基于PLC和MES的擠出線生產規格自動跟蹤系統的應用

王青峰，孫建恩

(三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200)

擠出線主要用于滿足全鋼和半鋼子午線輪胎胎面、胎側、墊膠和膠芯等擠出及擠出后進行收縮、冷卻、稱重和定長等生產工藝需求，整條生產線主要由擠出機組、下游冷卻輔線和接取或卷取裝置三部分組成。以我公司一條全鋼胎面擠出線為例，詳細介紹該系統的設計思路，其結構示意如圖1所示，主要工藝流程如圖2所示。

圖1 子午輪胎胎面擠出聯動生產線結構示意

圖2 子午輪胎胎面擠出聯動生產線工藝流程圖

1 系統設計

1.1 生產線現狀

我公司早期投用的全鋼胎面擠出線，由德國進口三復合擠出機組、國產下游冷卻輔線和國產裁斷胎面自動接取裝置三大部分組成。生產線采用西門子S7-300和羅克韋爾 Contrologix Logix5000 進行控制，采用西門子MP277、組態王和易控分別做為擠出機組、下游冷卻輔線和自動接取裝置的HMI，進行配方的存儲及調用和實時顯示設備狀態。

生產線共采用3套PLC控制系統，分別控制擠出機組，下游冷卻輔線和自動接取裝置，每套PLC控制系統為獨立單元，可獨立運行。3套獨立的PLC系統之間未進行數據通訊，僅有簡單的啟停和安全急停信號互聯，整條生產線的配方分三部分，分別存儲在各自HMI中，需要切換新規格產品時，操作主手首先手動切換相應配方，由于生產線長度超過120 m，在生產線上的實際物料是不同的規格，再由人工根據新規格實際到達的位置逐步依次手動切換（如胎面達到裁斷裝置處需人工按切換規格），操作繁瑣，生產效率較低，且存在配方切換不及時或錯誤的可能，存在較大的質量風險。

1.2 建設智慧工廠的需求

為滿足智慧工廠要求，必須由軟件自動跟蹤新規格的運行位置，并依次自動切換相應裝置的配方數據，并產生單個工裝的生產實績數據供MES讀取和工裝RFID綁定，便于自動送入立體庫，無需人工干預。因此三個獨立的部分應作為一條生產線，生產線工藝配方通過MES統一管控，生產的產出實績和生產計劃及配方嚴格對應。

1.3 具體實施方案的設計

根據現有生產線系統的特點和規格切換自動跟蹤系統的要求，對原生產線軟硬件設施進行評審，需在三套PLC系統分別添加一以太網模塊作為與MES系統通訊的硬件接口，即可滿足系統開發需求，決定基于原生產線控制系統進行開發。系統整體采用MES+西門子S7300+羅克韋爾 Contrologix Logix5000+HMI+以太網通訊的體系結構，如圖3所示。

圖3 配方切換自動跟蹤系統組成

生產線配方由MES端創建并存儲在MES服務器，操作人員通過MES客戶端切換新規格時，系統將新規格切換標識置位，MES識別到切換標識后，通過以太網與MES-PLC接口進行通訊將配方數據傳送到PLC配方緩存區，操作人員經HMI確認新配方數據，確認無誤后下載到PLC配方執行區，此時激活生產線規格切換，并結合擠出機的狀態、壓力檢測和輔線的運行狀態，自動跟蹤新規格的料頭，隨著生產線的啟動，系統自動追蹤新規格料頭在生產線的位置，自動依次切換相關配方數據，切換完成后激活配方切換完成標識位。

MES系統可通過MES-PLC接口實時采集相關的設備、工藝和生產等相關數據，通過大數據手段對數據進行分析，降低生產過程的成本，提升管理水平和產品質量。

2 軟件程序開發

系統軟件程序的開發根據功能需求主要包括三大部分：一是PLC程序的設計，其中包括以太網模塊的硬件組態、配方接口控制程序設計、速度位移脈沖程序設計、規格跟蹤和配方切換程序設計；二是系統的控制運行；三是人機交互界面HMI的設計。

2.1 PLC程序設計

根據生產線PLC系統的硬件配置，配方自動跟蹤系統PLC程序開發基于西門子315-2DP、AB 1756-L71、以太網通訊模塊等裝置開發。

西門子S7-300 PLC采用STEP7 V5.6進行組態和編程，羅克韋爾 Contrologix Logix5000 PLC采用RSLogix 5000 V20.03進行組態和編程，程序設計步驟如下：

（1）在原S7-300系統添加CP 343-1以太網通訊模塊，原Contrologix Logix5000系統添加1756-EN2T以太網模塊，對硬件組態程序進行編程并根據MES系統要求設置IP地址。

（2）硬件組態后設計控制程序。

（3）硬件組態和程序設計完成，編譯保存通過編程電纜下載到PLC中。

（4）進行在線聯機調試，最終達到設計要求。

無論是西門子還是羅克韋爾PLC系統，在硬件改變時必須對原系統的硬件組態或配置進行重新編程，硬件組態的作用是在PLC系統中生成一個與實際硬件完全一樣的虛擬系統，系統設計之初，需將系統需要的CPU、輸入、輸出、變頻器和觸摸屏等各類配件的型號在編程軟件中進行定義和配置。西門子和羅克韋爾因產品差異，硬件組態配置的方法不同，此文不詳細描述，僅將本系統應用的部分硬件配置展示如下，如圖4和圖5所示。

