鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)上位組態(tài)功能的合理構(gòu)建與實(shí)踐認(rèn)知

馮小林 毛海杰 強(qiáng)明輝 陳輝

(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.甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730050)

0 引言

我國出口哈薩克斯坦的三條20kg鋁錠鑄造機(jī)生產(chǎn)線(以下簡稱哈鋁錠鑄造機(jī))是在已有國產(chǎn)16kg鋁錠鑄造機(jī)生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，經(jīng)過技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐，成功研制出的大型重熔鋁錠自動化生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線集機(jī)、電、液、氣為一體，將由混合爐流出的高溫鋁液，經(jīng)由溜槽導(dǎo)向分配器后，在鑄造機(jī)的模具中完成鋁錠成型并實(shí)現(xiàn)初步冷卻，之后經(jīng)脫模工序形成的成品鋁錠在冷運(yùn)機(jī)的帶動下實(shí)現(xiàn)噴淋冷卻，徹底冷卻后的鋁錠在經(jīng)堆垛機(jī)的操作后壘放成每包11層共54塊的鋁垛，后序的鋁垛在實(shí)現(xiàn)打包、在線稱重后由成品運(yùn)輸機(jī)送出。

相比以前開發(fā)的國內(nèi)小型鑄造機(jī)，哈鋁錠鑄造機(jī)的自動化水平進(jìn)一步提高。該鑄造機(jī)控制系統(tǒng)充分采用PROBUS-DP的現(xiàn)場總線解決方案(如圖1)，在利用ET200M解決分布式控制的同時，還實(shí)現(xiàn)了HMI、托利多智能儀表、內(nèi)置Win CC組態(tài)軟件的研華工控機(jī)在該現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的合理分布。基于Win CC構(gòu)建的上位組態(tài)工程的功能定位于:(1)對現(xiàn)場被控對象的多個工作狀態(tài)的監(jiān)視，其中包括液壓工作站被測報警參數(shù)的顯示，溜槽出口處鋁液的溫度及當(dāng)前激光傳感器檢測鑄模中鋁錠高度值的顯示(2)與現(xiàn)場Siemens S7 300PLC的信號握手，控制在線稱重，并且基于OPC協(xié)議，作為客戶端取得托利多智能儀表的數(shù)據(jù)，同時驅(qū)動現(xiàn)場標(biāo)簽打印機(jī)實(shí)現(xiàn)打印，并將稱重?cái)?shù)據(jù)存儲下來，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)年、月、日報表的查詢和打印。

圖1 基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)原理圖

1 Win CC環(huán)境下對現(xiàn)場組態(tài)功能的構(gòu)建

Win CC作為德國西門子公司推出的上位組態(tài)軟件，內(nèi)置了可以幫助工程師快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的常用組件，組態(tài)方式較為靈活豐富。哈鋁錠鑄造機(jī)生產(chǎn)線的組態(tài)具有一般被監(jiān)控系統(tǒng)的共性，其體現(xiàn)在界面內(nèi)基本圖元的組織、控制界面的合理切換、報警信號的建立與相關(guān)報警控件在這一功能上對用戶要求的顯示功能及操作體驗(yàn)的支持、現(xiàn)場采集的溫度與高度模擬信號在腳本中的換算及在趨勢控件中對這些信號的描繪。哈鋁錠鑄造機(jī)的組態(tài)必然有個性的特點(diǎn)存在，此時需要結(jié)合Win CC提供的功能，摸索一些特殊的方法。

1.1 實(shí)現(xiàn)控制對象的“描繪”及界面設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)與美觀

在哈鋁錠鑄造機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，為了讓鑄模中的鋁液有足夠的時間冷卻以及后續(xù)的冷運(yùn)機(jī)達(dá)到徹底冷卻鋁錠的效果，加之成品運(yùn)輸機(jī)自身的長度，最終生產(chǎn)線的整體長度較長，而生產(chǎn)線的高度又有限，因此要在一個界面中將控制對象協(xié)調(diào)、真實(shí)的描繪出來，首先需要將其分割為兩部分，即同一界面中上下顯示，而分割點(diǎn)最終被選擇在脫模工位。

