PROFIBUS总线在陶瓷成型装饰布料系统中的应用———PROFIBUS总线

　
  摘  要 本文介绍了西门子PROFIBUS总线在陶瓷成型装饰布料系统中的成功应用。重点阐述了陶瓷成型装饰布料系统的工艺要求、控制要点及解决方案，为陶瓷成型装饰布料系统的控制提出了一套简单、精确而又切实可行的控制模式。
关键词 陶瓷成型装饰布料系统   PROFIBUS现场总线   EM277模块
　　
  Abstract This paper introduces that the PROFIBUS succeed apply to the Ceramic Molding Decorate System .This paper expound the ceramic’s arts demand ,control cruces and solution .at last ,the author supplied a system mode which is simple and accurate and feasible to control the Ceramic Molding Decorate Sys
tem.
Keywords Ceramic molding decorate system     PROFIBUS         EM277   
  　　
  项目简介
　　广东佛山科达机电股份有限公司是一家以研发、制造陶瓷、石材等大型机械及机电一体化装备，并从事陶瓷、石材整线工程建设的上市公司，是目前国内专业性、配套性最强的建材装备研发、制造的高科技企业。自从公司1998年研发出国内第一台大吨位压砖机开始，如今已发展成从1300吨~7800吨全系列产品。陶瓷成型装饰布料系统是集机、电、液于一体的高科技专利产品，也是陶瓷墙地砖生产线上的关键性设备，在很大程度上决定着生产陶瓷墙地砖的企业的产品核心竟争力，与公司效益息息相关。因此作为生产厂家，选择一个高精度、高稳定性的控制系统则变得至关重要。经过几年的努力，科达机电成型装饰布料系统已多次更新换代，现今选定以S7-300为主站, S7-200为从站, EM277为两者通过ROFIBUS总线通讯、OP270为人机界面、以及动力柜和操作柜组成的控制系统。经长期使用，此控制系统简单、稳定、可靠、控制精度高，正在也将继续为公司及客户创造更好的效益。见图1。
  　　
  
图1 成型装饰布料系统
  　　
  系统的简要工艺
　　陶瓷墙地砖的生产是以硅酸盐为主要原料，经过球磨、制粉，通过布料系统按一定的配方将粉料送入压砖机的模腔中；再由压砖机根据工艺要求，以一定的压力将粉料压制成型，然后进行烧制及后续加工。成型装饰布料系统是由压砖机、魔术师布料车、模具组成，是陶瓷墙地砖生产企业的核心设备。压砖机是将粉料压制成有一定强度、致密度的砖坯；魔术师布料车是由底板、7个工位、坯垫循环系统组成.首先根据砖坯的表面图案设计各工位要布的粉料，每个工位主要是由布料摆管、填料料斗、升降气缸组成的。通过工位将不同的粉料撒布在坯垫上，坯垫是平铺在底板上,通过前后两个伺服电机带动链条,再由链条上的挂钩拖动坯垫至下一工位， 当检测到坯垫到位后，升降气缸下降，布上所需粉料，当所有需要的工位布上粉料后，由伺服电机拖动坯垫至压砖机，再次检测坯垫到位后，模具下降，压砖机开始进行压制，压制完成后，链条带动压制完成的砖坯送到下一道工序，坯垫在砖坯转运走后，经坯垫循环系统到第一个工位准备下一循环。这样就完成了整个的成型装饰布料系统的一个工作循环。
  　　
  控制系统构成
　　整个系统主要以西门子S7-300 PLC为主站，用OP270作为人机界面，各个工位以S7-200 PLC为从站，扩展一个EM277模块，通过PROFIBUS总线与主站通讯。由于环境温度比较高，为了系统更加稳定的运行，在柜内加装了工业空调。同时使用了多种传感器来进行检测，如：压力传感器、位移传感器、PT100、接近开关等。执行元件主要是电磁阀、比例阀、伺服电机、变频器等。硬件的性能优劣对于一个控制系统来说是至关重要的，对系统的可靠性和稳定性有很大的决定作用，因此在硬件选型上严格把关，大部分原件均采用了国际着名品牌的产品，同时整机也通过了CE认证。
　　本控制系统均采用西门子产品。控制系统的硬件具体配置如下：
　　电源模块PS307  
　　6ES7 307-1EA00-0AA0     1个
　　CPU 313C-2DP     
        6ES7 313-6CE01-0AB0     1个
　　DI数字量扩展模块      
　　6ES7 321-1BL00-0AA0     1个
　　DO数字量扩展模块      
　　6ES7 322-1BF01-0AA0     3个
　　DO数字量扩展模块      
　　6ES7 322-1BH01-0AA0     1个
　　AI/AO模拟量扩展模块   
　　6ES7 335-7HG01-0AB0     1个
　　OP270 HMI            
　　6AV6 542-0CC10-0AX0     1个
　　CPU224                  
　　6ES7 214-1AD23-0XB0     7个
　　EM277扩展模块         
　　6ES7 277-0AA22-0XA0   7个
　　(见图2）     
  　　
  
