基于Profibus-DP總線模式的中空玻璃合片機控制系統(tǒng)

張航，徐明剛，羅學科

（北方工業(yè)大學機電工程學院，北京 100144）

0 引言

隨著能源問題的日益嚴峻，現(xiàn)在城鄉(xiāng)建筑對節(jié)能玻璃的應用量與日俱增。中空玻璃是在兩塊或多塊玻璃之間加上充滿分子篩作為干燥劑的鋁隔條，經(jīng)壓合、涂膠密封而成的一種節(jié)能玻璃。

合片機是將兩塊或者多塊玻璃和中間裝有干燥劑分子篩的鋁隔條壓合在一起，并在中間填充氮氣或者其他惰性氣體，形成單腔或者多腔中空玻璃的設備。目前國內中空玻璃合片機還處于起步階段，較先進的即為自動壓合手動充氣的合片機，在中空玻璃合片工藝中不能實現(xiàn)全自動控制。在國外，李塞克、百超等少數(shù)幾家公司的中空玻璃合片機已經(jīng)達到工藝過程全自動的生產水平。但價格昂貴，給中空玻璃的生產帶來了較大的成本壓力。

全自動中空玻璃合片機，結構復雜，體積大，控制點的數(shù)目眾多并且分散，給控制系統(tǒng)方案設計、施工等增加困難。Profibus通信模式采用數(shù)字化通訊，是可以在控制系統(tǒng)中實現(xiàn)雙向、多點多站以及多變量的開放式的通信模式。Profibus-DP在保證控制信號準確信的同時，減少了大量的設計和施工的工作［1］。本系統(tǒng)在各站點之間采用Profibus通信模式，實現(xiàn)了主站與從站之間的雙向通訊，解決了控制系統(tǒng)方案設計、施工復雜的困難。

1 合片機結構

1.1 設備的功能分析

中空玻璃合片機的功能，可以從它的三個主要部分進行分析:玻璃輸入段、壓合段和玻璃輸出段。

玻璃輸入段，主要實現(xiàn)玻璃的輸入，并且在其輸入過程中，完成鋁隔條上框、玻璃幾何尺寸檢測以及兩塊或者多塊玻璃輸入的邏輯控制。

玻璃壓合段，實現(xiàn)中空玻璃壓合過程中各種大小玻璃的壓力控制、惰性氣體的填充控制、惰性氣體濃度的檢測、根據(jù)玻璃的不同尺寸對吸盤動作的控制、板壓過程結束以后將玻璃平穩(wěn)輸出板壓段。玻璃壓合段是中空玻璃合片機的重要部分。

玻璃輸出段，主要是將板壓結束的玻璃輸出，并傳送給涂膠工序。這過程要求玻璃輸出平穩(wěn)，并且根據(jù)傳感器信號判斷玻璃的輸出及停止過程。合理設計玻璃輸出段，既可以提高玻璃傳輸?shù)姆€(wěn)定性，也能提高涂膠工序的效益和質量。

1.2 合片機機械結構

根據(jù)玻璃合片機的功能，機械結構也主要分為輸入段、板壓段以及輸出段三個部分，如圖1所示:

圖1 合片機機械結構位置示意圖

玻璃合片機機械部分，其特點可以歸結為結構復雜、體積龐大，對其實現(xiàn)自動控制有一定難度。圖2即為合片機的整個機械部分的實物圖:

圖2 中空玻璃合片機實物圖

2 典型板壓工藝分析

根據(jù)玻璃腔數(shù)的不同和腔內填充氣體的不同，各種中空玻璃和片工藝過程各異。單腔惰性氣體中空玻璃的合片工藝是最具代表意義的典型中空玻璃合片工藝。其工藝過程如圖3所示:

圖3 合片流程圖

3 控制系統(tǒng)的硬件設計

3.1 硬件平臺

具有充氣功能的中空玻璃合片機自動控制系統(tǒng)，采用上位機和下位機結合的方式。工控機為上位機，可實現(xiàn)人機界面的操作和程序的載入、調試。基于Profibus-DP總線模式的西門子S-300系列PLC為下位機，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種功能。

在控制系統(tǒng)中，硬件部分分為一個主站系統(tǒng)和三個從站子系統(tǒng)，各站之間通過Profibus-DP總線實現(xiàn)通訊。其中主站完成板壓機后片的板壓工作、控制玻璃在板壓過程中的定位工作;輸入段從站邏輯控制玻璃的輸入輸出，完成玻璃幾何尺寸的檢測;前片控制從站完成惰性氣體充氣及板壓輔助工作;供氣系統(tǒng)控制從站完成惰性氣體氣體輸入的控制工作。

其硬件方案框圖如圖4所示。

圖4 硬件控制方案框圖

3.2 控制系統(tǒng)的主站

具有充氣功能中空玻璃合片機控制系統(tǒng)的主站，主要是控制合片機的后片，完成玻璃合片時的壓力控制及輔助動作控制。在玻璃和片的壓合過程中，壓力通過伺服電動機帶動的機構提供，其玻璃合片的力是根據(jù)幾何尺寸變化的［2］。

合片壓力由伺服電動機帶動的板壓機構提供。伺服電動機工作在轉矩模式下，通過模擬量輸出模塊提供的電壓控制電動機的輸出轉矩。伺服驅動器接口接線圖如圖5所示:控制板壓的伺服電動機通過PLC的DO控制伺服驅動器的伺服及模式輸入，驅動器再將伺服報警返回給PLC?？刂妻D矩的模擬量由西門子PLC的AI模塊提供。