哈鋁錠鑄造機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要在Win CC環(huán)境中詳實(shí)地“勾勒”出被監(jiān)控對象的具體形態(tài)不太現(xiàn)實(shí)。在研究過程中，探索出一種行之有效的方法，即將AutoCAD中的系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)圖縮放到Win CC畫面中合適的比例后，利用抓圖軟件將當(dāng)前的設(shè)計(jì)形態(tài)截圖，之后導(dǎo)入到Win CC里做背景，接著主要利用Win CC里的“線”去“描”鑄造機(jī)的形態(tài)。由于鑄造機(jī)整體被分割，這樣的工作需要做兩次。在這個過程中，需要注意化繁為簡，主要的目的是形狀要出來;由于從分配器到打印機(jī)一段較長，中間輔助加上諸如梯子、支撐柱這些物體后，將使組態(tài)出來界面不會因?yàn)樘斩绊懶ЧＴ凇懊琛边^兩次后，刪掉背景圖，剩下的就是用Win CC工具“勾勒”出來的生產(chǎn)線的大致結(jié)構(gòu)了。在這個基礎(chǔ)上，繼續(xù)利用Win CC里的多邊形、圓、矩形這些“面”工具做填充和美化工作。為了體現(xiàn)生產(chǎn)線立體的效果以達(dá)到進(jìn)一步美化界面的目的，需要充分利用基本圖元及設(shè)置相應(yīng)填充屬性。另外Win CC提供的圖庫，也將為生產(chǎn)線的組態(tài)增色不少，尤其是樣式和顏色的選擇，使呈現(xiàn)出來的鋼板、鋼架、鋼管在賦予花皮鋼紋、鉚釘及明暗的顯示效果后顯得更有質(zhì)感。最終實(shí)現(xiàn)的鋁錠鑄造機(jī)生產(chǎn)線的主界面如圖2所示

圖2 Win CC主界面中組態(tài)的哈鋁錠鑄造機(jī)生產(chǎn)線

1.2 鋁錠鑄造機(jī)在運(yùn)行過程中的組態(tài)動畫實(shí)現(xiàn)

在組態(tài)界面中的動畫實(shí)現(xiàn)的根本目的是對現(xiàn)場被監(jiān)控對象工作狀態(tài)的形象表達(dá)。鑄造機(jī)、風(fēng)機(jī)、成品運(yùn)輸機(jī)的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及夾具小車的限位信號等可以使用腳本控制相關(guān)指示符號在紅綠顏色之間切換;爐火及夾具小車運(yùn)動方向的動畫可以通過控制顯示隱藏屬性實(shí)現(xiàn);而水閥打開后的噴淋動作以及風(fēng)機(jī)動作后的效果可以通過對顯示隱藏和閃爍的雙重控制來達(dá)到動畫的效果;在堆垛機(jī)對鋁錠塊計(jì)數(shù)及層計(jì)數(shù)動畫，則可以基于PLC中的當(dāng)前值，在C腳本中做判斷選擇，進(jìn)而控制不同圖元的顯示。

比較復(fù)雜的動畫控制主要有3個:(1)溜槽中鋁液的流動效果(2)成品運(yùn)輸機(jī)、鑄造機(jī)及冷運(yùn)機(jī)在運(yùn)行時的動作實(shí)現(xiàn) (3)分配器在工作時旋轉(zhuǎn)效果的實(shí)現(xiàn)。最終的解決方法如下:(1)以溜槽處的溫度升高或鑄造機(jī)的運(yùn)行信號為基準(zhǔn)，利用C腳本的時間觸發(fā)器，使Win CC內(nèi)部新建的變量在0和1之間變化，基于該變化，控制Win CC內(nèi)多個火焰圖元的交錯顯示和隱藏，組態(tài)時如果注意合理均布圖元及利用半遮擋，最終可以實(shí)現(xiàn)鋁液在溜槽中的流動效果(2)成品運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)動與冷運(yùn)機(jī)和鑄造機(jī)的運(yùn)動方式有所區(qū)別，屬于直線運(yùn)動。如果將成品運(yùn)輸機(jī)的輸送鏈的X軸坐標(biāo)與Win CC內(nèi)部一個基于PLC中成品運(yùn)輸機(jī)控制線圈變化的變量相連，則最終在Win CC界面中會出現(xiàn)平行運(yùn)行的效果。但是鑄造機(jī)由于前部屬于直線運(yùn)動，而鑄造機(jī)機(jī)頭部又屬于圓周運(yùn)動，導(dǎo)致了動畫的不規(guī)則。冷運(yùn)機(jī)由于前部屬于直線運(yùn)動而后部屬于斜坡運(yùn)動，最終的運(yùn)動線路也呈現(xiàn)不規(guī)則。Win CC提供的狀態(tài)顯示智能對象可以為這一問題提供解決方法，如果最后將不規(guī)則運(yùn)動對象的運(yùn)動狀態(tài)做有規(guī)律的捕捉，并且中間注意每次抓圖時的坐標(biāo)嚴(yán)格吻合，則依托Win CC內(nèi)部基于相應(yīng)條件變化的變量和腳本動作，最終可以實(shí)現(xiàn)理想的運(yùn)動效果。當(dāng)實(shí)際運(yùn)行時的速度太快時，則通過增加相鄰狀態(tài)的裝載圖形重復(fù)的次數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的，當(dāng)然解決方法不止這一種。而冷運(yùn)機(jī)里水管的流動屬性的動畫制作也可以依靠同樣的原理 (3)分配器運(yùn)動的特點(diǎn)是圓周運(yùn)動，在Win CC圖庫中圖元的基礎(chǔ)上構(gòu)建出來的對象是不支持圓周運(yùn)動的，因此需要首先利用Win CC的標(biāo)準(zhǔn)對象構(gòu)建分配器的模型，這需要細(xì)致的工作。之后使該模型旋轉(zhuǎn)屬性與Win CC內(nèi)部變量即下面程序中的“jiaobrotate”相連接，并且在腳本中驅(qū)動該值在360到0之間變化(如果是逆時針運(yùn)動，則使值在0到360之間變化)，相應(yīng)腳本如下

if((GetTagBit("o8806")==1)＆＆(GetTagBit("o8506")==0))//分配器運(yùn)行的條件

{j=GetTagWord("jiaobrotate");

if(j＞0)

