和步进梁组成,上下料由叉车配合完成。2.2铜板自动包装生产线的生产流程根据用户(金川公司精炼厂包装车间生产流程,确定阴极铜板包装工艺如图2.1所示。其中成品阴极铜板来自电解铜车间,阴极铜板运至成品车间进行包装作业,包装作业完成后,由叉车卸料入库。图2.1阴极铜板包装工艺流程图在生产流程中,除上料和卸料为人工作业外,所有工位均为机械化作业。铜板包装工艺流程是进行设备选型和机组布局的依据。2.3铜板自动包装生产线的组成及工位动作根据铜板包装生产流程,生产线整体按直线型布局,由上料、配重、整形、压紧、打包、精称、喷码、贴标、卸料工位组成,如图2.2所示。图2.2阴极铜板自动包装生产线整体布局图5阴极铜自动包装生产线控制及配重系统的研究1.上料工位上料工位由剪叉式升降台和定位挡块组成。叉车将被包装铜垛放置在带有定位挡块的升降台1上,然后叉车退回,升降台下降,将被包装铜板落放在输送链上,同时向控制系统发送“上料结束”信号。为安全起见,叉车没有退回到安全位置时,升降台不能下降,也不能发送“上料结束”的信号。若控制系统收到“上料结束”的信号,则根据具体情况发出输送链开始运动的指令,输送链按预定步距自动运行。2.配重工位配重机是包装生产线的关键设备之一。配重工位主要由电子台秤、升降台、带有真空发生器的真空吸盘、水平液压缸、垂直液压缸、移动小车、和辅料架组成,如图2.3所示。输送链运行一个步距后,自动停止,被包装铜板进入配重工位。安装在电子秤上的升降台2自动升起,配重机构对被包装铜板进行配重。使其满足铜垛重量为(2500士100kg的要求。配重完毕后升降台2自动下降至原始位置。同时向控制系统发送“配重结束”信号。图2.3配重机示意图卜电子台秤:2.升降台;3.真空吸盘;4.液压缸;5.液压缸;6.移动小车;7.辅料架3.整形工位整形机的作用是将随机堆放的阴极铜垛四边整理整齐,使其水平截面基本呈矩形。主要由液压缸、滑动推板、升降台和转盘组成。被包装铜板进入整形工位后,升降台升起,将被包装铜垛抬起脱离输送链。双向液压缸直接驱动滑动推板进行整形,之后,旋转工作台自动旋转900,两液压缸再次同时前进,进行另一边整形,双边整形完毕后,升降台自动下降至原始位6硕十学位论文置,并向控制系统发送“整形完成”信号。为提高机架的刚性将左右机架通过横梁相连,如图2.4所示。2345图2.4整形机示意图1.液压缸:2、3.滑动推板;4.横梁;5.液压缸;6.机座;7.转盘;8.升降台;9.机座4.压紧工位由于阴极铜厚度和平面平整度的不规则及吊耳的影响,自然堆放时的阴极铜比较松散,垂直截面呈梯形,直接捆扎后体积较大且不美观。因此采用压紧致密的方法改变单垛阴极铜垂直方向的密度与平整度,使其外观基本呈立方体。压力机主要由上横梁、下横梁、滑动梁、压模和液压缸组成,图2.5为压力机示意图。被包装铜垛进入压紧工位后,下动式四柱压力机滑动横梁在液压缸的作用下带动压模上行,将铜垛抬起并压紧在压力机上方固定横梁处,保压预定时间后滑动横梁下行至起始位置,铜垛自动落放在输送链上,并向系统发送“压紧结束”信号。图2.5压力机示意图l一上横梁;2.铜垛;3.压模;4.立柱;5.滑动梁;6.下横梁;7.液压缸7阴极铜自动包装生产线控制及配重系统的研究5.打包工位打捆机又名扎捆机,是铜板自动包装生产线上的重要设备,自动捆扎技术是影响生产线正常工作的关键技术之一。自60年代以来各国竞相展开了对打捆机的研制。如瑞典的SundBirsta公司相继研制了不同类型的线、棒及型材打捆机,该公司研制的KNRA型打捆机主要应用于对棒材、型材、钢管以及盘条的打捆。日本渔川工业公司自1959年以来,主要致力于轧钢精整设备自动化方面的研究,研制了TO系列自动打捆机,可捆扎圆钢、型钢、管材及盘卷。这些产品广泛应用于钢铁、有色金属等行业,但这些设备价格昂贵,一套适用于阴极铜的全自动捆扎系统约20万欧元以上。国内部分钢铁企业于80年代从国外引进过打捆机,但由于技术的保密以及设备备件的原因,均没有达到预期的效果。经过技术调研,项目组与延边龙川包装机械联合开发了适用于阴极铜板自动包装生产线的全自动钢带打捆机。主要由回转升降台总成、穿带槽小车总成、机头架总成、导带轮总成、储带机总成等组成,图2.6为打捆机示意图。当铜垛进入打包工位后,输送链下方液压缸带动打捆托台将阴极铜垛抬起,穿带溜槽小车前进后封闭穿带溜槽,钢带在气动马达的带动下实现自动穿带,并由编码器控制送带长度,由机头进行钢带拉紧与合扣,完成首道钢带捆扎。之后,机架在底部气缸推动下沿输送链方向前移一段距离,按上述动作程序完成第二道钢带捆扎。再由回转打捆托台将阴极铜垛旋转900,按相同动作程序先后完成第三、四道钢带捆扎,最终形成“井”字形捆扎,并向系统发送“打包结束”信号。