鑄造用混砂機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)

任 波，常 濤，李亞雄

（共享集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750021）

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，起源于上世紀(jì)90年代的美國。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，是指通過各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。

在我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)快速增長的今天，鑄造業(yè)的大力發(fā)展和技改力度在逐年加大。綠色環(huán)保、再利用能源的風(fēng)電崛起、交通高鐵、礦山行業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了鑄造業(yè)的不斷深入和技改突破。使鑄造生產(chǎn)提出了更新、更高的鑄造工藝要求，也為鑄造機(jī)械化設(shè)備提出了更新的要求。

傳統(tǒng)的呋喃樹脂砂鑄造工藝中，包含造型、熔煉和清理三大工序，混砂機(jī)是造型工序中制作砂型、砂芯的重點(diǎn)設(shè)備。通過儲(chǔ)砂斗和各級(jí)傳送機(jī)構(gòu)將再生砂輸送至混砂攪籠，同時(shí)加入樹脂和固化劑液料進(jìn)行攪混，最終輸出合格的自硬砂。

1 現(xiàn)狀簡介及開發(fā)思路

共享集團(tuán)作為鑄造行業(yè)的“排頭兵”，旗下各鑄造公司均有數(shù)臺(tái)混砂機(jī)，日常對(duì)混砂機(jī)的管理包含質(zhì)量、成本、量化等多方面，這些管理項(xiàng)需要大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和過程參數(shù)來支撐，但通常數(shù)據(jù)處理的方法是在作業(yè)后對(duì)混砂機(jī)的數(shù)據(jù)和參數(shù)進(jìn)行人工采集和記錄，再進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，從而做出各種改善。這就導(dǎo)致了這些數(shù)據(jù)、參數(shù)缺乏時(shí)效性，同時(shí)人工記錄和計(jì)算得出的數(shù)據(jù)難免出現(xiàn)誤差，又會(huì)造成數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，上述原因均會(huì)造成數(shù)據(jù)、參數(shù)不能真實(shí)、有效地反映生產(chǎn)過程的設(shè)備狀況及質(zhì)量狀況，若使用這些數(shù)據(jù)來進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)問題的改進(jìn)措施也無從談起。

以共享集團(tuán)某公司使用的江蘇某鑄機(jī)廠生產(chǎn)的30t移動(dòng)混砂機(jī)為例，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效解決上述問題。首先改造液料控制系統(tǒng)，安裝智能化儀表對(duì)液料流量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控，并通過PLC編程實(shí)現(xiàn)液料的閉環(huán)控制；其次為S7200系列PLC配置專用通訊模塊，并使用滿足802.11b無線標(biāo)準(zhǔn)的無線模塊，搭建數(shù)據(jù)交互的以太網(wǎng)通信平臺(tái)；最后利用先進(jìn)的工業(yè)組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，將現(xiàn)場采集到的各類數(shù)據(jù)及參數(shù)組態(tài)至監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析。

2 智能儀表及PLC 改造

2.1 液料系統(tǒng)的改造

30t混砂機(jī)使用兩套液料系統(tǒng)，分別控制樹脂和固化劑的液料加入，由0.75kW和0.55kW的交流電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)。按照前述思路，流量約為5l/min和2l/min，結(jié)合使用參數(shù)及技術(shù)要求，對(duì)兩路液料分別加入智能儀表——電磁式體積流量計(jì)（圖1），實(shí)時(shí)采集流量信息，并能轉(zhuǎn)換輸出標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA電流信號(hào)供PLC采集。

圖1 電磁流量計(jì)

圖2 PLC 模塊配置

2.2 PLC 改造

原控制系統(tǒng)為CPU 226系列PLC，配置三塊數(shù)字量輸入/輸出模塊EM223，該配置滿足輸入輸出控制的需求，同時(shí)可供組態(tài)監(jiān)控提取各設(shè)備狀態(tài)，在原基礎(chǔ)上不再增加數(shù)字量模塊。流量采集至PLC模塊時(shí)，需對(duì)應(yīng)的模擬量輸入模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換運(yùn)算，故需要增加兩路模擬量輸入的EM231模塊（圖2）。同時(shí)通過閉環(huán)調(diào)節(jié)的運(yùn)算后需要由PLC來自動(dòng)控制變頻器調(diào)整頻率，故增加兩路輸出的EM232模塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換運(yùn)算。

硬件配置完成后，需對(duì)模擬量處理進(jìn)行編程，通過編輯線性轉(zhuǎn)換公式并調(diào)用子程序，流量計(jì)采集到的模擬量可輸入PLC進(jìn)行運(yùn)算處理，采集到每秒鐘流量，通過累計(jì)疊加每秒鐘的消耗的流量，則可以計(jì)算實(shí)際流量的消耗，從而計(jì)算成本。再利用PID調(diào)節(jié)算法，調(diào)整PLC的輸出控制變頻器，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到自動(dòng)控制、調(diào)整流量的目的。