圖4 S7-300組態畫面

胎面擠出線配方主要由擠出機溫度、擠出機轉速，冷卻線接取速度、收縮比、各段速度調節輥位置及張力、冷卻前寬度、冷卻前米重、冷卻后寬度、裁斷長度和冷卻后米重等構成，主要配方如表1所示。

原生產線配方分為三部分存儲在各自HMI中，根據系統設計要求，需將三部分配方存儲在MES服務器，MES系統端根據表1內容進行配方結構的設計，并根據工藝需求設計合理的存儲空間來保存足夠多的配方數；PLC系統端主要進行三部分程序的設計，一是分別在擠出機、下游冷卻輔線和自動接取裝置的PLC系統中根據表1內容設計單獨的配方暫存區，用來存放MES端下載的配方；二是在擠出機PLC系統根據表1內容設計完整的配方暫存區，并在擠出機HMI開發完整配方數據展示畫面和相關控制程序，用于操作主手查看配方數據和操作，檢查沒有問題后接收傳送配方到各個配方暫存區；三是在下游冷卻輔線和自動接取裝置PLC系統設計配方切換控制程序，識別自動跟蹤信號后自動將暫存區配方傳送到配方執行區。

表1 胎面擠出線配方接口表

下游冷卻線，由16段傳送裝置組成，每一段的速度由調節輥裝置控制，由于橡膠制品的特殊性，前一段傳送裝置和后一段傳送裝置的速度是不同的。為保證規格切換接頭跟蹤的準確性，需設計一相同位移不同速度脈動信號Add-On指令，程序功能設計步驟如下：

（1）右鍵Add-On Instructions新建一個指令，命名為Tracing_Pusle;

（2）打開Tracing_Pusle指令的Parameters and Local Tags，根據功能要求，建立新的輸入、輸出和本地標簽；

（3）打開Tracing_Pusle指令的Logic，進行程序設計；

（4）設計完成后，編譯保存，并將指令下載到PLC中。

本程序中，由于原系統中實際的速度數據為整數，在本指令程序中需要對速度輸入數據進行格式轉換并需一100MS脈沖給信號，在不同的速度信號下，每200 mm位移生成一脈沖信號Pusle_200 mm程序如圖6所示。

圖6 速度位移脈沖程序

生產線規格切換開始，系統將規格切換標識位置位，生產線啟動后，根據擠出機的壓力、出口胎面溫度和胎面檢測等綜合條件判斷出新規格的胎面產出，程序識別5個速度位移脈沖也就是1 000 mm的胎面接頭，將標識位復位，系統自動跟蹤這5個脈沖在生產線的位置，程序功能設計步驟如下：

（1）打開Tasks,在MainProgram右鍵新建Rou tine命名為Recipe_Tracing;

（2）根據程序功能，建立新標簽；

（3）打開Recipe_Tracing指令的Logic，進行程序設計；

（4）設計完成后，編譯保存，并將指令下載到PLC中。

下游冷卻線每段傳送裝置都需要調用Tracing_Pusle指令和BSL指令，以裁斷裝置配方跟蹤和配方切換程序為例，如圖7所示。

圖7 裁斷裝置配方接頭跟蹤和配方切換程序

（1）當配方接頭到達下坡傳送帶末端，Tracing_xp_BSL[0].9置位，將新配方單條裁斷長度設定值傳送到執行地址；

（2）速度位移脈沖指令，根據裁斷傳送帶的實際速度產生200 mm位移脈沖信號Tracing_CD_Pusle；

（3）200 mm位移脈沖信號Tracing_CD_Pusle每置位一次，BSL指令將Tracing_CD_BSL數組內配方跟蹤位左移一位，移動長度Length計算方式如下：

L—裁斷傳送帶長度，mm

Tracing_CD_BSL數組大小根據計算得出的Length值合理設置。

2.2 系統控制運行

系統由本地和遠程兩種模式，為了防止MES端異常情況，確保生產線正常運行，系統保留原規格切換功能的設計，即本地模式，生產線規格的切換操作與原設計相同。遠程模式下，生產線規格切換由系統自動完成，無需人員的干預，遠程模式下規格切換詳細流程如圖8所示。

圖8 規格切換流程

2.3 HMI設計

系統HMI基于原生產線的HMI進行升級，原HMI安裝在主操作臺，監控整個生產線的運行狀態、實時顯示運行數據和修改相關參數等。擠出機組HMI采用西門子MP277觸摸屏，該觸摸屏應用SIMATIC Wincc Flexble 2008 sp3軟件進行畫面程序的編寫，可通過工業以太網、DP和MPI進行通訊。下游冷卻輔線和自動接取設備HMI采用的基于工控機的組態王和易控上位機軟件，采用kingview和INSEPEC軟件進行畫面程序編寫，根據系統設計的要求，在相關HMI上開發了配方顯示界面，生產線配方接頭跟蹤畫面等程序，從而達到應有的效果。

3 結束語

系統投入使用以來，通過現場生產和工藝評審，達到設計目標，經過長時間的運行表現出如下優勢：

（1）生產線工藝配方通過MES統一管控，生產線僅保留在產配方，提升了工藝管理水平。

（2）降低生產線規格切換時人員的勞動強度，簡化配方切換流程，提升了生產效率。

（3）杜絕原生產線出現的規格切換錯誤和切換不及時等問題。

（4）實現生產線的信息化管理，實時采集生產線運行數據和質量數據，通過數據采集積累為后期運用大數據分析提升現場管理水平和產品內在品質打下基礎。