图2.6打捆机示意图卜板垛提升总成;2.900M转机总成:3.侧升降总成;4.穿带槽小车总成;5.右穿带溜槽总成;6.机头总成:7.左穿带溜槽总成:8.机头架总成;9.机架总成:lO一导轮机座总成:l1.导带轮总成;12.汁长装置总成;13-储带机总成;14.捆带机总成6.精称工位8硕十学何论文精称工位是铜垛出料后的准确计量工位,该工位的晟终数据将通过工控机上传到计量中心,它是由托利多.梅特勒电子秤和秤架组成,称重系统采用叠秤复检方式(上秤为主秤,下秤为副秤。当铜垛进入出料工位时,步进梁将在进退液压缸的带动下前进,前进到位后,步进梁被升降液压缸带动上升,将已打包铜垛抬起脱离输送链,然后再由相应的液压缸带动步进梁后退到位、下降到位,最后将铜垛落在精称工位的秤架上。当铜垛在秤架上放置预定时间(消弱冲击影响后,系统将采集电子秤上的稳定数据。控制系统同时采集到两台电子秤的数据,而且两台电子秤称重数据不一定完全相同。此时控制系统要对两个数据进行比较判定,若两个数据之差不超过1kg,则本次称重有效,并以主秤数据为最终称重结果;若两个数据之差超过1kg,则发出“称重无效”的报警信号,此时需要操作人员对电子秤系统进行重新标定或停机维修。7.喷码、贴标工位阴极铜作为金川公司主导产品之一,其产品标识主要包含产品商标、公司名称、生产批号、单垛重量等信息。上述信息可分为固定不变信息和实时可变信息两大类。固定不变信息指生产过程中相对不变的信息,如产品商标、公司名称等,实时可变信息指生产过程中实时发生变化的信息,如净重等。步进梁将铜垛从精称工位抬起到位后,铜垛随步进梁向后一工位移动,当铜垛边缘进入喷码工位,安装在喷码机喷头处的传感器检测到铜垛后,各喷头将按照预定的设置在铜垛继续移动的情况下开始喷墨。当喷墨结束时,铜垛已触发贴标机并开始工作。最后步迸梁将铜垛落在输送链上,并向系统发送“喷码、贴标结束”信号。其中固定不变的信息事先由喷码机和贴标机操作键盘置入,实时可变信息由配重工位和精称工位经可编程控制器(PLC和数据采集卡传送给工控机,工控机再将信息综合处理后传送给喷码机和贴标机。因标签上含有实时可变信息和此类贴标需非接触、高速贴在铜垛上,贴标机采取即打即贴、吹气式的工作方式。标签是适用于各种材质的不干胶。喷码机动力来源于压力泵,油墨为金属油墨。贴标机动力来源于空气压缩机。8.卸料工位卸料工位主要由步进梁组成,图2.7为步进梁示意图。步进梁将铜垛依次从精秤、喷码、贴标工位移到卸料工位,当铜垛进入卸料工位后,叉车将铜垛卸下。卸料工位设有安全保护措施,当操作人员没有将铜垛从生产线上卸下时,输送链不能运动。9!:翟耄:2兰兰兰:鏊誓掣兰::詈至誓譬翟互图27步进梁示意图1、2.四连杆机构:3.步进粱;4、5-液压缸.6-侧支梁阴极铜板自动包装牛产线已完成现场安装调试,并进行试生产,图28为现场照片。窭2.4主要技术参数l阴极铜板参数外形尺、』t睁片重量每包重量每包精度图28阴极铜板自动包装生产线2包装生产线技术参数_产能力]。位步距工位定位精度运输机速度运输机电机功率液压最大]J作压力气压最大工作压力1030mm×1000mm×】5mm(140±l0kg2500kg±100虹75t,h2200mm30m/min92kw14MPa06MPa硕七学位论文2.5本章小结本章主要介绍了铜板自动包装生产线的设计功能要求、铜板包装作业流程和铜板自动包装生产线的组成,描述了生产线各个工位动作过程,对生产线的主要技术参数进行了阐述。阴极铜臼动包装生产线控制及配重系统的研究第3章铜板自动包装生产线控制系统3.1总体控制方案的确定铜板包装生产线全长约20米,由八个工位组成,具有设备多、距离远、现场分散等特点,在控制方式实施过程中,从技术先进、控制系统结构简单、运行可靠、维修方便以及节能的角度出发,来设计控制系统【10】。项目组采用分布式控制系统…】【121,生产线的控制操作系统分布在3个操作台上,即:主操作台、压紧操作台、打包操作台。尽管系统操作分布在三个操作台上,但它们仍是一个整体。随着数字微电子技术的迅速发展,新的控制技术不断涌现,在现场环境下安装的自动化设备,如传感器、调节器、发送器、触摸屏、驱动器(调速器及可编程控制器(PLC等,越来越多地使用了串行现场总线网络技术在这些设备之间进行信息交换,即通讯。目前,在现场总线网络这一领域内,存在着各种各样的网络标准,这些网络大都是严格保密且互不兼容的,而网络总线是自动控制系统重要的组成部分。为了打破生产厂家的通信系统互不兼容的问题,我们选用了一种开放的、不依赖生产厂家的通信系统“PROFIBUS”。