圖5 伺服驅動器接線圖

在板壓過程中，精準的板壓位置使用伺服電動機實現(xiàn)，使用西門子FM354定位模塊控制伺服電動機。FM354定位模塊控制伺服電動機控制原理框圖如圖6所示:

圖6 伺服控制原理框圖

首先PLC向FM354定位模塊、伺服驅動器發(fā)出指令，使之進入工作，F(xiàn)M354接到指令以后，根據(jù)指令執(zhí)行工作，向伺服驅動器發(fā)出控制信號，同時向PLC返回相關的執(zhí)行信息。伺服驅動器根據(jù)FM354的信號，向伺服電動機發(fā)出工作指令信號，同時向FM354返回信息，向PLC CPU返回報警信息，使驅動器、FM354和PLC之間形成閉環(huán)控制。驅動器向伺服電動機輸出工作電壓，同時通過增量式編碼器向驅動器返回脈沖信號，驅動器與電動機之間形成閉環(huán)控制。

主站主要完成壓力控制和玻璃定位控制，此外，CPU通過DO/DI對玻璃的吸盤和惰性氣體充氣過程進行邏輯控制。

3.3 控制系統(tǒng)中的輸入段從站

輸入段從站控制玻璃的輸入輸出，以及在輸入過程中完成玻璃幾何尺寸的測量。

玻璃的輸入輸出都是用交流異步電動機帶動鏈輪，通過傳輸帶傳輸?shù)摹＝涣鳟惒诫妱訖C使用西門子MM440變頻器驅動，MM440變頻器直接連接西門子從站模塊IM153，與 PLC之間通過PROFIBUS-DP總線實現(xiàn)通訊。控制原理框圖如圖7所示。

圖7 交流異步電動機控制框圖

輸入段除了完成玻璃的傳輸以外，還需要完成玻璃厚度、寬度和長度等幾何尺寸的檢測［3］。

玻璃厚度的測量，通過電動推桿來測量，電子推桿根據(jù)電阻變化輸出一個電壓值。通過標定、計算，可以方便的出玻璃的厚度。

為提高可靠性，本系統(tǒng)通過三個傳感器配合玻璃的運動來測量玻璃的寬度尺寸。

如圖8所示，傳送帶上的玻璃片以一定的速度v前行，后支持板上裝有3個光電傳感器。玻璃片通過到達和離開，觸發(fā)光電傳感器，根據(jù)光電傳感器的信號進行計時，測出玻璃的寬度D。

圖8 板壓機輸入段傳感器示意圖

通過測量得出第三個傳感器S1，S2和S3之間的距離D1，D2和D3=D1+D2。當玻璃到達S1時，傳感器信號觸發(fā)PLC內部計時器開始計時，到達S2處，記錄期間的時間t1。同理記錄玻璃從S2到S3的時間t2，S1到S3之間的時間t3。于是可以分別得出玻璃通過S1S2之間、S2S3和 S1S3 的平均速度 v1，v2，v3。

當玻璃到達傳感器S1時，傳感器信號觸發(fā)計時器開始計時;當玻璃末端離開傳感器S1時，結束計時并且返回時間值。從而可以得到玻璃邊沿從到達S1到離開S1的時間t1。同樣得到玻璃邊沿從到達S2，S3到離開S2，S3的時間t2，t3。則平均時間為:

于是，玻璃寬度尺寸為:

4 控制系統(tǒng)的軟件設計

軟件平臺主要包括使用西門子S7-300系列PLC配套的編程軟件Step7組態(tài)、控制系統(tǒng)通訊的建立和梯形圖編程三個部分。

硬件組態(tài)如圖9所示，本系統(tǒng)包括一個主站，三個從站。上位機與主站，主站與從站之間通過Profibus-DP通訊。

圖9 軟件組態(tài)圖

通過正確建立通訊和組態(tài)，根據(jù)合片機工作工藝，很容易調用工功能模塊和編寫梯形圖，完成復雜的程序編寫。本系統(tǒng)中調用的功能模塊如圖10所示。

圖10 軟件中調用的功能模塊

5 實驗

經(jīng)過對基于西門子PLC S7300及Profibus-DP總線模式的立式中空玻璃自動合片機控制系統(tǒng)進行調試并試生產運行，該設備進入工作后運作正常，符合預期要求。經(jīng)檢測，生產的出來的中空玻璃符合要求。圖11為部分合片后的中空玻璃。

圖11 合片后的中空玻璃

6 結束語

通過對中空玻璃合片工藝的研究，開發(fā)了基于西門子PLC S7300及Profibus-DP總線模式的立式中空玻璃自動合片機控制系統(tǒng)。經(jīng)過實際生產調試，作者研究開發(fā)的中空玻璃合片機控制系統(tǒng)很好地達到了生產的要求，滿足了工業(yè)自動化控制的需要。較大程度上減少了合片機的成本，在中空玻璃板壓的質量和效率方面都達到了國外同類產品的水平。

［1］董明.基于PROFIBUS-DP總線和$7300的電機調速系統(tǒng)設計［J］.制造業(yè)自動化，2011，（4）:134-136.

［2］全國建筑用玻璃標準化技術委員會.GB/T.11944-2002中空玻璃國家標準［S］.北京:中國標準出版社，2002.

［3］ Peter Lisec.PROCESS FOR ASSEMBLY OF INSULATION GLASS PANES WITH INTERIOR FILLED WITH A HEAVY GAS［P］.United States Patent:US005676782A.1999.