图2 控制系统结构图
  　　由于陶瓷产品的竟争越来越激烈，提升产品的竟争力犹为重要。成型装饰布料系统给客户提供生产高附加值的仿石材设备。
　　本套系统的选择，是由成型装饰布料系统结构决定的。魔术师布料系统是一个多色瓷砖布料系统, 基料需要一个工位, 每一种颜色需要一个工位. 本系统由7个工位组成，整个系统的总长20几米，可以生产仿石材线条瓷砖. 每个工位都与压砖机有很多数据交换，同时每个工位又有各自的数字量I/O点要处理。如果用集中控制方式，电气控制柜与各工位之间的线路非常多，敷设、安装极其不便。因此决定选择分散控制方式，用通讯达到总体协调，从而可以大大的精简线路，减少线路安装、维护工作量。PROFIBUS现场总线技术则是我们的最佳选择。每个工位采用S7-200 CPU 进行控制, 可以降低S7-313C CPU的负担, 提高系统做压力闭环控制的精度. 各个S7-200 CPU使用EM277连到PROFIBUS网络上, 通信性能好, 同时编程简单.
　　PLC的选择也是经过深思熟虑的，S7-300系列PLC是一个成熟产品，具有很高的稳定性，技术参数符合设备的使用要求，而且在用户心目中有良好的形象。CPU 313C-2DP集成有多路数字量输入/输出、模拟量输入输出、温度检测和高速计数通道，同时该CPU单元有两个端口，MPI端口可用于编程或与HMI通讯，DP端口可作为主站的PROFIBUS总线与各工位的EM277和伺服电机控制器的DP端口通讯。这种CPU既符合本设备的使用要求，又可与公司其它产品通用，并且具有很高的性价比，因此最终选择了CPU 313C-2DP。
　　由于设备中位置控制和压力控制均要非常稳定和准确，而且对响应速度有很高的要求，因此选择了SM 335快速模拟量输入/输出，其性能优越，用它进行压力和位置信号的采集，并用来控制高响应的比例阀，以此达到位置和压力的准确快速控制，使之满足工艺要求。设备中存在大量电磁阀，选用可带大负载的晶体管输出322-1BF01-0AA0模块，与继电器输出相比，提高了模块的使用寿命和响应速度，而且更具有安全性。
  　　
  控制系统完成的功能
　　从控制系统结构图可以看出，主站控制2台伺服电机控制器和7个从站。人机界面OP270通过MPI总线发送各种工艺参数给主站，通过PROFIBUS总线传送给每个从站，每个从站的I/O状态和工艺数据也通过PROFIBUS总线返回给主站，通过MPI总线在人机界面上显示出来(具体工艺参数见图3)。
  　　
  
图3  数据监控
  　　魔术师成型系统修改配方的功能十分方便, 只需要在HMI上简单的设置, 就可以控制布料工位的数量, 布料次数, 填料次数等数据, 这些数据通过PROFIBUS网络, 实时的传送到各个工位,客户随时都可以方便的修改瓷砖的配方.
　　一个单色布料工位由以下各部分组成: 一个布料头, 一个布料挡板(控制瓷砖上的仿石材纹路), 一个气缸控制布料头的升降, 一个变频器控制控制布料头的左右移动, 一个变频器控制给料的皮带.
　　单色布料工位部的是面料,  先将面料布好, 然后后在面料的基础上布上较厚的基料, 最后送到压机, 压成一块砖坯.
　　单个工位的工作流程见图4。
  　　
  