3.2PROFIBUS结构方案的选择3.2.1PROFIBUS总线的主要特点及组成1.PROFIBUS的主要特点各种各样的自动控制设备,如可编程控制器(PLC、计算机(PC、执行机构,监视屏甚至传感器和驱动器等,均可通过同样的接口交换信息。PROFIBUS是应用比较广泛的开放现场总线,它在广泛的领域内得到了应用,其主要特点为:(1开放性。PROFIBUS保证带有PROFIBUS接口的产品不需要附加的协议转换均可互相通信。(2不依赖生产厂家。为数众多的生产厂家提供优质的PROFIBUS产品,用户可根据生产需求自由选择合适的产品。(3应用广泛。PROFIBUS是成熟的技术,它已在广大的范围内(加工业、过程自动化、智能大楼、自动控制等得到了应用。目前己经有几百家厂商为迅速增大的市场提供产品。2.PROFIBUS的组成PROFlBUS目前有三种互相兼容的模块构成【13】:12硕十学何论文‘Pc工厂管理系统/\<\1豫oF舢s-FM8I/>N沙PCl主站主站PLclj从站I现场设备ll传感器ll操作单元Il驱动装置1从站图3.1PRoFIBUS-DP与PRoFIBUS・FMS(1PROFIBUS.FMS在工业现场通信当中,这是最通用的模块FMS提供大量的通信服务,用以完成以中等传输速度进行的循环和非循环的通信任务。(2PROFIBUS.DP一种优化过的模块,适用于对时间要求苛刻的场合,而在自动控制系统和外围设备之间进行通信,用以取代布线复杂的24V及4~20mA并行信号线【14】,如图3.1所示。(3PROFIBUS.PA用于对安全性要求较高的过程自动化场合及由总线供电的站点。由于对自动化设备之间实时性要求比较高,所以一般采用PROFIBUS.DP网络。3.2.2PROFIBUS.DP的主要技术指标PROFIBus.DP被设计用在现场控制级的高速数据传送。在这一级,控制器如可编程控制器(PLC通过高速串行线同分散的外设交换数据。同这些分散外设的数据交换是周期性的。中央控制器(主读取从设备的输入信息并发回输出信息。保证总线循环时间比控制器的程序循环时问短是很重要的,对很多应用程序循环时间大约为10ms。PROFIBUS.DP的主要技术指标如表3.1所示。13化化化动动动自自自般工程一Ⅱ+￡~加过S蹦卵队SSSUUUBBBFFFOOORRRPPPSTJUBFORP阴极铜自动包装生产线控制及配重系统的研究表3.1PROFIBUS.DP的主要技术指标技术指标内容备注传送距离还可用中最大距离12Mbi“s时100m,1.5Mbit/s时200m与速度继器加长1支持单主或多主系统。介质存取2最大站数为126(主或从设备。1一对一(用户数据传送或群播(同步。运行时输入通信方式或输出数据的循环传送。2循环主一从用户数据传送或非循环主一主数据传送。接线1某一站或退出不影响其他站。和安装2可靠和易于安装的双导线传输技术。说明:在一个有着32个站点的分布系统当中,输出数据在1.5Mbit/s时需要6ms,在12Mbit/s时需要2ms。3.2.3PROFIBUS总线访问协议基于ISO/oSI参考模型中PROFIBUS.DP的结构模型【15】【161,PROFIBUS.DP使用了第l层、第2层和用户层。第3层到第7层未使用(这些层必要的功能在低2层或用户层中实现,这种精简的结构确保高速数据传输及较小的系统开销。物理层采用RS.485标准,规定了传输介质、物理连接和电气特性。PROFIBUS.DP的数据链路层称为现场总线数据链路层(FDL,FieldbusDataLinklayer,包括与PROFIBUS.FMS,PROFIBUS.PA兼容的总线介质访问控制MAC以及现场总线链路控制(FLC,FieldbusLinkContr01,FLC向上层提供服务存取点的管理和数据的缓存。第1层和第2层的现场总线管理(FMAl/2,FieldbusManagementlayerland2完成第2层特定总线参数的设定和第1层参数的设定,它还担负完成将这两层出错信息的上传的任务。PROFIBUS.DP的用户层包括直接数据链路映射(DDLM,DirectDataLinkMapper、DP的基本功能、扩展功能以及设备行规。DDLM提供了方便访问FDL的接口,DP设备行规是对用户参数含义的具体说明,规定了各种应用系统和设备的行为特性。PROFIBUS结构协议如图3.2所示。PROFIBUS总线访问协议是一种混合的协议,包括主站之间的令牌传递方式(TokenPassing和主站与从站之间的主从方式(Maste卜Slave。主站在一个限定的时间框内(令牌占有时间有总线访问权。从站仅按照主站的询问做出应答,它没有总线访问权。主、从站在任何时候都可以增设或拆除。