3 物聯(lián)網(wǎng)通信平臺(tái)搭建

3.1 以太網(wǎng)通訊模塊

西門子200系列PLC配置有標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信模塊CP243-1，通過添加安裝模塊，并組態(tài)編程，利用TCP/IP協(xié)議使得該P(yáng)LC控制系統(tǒng)具備以太網(wǎng)的通訊能力，滿足物聯(lián)網(wǎng)的基本功能。

3.2 無線通信網(wǎng)絡(luò)

由于30t混砂機(jī)為移動(dòng)型設(shè)備，且移動(dòng)范圍近百米，無法利用普通超五類UTP連接。經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)研各類工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信方式，最終選擇了利用西門子SCALANCE系列組建無線通信網(wǎng)絡(luò)（圖3），分別為混砂機(jī)和客戶端安裝ANT792無線發(fā)射/接收天線及784/744客戶端，組態(tài)并配置無線網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過通信平臺(tái)的搭建，該混砂機(jī)便具備了通過無線網(wǎng)絡(luò)向中控室或服務(wù)器實(shí)時(shí)發(fā)送并接收數(shù)據(jù)的功能。

圖3 SCALANCE 交換機(jī)

4 WinCC 集成組態(tài)

4.1 監(jiān)控界面的開發(fā)

經(jīng)過現(xiàn)場采集并傳送的數(shù)據(jù)和參數(shù)可直接反應(yīng)設(shè)備和生產(chǎn)過程狀況，但由于其專業(yè)性較強(qiáng)，所有數(shù)據(jù)和參數(shù)均顯示在PLC系統(tǒng)中，除非經(jīng)過培訓(xùn)，普通員工無法直接了解其中的具體含義，因此需開發(fā)出簡單直觀的界面，將設(shè)備數(shù)據(jù)及參數(shù)的含義直接體現(xiàn)在人機(jī)交互的界面中，如圖4所示。供不同層次的人觀看及使用相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2 集成組態(tài)

1）由于該類型混砂機(jī)使用S7-200系列PLC，通過Step7軟件組態(tài)S7-200系列PLC，在服務(wù)器中虛擬出PCStation作為站點(diǎn)，該方式可連接數(shù)個(gè)PLC硬件且通信穩(wěn)定。

2）SimaticNet組態(tài)硬件連接后，需將PLC中的各變量添加至OPCScout.

3）在OPC軟件中添加的變量可直接被WINCC調(diào)用，變量表中的變量可供組態(tài)界面連接動(dòng)畫或供數(shù)據(jù)庫調(diào)用。組態(tài)完成的監(jiān)控界面可直觀的了解到設(shè)備各機(jī)構(gòu)動(dòng)作、過程參數(shù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息等重要設(shè)備狀態(tài)，并可為其他軟件提供數(shù)據(jù)接口。

5 效果評(píng)估及總結(jié)

前述各項(xiàng)改造結(jié)束后，最終可以實(shí)時(shí)檢測出作業(yè)過程中的液料流量，并對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制：當(dāng)設(shè)定好液料加入量后，系統(tǒng)通過PID算法對(duì)流量作出自動(dòng)調(diào)整，從而控制液料加入量在要求的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；具備了無線通信平臺(tái)的混砂機(jī)，可在移動(dòng)范圍內(nèi)與應(yīng)用層及管理層進(jìn)行各類的雙向數(shù)據(jù)交互；遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)可讓技術(shù)和管理人員實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況，出現(xiàn)異?，F(xiàn)場能第一時(shí)間進(jìn)行反饋并及時(shí)處理，同時(shí)經(jīng)過組態(tài)的數(shù)據(jù)和參數(shù)可長期保留在數(shù)據(jù)庫中，方便調(diào)用和查看。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

此混砂機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)歷時(shí)兩個(gè)月，其中用到的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)有傳感器技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)、PLC編程技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)，二維組態(tài)技術(shù)等。通過智能儀表的傳感技術(shù)采集和感知現(xiàn)場信息、依靠工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)、由數(shù)字化控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和決策、最終控制執(zhí)行系統(tǒng)，在此過程中的設(shè)備參數(shù)、質(zhì)量信息、成本等管理數(shù)據(jù)均進(jìn)行了實(shí)時(shí)記錄、統(tǒng)計(jì)和展示，從而滿足了更高級(jí)的管理需求。

[1]廖常初.S7-200PLC編程及應(yīng)用[M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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[4]胡錚.物聯(lián)網(wǎng)[M］.北京：科學(xué)出版社，2010.