图4 单个工位的工作流程
  　　每一步都有相应的检测开关以及内部程序判断. 所有的状态都会通过PROFIBUS网络传送到S7-313C. 在主站编程时编写了两个功能块FC60(向从站发送数据)、FC61(接收来自从站的数据)。在硬件组态时指定EM277的数据长度为4WORD input和4WORD output。例如:工位1的接收的数据有:工位选择(位)、布料次数(单字)、填料次数(单字)、缺料报警(位)，对应的S7-200 CPU根据S7-300 CPU传送过来的数据进行本地控制. 工位1向主站
发送的数据有:循环时间(单字)和各种状态。CPU313C-2DP通过MPI网络与OP270进行数据传输，由FC60和FC61实现和EM277的数据的双向通讯。
　　S7-313C根据每个工位的状态, 控制伺服电机带动坯垫的前进. 坯垫的控制控制精度越高, 浪费的原材料就越少. 为了精确控制坯垫的位置, 并且不照成累计误差, 系统采用了一个接近开关来辅助定位, 当坯垫到达接近开关的位置, CUMC控制坯垫停止. 由于CUMC伺服控制器+1FK7电机的系统精度高, 速度线性好. 坯垫停止位置的误差在1mm, 大大减少了硅酸盐的损耗.
　　系统有调整、手动、自动切换功能：
　　(1)调整控制
　　在此控制方式下，可以通过操作按钮站调整压砖机的横梁，启、停循环油泵和主油泵。
　　(2)手动控制
　　在此控制方式下，可以手动调整压砖机，安装、拆卸模具，调整魔术师布料车。在调整魔术师布料车时，必须合上压砖机的安全杆才能手动操作，确保安全。
　　(3)自动控制
　　自动控制方式，可以启、停系统，报警的复位，同时还可以修改实时参数。系统在进入生产、调试阶段后，主要是工作在自动状态。
  　　
  项目运行
　　本系统自从2006年试用一直到现在大批量生产，已使用几十套，实践证明，此系统控制精度完全能达到生产要求，而且性价比高，对于科达机电来说，在满足设备功能和工艺要求的前提下，有效得控制了生产成本。该系统稳定、可靠，操作简单，完美的人机界面，为设备故障提供了大量的诊断信息，这些极大的方便了用户的使用和维修工作，在用户中得到了一致。
　　具体的诊断信息分为I/O信号报警和操作错误报警。I/O信号报警可以指导用户查找出故障的具体I/O点的位置；而操作错误报警是提示用户操作此项时还有哪些条件没有满足。用户可以根据提示信息重新操作。在编程时首先在画面组态时定义区域指针“报警消息    地址为DB127.DBW0”,在PLC编程时，对重要的报警信息使用置位指令，只有在故障处理后手动复位才能重新操作，保证人身安全；对一些提示性的信息则可以不用置位指令，当外部条件满足后自动恢复（见图5)。
   
  　　
  应用体会
　　通过对西门子PROFIBUS总线和STEP 7编程软件的长期使用，使我们对西门子产品有了深刻的认识和体会：
　　(1)PROFIBUS总线实现了现场设备和中央控制器之间的双向、高速、实时数据通讯，编程简洁方便。从站分配地址后，数据在主站中直接引用从站的VW。不需另外编程。
　　(2)应用PROFIBUS总线控制，硬件接线简洁。只需采用一根通讯线就可以将7个从站和两个伺服控制器连接起来；硬件组态简单。在设备安装、调试过程中大大减少了接线的工作量；同时使设备运行更加可靠，提高整机的性能；大大降低设备因线路引起的故障率。
　　(3)应用PROFIBUS总线控制. 数据交换速度快, 每个工位的状态传到S7-313C CPU基本没有延时, 系统响应性很好. 在所有工位的动作完成的时刻, 伺服电机马上就能开始带动坯垫运行, 感觉不到任何延时.
　　(4)单个工位采用S7-200控制, 绝大部分控制功能在本地实现, 每个工位出现异常状态的时候能及时停机并将异常状态反馈到S7-300 CPU. 同时, 网络如果出现故障, 也能完成本次控制, 不会出现误动作, 保护了设备和人身的安全.
　　(5)采用PROFIBUS总线专用的双绞屏蔽线,有效的解决了高次谐波等电气噪声的干扰,采用数据通讯方式比使用模拟量控制伺服控制器大大提高了系统的抗干扰能力。提高系统可靠性。
　　(6)STEP 7编程软件的还有远程监控功能，可以为维护提供快速反应，同时为企业节约大量维护成本。非常适合在本行业中的应用。