之后,现场总线数据链路层(FDL将自动对令牌环(TokenRing重新组态。令牌传递方式保证了每个主站有足够的时间来完成它的通讯任务。令牌循环时间是由用户事先规定的。PROFIBUS总线访问协议可以监测传输14硕十学何论文r吣、<。P二rPA、、、~—,/\、./I●李。JIJ。3。l◆DP行规PA行规1『1rFMS设备行规DP扩展功能1rDP基本功能现场总线信息规范未使用现场总线数据链路IEC接口Rs.486,光纤IEC1158.2图3.2PRoFIBUS结构协议图介质,识别收发器是否有故障,检查站点地址是否出错以及识别令牌错误(如多个令牌、令牌丢失、传输错误和所有其他可能出现的网络故障。3.2.4PROFIBUS总线方案选择针对铜板包装生产线的生产工艺要求,电气自动控制系统采用由PROFIBUS.DP构成主从式结构。工控机作为主站,各操作控制站作为从站。上位机采用台湾研华工业控制计算机,实现对整个生产过程的监控、产量的统计、各种报表的打印、故障报警等功能,也可与全厂信息中心联网,实现企业生产流程的有效管理。如图3.3,PROFIBUS作为现场一级通讯网络【17】【181,完成现场自动化设备和中央控制器之间双向、高速、实时数据通讯。图3.3阴极铜板包装生产线控制系统结构图15层层,毋一呀㈤i|§学阴极铜自动包装生产线控制及配重系统的研究其中,西门子S7.300可编程控制器(PLC为主控PLC,压力机工位和打包机工位控制系统分别配置西门子S7.200系列PLC。3.3生产线电气控制系统铜自动包装生产线由可编程控制器控制柜、打包机电控系统、压力机电控系统、操作台、液压站、计算机控制室等组成。整个控制系统根据实际工艺要求可以认为由两大部分组成,一部分以可编程控制器(PLC为控制核心,主要完成上料、配重、整形、压紧、打包、步进梁及输送链的各种运动控制。而另一部分以工控机为控制核心,配以适当的低压电气元器件、先进的检测器件等硬件,同时通过上位工业控制计算机程序软件设计,控制喷码机、贴标机等机构一方面准确严格地根据固定和可变生产参数形成喷码、贴标数据,控制正确的喷码和贴标,另一方面该部分和整个生产线上称重工位、每包铜板片数记数等其他关键生产部位紧密联系、协调动作,形成动态的实时生产数据,并以此按照要求进行生产数据管理统计和报表输出,从而从生产层面和管理层面都实现铜包装自动化。3.3.1PLC控制系统整个生产线的PLC控制柜有三个,分别是:主控制PLC控制柜;压力机控制柜:打包机控制柜。硬件组成1.主控PLC控韦0柜本自动包装生产线是典型的顺序控制生产线,现场有很多的检测元件和执行机构,逻辑关系复杂,动作实现难度大,I/O点数200多个。项目组决定用PLC来控制整条生产线的机械动作。可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController简称PLC【17】【191,主要用于代替继电器的逻辑控制。当前,在工业生产的自动化控制领域,无论是从国外引进的自动化生产线,还是自行设计的自动控制系统;无论是新建工程项目,还是旧设备的技术改造,大多都采用先进的控制设备一可编程序控制器。目前,可编程序控制器以其高可靠性和一系列独特的优点,在自动化领域已形成了一种工业控制趋势。它是一种取代传统电控设备的新型电子设备,并且有着传统电气不可比拟的优点。能不能实现自动化,所采用的电气设备起着决定性作用。从总的趋势和生产维护的角度看,使用新型电气设备时的投资比使用传统电气设备时低,并且使用起来的方便性、可维修性及可靠性要比传统电气设备要好。PLC具有如下一些特点:(1高可靠性;(2灵活性;(3便于改进和修正;(4节点利用率提高;(5具有丰富的I/0接口;(6模拟调试;(7能对现场进行微观监视:(8快速动作:16硕士学何论文(9梯形图及布尔代数并用;(10系统购置的简便化;(11图纸简化;(12体积小、质量轻、功耗低;(13编程简单、使用方便。对于模块式PLC,各个功能部件独立封装,各模块通过总线连接,安装在机架或导轨上,其逻辑框图如图3.4所示:图3.4模块式PLC逻辑框图本系统硬件选型主要集中于可编程控制器(PLC的各个模块的选择。铜自动包装生产线采用西门子S7.300PLC系列中315.2DP作为核心CPU,并选配1个相应电源模块,一组接口模块,7个输入模块,6个输出模块和一个通信模块组成整个PLC控制机架,对整个生产线的工艺过程进行手动或自动控制。其结构框图如图3.5所示。现场倍l'输入现场信lj‘输…图3.5主控PLC机架结构框图(1中央处理器CPU315.2DPCPU315.2DP是控制系统的核心,其工作存储器(RAM的容量为128K字节,选择不同的微存储器卡(MMC可以获得不同的装载容量,最大容量可达到8MB。