{j=j－3;

SetTagWord("jiaobrotate"，j);}

else

{SetTagWord("jiaobrotate"，360);}}

1.3 在線稱重時上下位信號握手及相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)

Win CC構(gòu)建的哈鋁錠鑄造機(jī)組態(tài)工程需要實(shí)現(xiàn)在線稱重?cái)?shù)據(jù)的讀取，首先在Step7編程軟件中實(shí)現(xiàn)與上位程序的信號握手，相關(guān)程序的流程圖如圖3所示:

圖3 配合在線稱重功能的PLC程序流程圖

上位機(jī)在Win CC的全局腳本中需要實(shí)現(xiàn)響應(yīng)，同時驅(qū)動標(biāo)簽打印，相關(guān)程序如下

if (GetTagBit("m17001")==1)//是否滿足稱重?cái)?shù)據(jù)的讀取條件

{i=GetTagWord("_IW0");//讀取稱重?cái)?shù)據(jù)

SetTagBit("m17002"，1);//結(jié)束PLC程序中相關(guān)位的保持狀態(tài)

SetTagWord("forvb2"，i);//為標(biāo)簽打印準(zhǔn)備

RPTJobPrint("00Print Job001");//實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽打印

if(GetTagBit("vbsstart")==0)//

{SetTagWord("vbsstart"，1);}} 觸發(fā) VBS中的腳本動作，使實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄功能

報表界面將給用戶提供在線稱重?cái)?shù)據(jù)瀏覽、標(biāo)簽打印使能控制及相關(guān)年、月、日報表的查詢與打印功能。

2 實(shí)踐認(rèn)知總結(jié)

哈鋁錠鑄造機(jī)的上位組態(tài)作為控制系統(tǒng)的一個有機(jī)組成部分，拓寬了操作人員的視野，增強(qiáng)了系統(tǒng)故障診斷的能力，提高了該自動化生產(chǎn)線的整體水平，在現(xiàn)場發(fā)揮了積極作用。

Win CC作為一款優(yōu)秀的上位組態(tài)軟件，功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定。尤其是由于其與Siemens的TIA(Totally Integrated Automation)產(chǎn)品家族一脈相承，在前期調(diào)試時，利用Step7在計(jì)算機(jī)內(nèi)做軟件仿真器，可以大大縮短現(xiàn)場調(diào)試的時間。當(dāng)然在組態(tài)過程中也發(fā)現(xiàn)Win CC在部分設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上還有待改進(jìn):

(1)在許多組態(tài)軟件都直接支持流動屬性設(shè)置的同時，Win CC仍然沒有對該功能做到良好的支持，增加了組態(tài)人員的工作量

(2)界面要求設(shè)計(jì)為英俄雙語，而Win CC對俄文在界面中的顯示支持較好，但是在報警信號設(shè)置時卻很不方便，必須想一些特殊辦法，不是很方便

(3)Win CC的C腳本不能實(shí)現(xiàn)對Excel文件的操作，而VBS腳本不能實(shí)現(xiàn)報表打印，使組態(tài)人員為了實(shí)現(xiàn)一個連續(xù)的動作，不得不建立中間變量并在兩個腳本編寫環(huán)境中切換，程序設(shè)計(jì)時較繁瑣。

目前國際先進(jìn)的鑄造機(jī)生產(chǎn)線在對上位組態(tài)功能的應(yīng)用方面已十分豐富，哈鋁錠鑄造機(jī)的上位組態(tài)工程還應(yīng)該有許多可以繼續(xù)提升的空間。今后鋁錠鑄造機(jī)上位組態(tài)工程的研究方向應(yīng)該是與現(xiàn)場HIM在功能上的部分重疊且相互補(bǔ)充，同時進(jìn)一步增強(qiáng)對現(xiàn)場故障診斷的能力，并繼續(xù)為上級管理層的高效工作及整個生產(chǎn)線的可靠運(yùn)行服務(wù)。

［1］ Win CC 6.0 reference manual［M］.Germany.Siemens Ltd.，2007.

［2］ 西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán)［M］.深入淺出西門子Win CC V6(第二版)［M］.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2004.

［3］ S7-PLCSIM V5.3［M］.Germany.Siemens Ltd.，2006.

［4］ Programming with STEP 7［M］.Germany.Siemens Ltd.，2006 .

［5］ 崔堅(jiān).西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.