位操作最小执行时间为O.1“s,浮点数加法最小执行时间6“s,可见其对二进制和浮点数运算都具有较高的处理性能;最大可扩充1024点开关量I/O通道或256路模拟量I/O通道,可用于中等规模I/O配置。CPU315内装硬件实时时钟,PROFlBUSDP主站、从站接口。CPu315.2DP的操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。CPU响应哪个事17阴极铜白动包装生产线控制及配藿系统的研究件,操作系统自动调用该事件的组织块OB。CPU315可调用128个功能块FB(O.127;128个功能调用FC(0.127:127个数据块DB。OB、FB、FC、DB的容量均不大于8KB。此外,还有38个系统功能块SFC集成在操作系统中供用户调用,有9个系统数据块SDB装载S7.300系统参数。CPU315.2DP适用于要求高速处理和中等I/O规模的任务,它可以装载中等规模的程序,并具有中等的指令执行速度。(2接口模块对IM360和IM361当PLC系统的规模较大时,一个机架不能容纳所有的模块,这时就要增添扩展机架,装有CPU的机架称为中央机架。主机架和扩展机架之间通过接口模块IM360和IM36l连接成统一的整体。每个机架的接口模块再通过总线连接器连接到I/O模块上。一个系统可以有中央机架和最多3个扩展机架,每个机架最多8个扩展模块,相邻机架的间隔为4厘米到10米。IM360必须安装在S7.300的O号主机架上;IM36l接口模块安装在S7.300的1号到3号的机架上;数据通过连接线368由IM360传输到IM36l,再从IM36l传输到下个机架的IM361上;每个IM361需要一个外部24V电源(一般采用PS307模块电源,向扩展机架上的所有模块供电。(316路开关量输入模块SM321DI×16(DC24V开关量输入模块SM321将位于现场的开关触点的状态经过光电隔离或继电器,将从工业现场传输来的外部开关信号转化为内部S7.300信号电平。然后送至输入缓冲器等待CPU采样。采样时,信号经过背板总线进入到输入映像区。(416路开关量输出模块SM322DO×16REL(230ACV/5A开关量输出模块将S7.300的内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平。SM322DO×16REL属于继电器输出方式的模块,直流或者交流负载都可以直接驱动,具有较好的安全隔离效果和应用灵活性。l6个输出点分成l6组接地,最大负载电流5A。该模块输出具有短路保护功能,适用于连接电磁阀、接触器、小功率电机和电机启动器。(5电源模块PS307(5A及其容量计算PS307是西门子公司为S7.300专配的24V直流电源。PS307系列模块除输出额定电流不同外,其工作原理和各种参数都一样。PS307电源模块的输入接单相交流,输入电压为230/120V,50/60Hz,输出电压24VDC,输出电流有2A、5A、l0A三种型号,在输入和输出之间有可靠的隔离。PS307可安装在S7.300专用导轨上,除了给S7.300CPU供电,也可给I/O模块提供负载电源。在组建S7.300应用系统时,要选择合适的电源模块。其选择准则是电源模块的输出功率必须能够驱动所有负载模块,最好要有30%左右的余量,故在设计系统时考虑每个模块的电流消耗和功率损耗是非常必要的。考虑到电源应留有一定的余量。通过计算,18硕+学位论文电源模块应选用PS307(5A。除过PLC以外,在控制柜里,还安装了断路器、交流接触器、中间继电器、开关电源等器件。这些器件主要用来接收来自现场各传感器的信号,通过PLC上的CPU进行逻辑运算,根据运算结果进行输出,从而完成对输送链电机、液压站电机、各液压电磁阀等元件进行电力驱动。2.压力机控制柜压力机为外购设备,自身带有采用西门子S7.200系列PLC的控制柜,控制柜安装于压力机旁边,通过该控制柜可以对压力机进行点动、手动及半自动控制。3.打包机控制柜及操作台打包机是包装生产线中的关键设备,其控制柜安装在主控PLC控制柜旁边,选用西门子S7.200系列PLC,其内部电气元件安排和主控PLC控制柜相似。打包机操作台安装于打包机旁边,可对打包机进行手动、调试及自动等工作方式的选择与相应控制。主要完成带槽闭合、送带、送扣、拉带、压紧带头、剪切、机身移动、机身复位、托台上升下降及托台旋转等动作。4.现场检测元件和执行机构为了提高本自控系统的可靠性和动作执行的准确性,在元器件选择上尽量选用可靠性指标高的元件,没有准确及时灵敏可靠的信号,PLC就无法判断控制,执行机构就不能稳定币确的执行命令从而影响功能设计的实现。如气动系统选用FESTO的控制元件和执行机构。既有气缸动作的快速性和较高的重复精度,也有高可靠的控制水平,使气缸的动作完全达到工艺要求和控制要求。程序设计方法SIMATICSTEP7是用于SIMATIC可编程序逻辑控制器的组态和编程的标准软件包【’71,它是SIMATIC工业软件的组成部分,完全符合IEC61131.3国际标准,可以帮助用户在建立程序时,增加重复可用性,减少错误,并能提高编程和用户的效率。STEP7具有友好的用户界面,可以帮助用户很容易的进行操作,包括对PROFIBUS设备进行硬件组态和参数化、对可编程序逻辑控制器进行编程,对PROFIBUS.DP节点进行测试、启动和维护等。其中提供了对可编程序逻辑控制器的多种标准化编程语言,包括:语句表(STL、梯形图(LAD和控制系统流程图(CSF。STEP7标准软件支持自动任务创建过程的各个过程:◆建立和管理项目;◆对硬件和通讯作组态和参数赋值;19阴极铜自动包装生产线控制及配重系统的研究◆管理符号;◆创建程序;◆向可编程序逻辑控制器下载程序;◆测试自动系统;◆诊断设备故障。通常的控制任务的解决流程如图3.6所示‘19】【20】:设计f{动化解决方案I生成项f{IIl拌序乍成lI组念硬件If组态硬件IJ程序生成lII下载剑CP【I调试珍断图3.6控制任务解决流程图其中,组态硬件和生成程序可以按不同的先后顺序进行。本生产线的程序采用结构化编程,将复杂的自动化任务分解为能够反映过程的工艺、功能或可以反复使用的小任务,这些任务由相应的程序块来表示,程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中。某些程序块可以用来实现相同或相似的功能,这些程序块是相对独立的,他们被OBl或别的程序块调用。STEP7程序调用流程如图3.7所示【211【221:\I竖卜一r—-]燃≮0B\q堕下一厂==一=]、\=_|tL’I图3.7STEP7程序调用流程图由于本自动包装生产线为顺序控制,系统的机械设备没有设置任何的机械互锁和限制装置,而且设备的运行轨迹存在若干交叉点,一旦发生机械碰撞其后果不堪设想,因此本包装生产线的输送链运行是各个工位动作结束信号并列逻辑的结果,如图3.8所示。自控系统设计要求有十分严密的逻辑性和可靠性。PLC对通过现场检测元件传输的各种数据信息【231,进行采集计算和处理,并按照设计的控制程序对现场执行机构进行控制。由于这种主从结构使得PLC各站之间形成一种相互分工,协调制约的关系,能够使本系统在优化的操作下运行。PLC主从站具有如下功能:数据采集、监视、存储、通信及进行数据转换功能;控制自己分硕+学位论文输送链运行/\]广AND图3.8输送链运行逻辑图配的工位运行的功能;进行设备自检的功能。3.3.2生产线操作台铜板自动包装生产线的操作台共有三个,分别是主控操作台、压力机操作台和打包机操作台。.主控操作台面板上包括显示灯、按钮和旋转开关。各个显示灯完成生产过程中各个工位、各个动作及输送链的状态显示。操作台面板上的显示灯可分为两组,一组安装在斜面板上,是单独的显示灯,主要有各电机过载故障显示、>lkg故障显示、滤油器堵塞故障显示、油加热器投入运行显示、压紧机工作显示、打包机工作显示、喷码机工作显示、贴标机工作显示等。还有一组主要在水平面板上,这一组不是独立的显示灯,而是带灯按钮中的显示灯,这些显示灯主要是各个工位具体动作的动态显示,如各个工作台的上升、下降动作显示、配重小车左右行及上升下降显示、整形臂夹紧放松及整形台旋转显示、步进梁前进后退及上升下降显示等。而按钮和旋转丌关能实现整条生产线的自动启停和手动干预。3.3.3上位工控机在步进梁的前段,专门安置了工控机机房,房里设置了专用于包装生产线的工业控制计算机及配套打印机。该工控机通过PROFIBUS.DP现场总线与各个从站通讯,采集各个工位数据,在硬件连接上,以工控机为核心,通过四个串口,采用业界应用成熟的RS.232为串行通讯标准,分别与两台托利多称重仪表及喷码机、贴标机通讯,内置于工控机中的CP5611卡负责与现场总线的通信,协调上位与下位PLC的工作。其接线原理框图如图3.9所示。工控机内置SIMATlCWinCC6.O组态软件。WinCC集生产自动化和过程自动化于一体【24】,实现了相互之间的整合,winCC由SIEMENS与MICROSOFT联合开发,有基于windows系统的特点并得到微软其它产品【15】,从而拥有更广的应用范围。它独立于工艺技术和行业,采用模块化结构,扩展方式灵活多样,使它可2l阴极铜自动包装生产线控制及配重系统的研究图3.9工控机接线原理框图以应用到复杂的多用户解决方案。winCC包含有控制中心、系统控制器和数据管理器等。◆控制中心组合了单用户/多用户系统操作所需要的全部数据,并确保按等级顺序存储。用户可以通过WinCC应用进行浏览,及对数据进行操作。从形式和操作上看,类似于Windows的资源管理器。◆系统控制器管理各站之间的系统通信。对于多用户系统,系统控制器也提供网络范围的项目浏览,以及客户机与服务器之间的通信。◆数据管理器在每个站中与系统控制器一起紧密工作,处理中央任务的启动,访问过程数据。它主要是处理变量管理器。WinCC提供用户编程功能【25】【261,在系统中集成了多种编辑器。包括:(1全局脚本(C函数及动作功能,系统设计者可以根据需要进行项目编程实现最终功能,包括开放的API核心编辑器,并访问Win32API;(2图形设计开发,内涵先进的GUI设计环境,生成用于动态过程监视的图形屏幕,图像设备与现场对象相关,兼容ActiveX;(3报警存档,对定义为报警或事件的过程数据进行应答,并可以归档报表:(4变量存档,处理测量值,以及长期存储处理用户相关的数据,和长期存档。用户可根据需要设计满足自身要求的标准报表,按照报告时间表进行处理打印。工控机显示屏显示系统设备各个工位具体动作的动态情况,更为重要的是,还可以显示各个接近开关、光电开关的具体状态,以及整个生产线的运行情况,可以说,将近20m长的整个包装生产线整体状态都可以通过上位工控机方显示,如图3.10所示。这为全线总控人员及时全面了解包装线动态,及时监控全线各个故障点以便及时做出正确处理,为生产和人员安全提供了重要的保证和手段。图310上位机监视界面工控机现场采集两个秤台组成的叠秤称重数据,并且在叠秤出现较大误差时报警,提醒工作人员及时校秤。通过数据处理,形成喷码机和打包机的输出信息-使喷码机和贴标机正确而及时地喷码和贴标。另外,利用工控机,将铜垛重量数据存于工控机数据库,形成车间产量信息,以供工厂方便进行生产信息管理,并可咀对该数据库数据根据要求进行H报表、周报表、月报表及批量报表等形式的打印输出。提高操作人员的J.作效率。数据浏览界面如图311所示,其作用是向操作人员提供一个堆近系统所采集生产数据的观察窗¨,以此判断I二产的连续性以及系统工作的正常性。政界面中的数据大致有三四I‘组,以时问的倒序为排列规律。每组数据按照时间、主称重量、副称重量、批号、铜板舰格、铜垛片数、当前班次、计量员姓名、包号的顺序排列。一一一一—iiiiin—一”一一…_::…Tn……^_…l…∞目…一1…l…ww-4_Ⅲ器…lt…∞…1I…一Ⅻ_-w,_::…t●I‘,…∞一一器:…1●…”j^b^…一j嚣:::嚣:嚣嚣:=;嚣…,^n#M∞…t_…‘一¨"1x¨■…■■器…~¨自2…一…‘'…口5目…^_…'…,MⅢ…^M::…‘1一№w一^■●::…一∞…’…一…一■№∞…一…‘1…i¨目1…_…一■Ⅲ,Ⅻ,¨1…::~】一…●w●■}o…器一…'…-……'1^_……#w&*}¨1一,……j_{I■…n■……"∞&1■…盘一…,lt2…1●aj‘…::一…1…m‘…一■……●,●…一一…一M∞●}1…_一?●‘…∞一一一2I…Ⅲr*'7…_…’…,^_‘51●…★H::一…1…m∞…^_●_一…'…1,●…_图3¨浏览生产数据界面阴极铜自动包装生产线控制及配重系统的研究3.4本章小结本章从作业现场情况出发,提出了生产线总体控制方案。对PROFIBUS.DP总线在生产线控制系统中的应用进行了研究,并阐述说明了主控PLC的硬件选型和程序设计方法。对上位工控机和组态软件winCC在生产线的上位监控和数据管理方面的应用进行了研究。本系统留有扩展口,还可扩展为利用一台上位机监控、管理多条铜自动包装生产线的配置模式。24硕十学何论文第4章配重原理及机械结构4.1单垛阴极铜配重原理4.1.1配重要求为了便于定量交易,按(LME伦敦金属交易所要求:高纯阴极铜每包重量为(2500士100kg。因此,铜板包装作业中,必须严格遵循这个重量标准。4.1.2配重原理由于电解工艺的影响,单片阴极铜的重量误差较大,不可能通过确定的片数保证单垛重量满足误差要求。现场情况表明,由于单片重量不等,满足重量误差带要求的单垛阴极铜包含的片数有17片、18片、19片、20片等。项目组在分析铜板和现场实际情况的基础上,按单片铜板最大重量小于单包重量公差带,提出了“加一减一”的配重原理。“加一减一”的配重原理:即首先选择接近标准重量的片数(如18片或19片为配重基数,进行准确称重,然后根据称重结果进行如下三种预定操作:重量在2400kg至2600kg之间时不进行操作、重量小于2400kg时加上1片、重量大于2600kg时减去l片。对出现机率较小的极端情况(如加上l片后单垛重量仍小于2400kg或减去1片后单垛重量仍大于2600kg,可实现连续加一或减一的操作过程,最终保证单包重量满足要求。配重系统控制流程如图4.1所示:图4.1配重系统控制流程图4.1.3方案可行性分析通过理论分析,只要单垛阴极铜重量公差带(现行标准为200kg大于单片阴极铜重量,“加一减一”的配重原理就具可行性。“加一减一”的配重原理是包装生产f洞极铜口动包装生产线控制及配屯系统的研究线设计的依据,相对于对每片阴极铜板单独进行计量然后进行分选、叠加的作业方式,其生产效率大大提高。4.2配重系统机械结构总体设计配重系统机械机构是实现“加一减一”原理的具体执行机构,其技术难点在于单片阴极铜的抓取。4.2.1单片铜板抓取工具机械手手部在工业生产线中,机械手的设计往往成为关键技术之一。用作夹持工件的机械手的手部(末端操作器End.ef.fector又被称作为手爪【27】【28】【291。手爪按照夹持原理可以分为如图4.2所示的机械类、磁力类和真空类三种‘301。图4.2机械手手部按夹持原理分类1.机械手爪机械类手爪有靠摩擦力夹持和吊钩承重两类,前者是有指手爪,后者是无指手爪。按手指数目可分为二指手爪和多指手爪。产生夹紧力的驱动源可以有气动、液动、电动和电磁四种。气动手爪目前得到广泛的应用,因为气动手爪有许多突出的优点:结构简单、成本低、容易维修,而且开合迅速,重量轻,其缺点是空气介质的可压缩性,使爪钳位置控制比较复杂。液压驱动手爪成本稍高一些。电动手爪的优点是手指开合电机的控制与机器人控制可以共用一个系统,但是夹紧力比气动手爪、液压手爪小,开合时间比它们长。电磁力手爪控制信号简单,但是夹紧的电磁力与爪钳行程有关,因此,只用在开合距离小的场合。2.磁力吸盘磁力类手爪主要是磁力吸盘,有电磁吸盘和永磁吸盘两种。磁力吸盘是在手部装上电磁铁,通过磁场吸力把工件吸住。当线圈通电的瞬时,由于空气间隙的存在,磁阻很大,线圈的电感和启动电硕十学何论文流很大,这时产生磁性吸力将工件吸住,一旦断电后磁吸力消失将工件松开。若采用永久磁铁作为吸盘,则必须是强迫性取下工件。电磁吸盘只能吸住铁磁材料制成的工件(如钢铁件,吸不住有色金属和非金属材料的工件。磁力吸盘的缺点是被吸取工件有剩磁,吸盘上常会吸附一些铁屑,致使不能可靠地吸住工件,而且只适用于工件要求不高或有剩磁也无妨的场合。对于不准有剩磁的工件,如钟表零件及仪表零件,不能选用磁力吸盘。另外钢、铁等磁性物质在温度为7230C以上时磁性就会消失,故高温条件下不宜使用磁力吸盘。磁力吸盘要求工件表面清洁、平整、干燥,以保证可靠地吸附。磁力吸盘的计算主要是电磁吸盘中电磁铁吸力的计算,铁芯截面积、线圈导线直径、线圈匝数等参数设计。要根据实际应用环境选择工作情况系数和安全系数。3.真空式吸盘真空类手爪是真空式吸盘,按吸盘数目可分为单吸盘式手爪和多吸盘式手爪。真空式吸盘主要用在搬运体积大、重量轻的如冰箱壳体、汽车壳体等零件;也广泛用在需要小心搬运的如显像管、平板玻璃等物件。真空式吸盘对工件表面要求平整光滑、干燥清洁、能气密。根据真空产生的原理,真空式吸盘可分为以下几种【3l】【32】【33J。(1真空吸盘:图4.3所示为产生负压的真空吸盘控制系统。吸盘吸力在理论上决定于吸盘与工件表面的接触面积和吸盘内外压差,实际上与工件表面状态有十分密切的关系,它影响负压的泄漏。真空泵的采用,能保证吸盘内持续产生负压,所以这种吸盘比其他形式吸盘吸力大。图4.3真空吸盘控制系统1.电机;2.真空泵;3、4.电磁阀;5.吸盘;6.通人气(2气流负压吸盘:气流负压吸盘根据文丘罩管原理工作,如图4.4所示,压缩空气流入进气口A位,狭窄的喷嘴B使气流以超音速喷出,当气流离开喷嘴时,气体迅速膨胀,这就导致了在喷嘴B膛内产生低压,空气从进口D流入,并且与压缩空气一起从排气口C喷出。27阴极铜自动包装生产线摔制及配重系统的研究D图4.4气流负压吸盘原理图(3挤气负压吸盘图4.5所示为挤气负压吸盘的结构。挤气负压吸盘的工作原理:当吸盘压向工件表面时,将吸盘内空气挤出;松开时,去除压力,吸盘恢复弹性变形使吸盘内腔形成负压,将工件牢牢吸住,机械手即可进行工件搬运;到达目标位置后,或用碰撞力P或用电磁力使压盖2动作,破坏吸盘腔内的负压,释放工件。此种挤气负压吸盘不需真空泵系统也不需压缩空气气源,是比较经济方便的,但是,可靠性比真空吸盘和气流负压吸盘差。图4.5挤气负压吸盘卜吸盘架;2.压盖;3.密封垫;4.吸盘;5一工件配重工位单片铜抓取工具的确定手爪设计和选用最主要的是满足功能上的要求