基于WINCC的涂料灌装生产线控制系统设计*

王卓君，闫 文，史蔚彪

（三江学院，南京 210001）

0 引言

涂料行业近年来发展较为快速，涂料作为化工液体产业，属于易燃易爆的介质，很难实现对生产过程的人工操作。企业急需在罐装环节提高自动化水平，以改善在市场中的竞争能力。

PLC 是一种多类型、小型化的自动控制技术开发的新一代工业全新控制化装置，采用数字运算、执行控制逻辑、算数运行操作将计数结果通过数字量或者模拟量送入输入/输出通道，对各种开关按钮、传感器、现场等的信号进行采集，再通过功能模块控制各种工业化的实际生产过程。WINCC组态软件是在计算机上在使用人员对操作系统的监控与调试下，将运行画面与实际生产要求进行人机界面的创立，通过实际操作系统的集成，采用接口通讯方式将WINCC组态软件和编程开发软件相结合进行使用。

在设计涂料染料控制系统的硬件组成方案的基础上，采用西门子组态软件WINCC V7.3 和Step7 V5.5 编程软件，可实现对涂料染料自动化罐装系统的过程控制及上位机监控画面的显示和过程的仿真。在自动化控制方面，可以大大减轻工人们的劳动强度，提高实时生产的安全性。

1 涂料罐装生产线的结构

涂料罐装生产线的结构如图1所示，具体如下。

（1）输送工位。生产线的初始工位，完成空瓶从输送带移至传送带的操作。依靠电机带动输送带，移动空瓶，将其带至输送带末端；在末尾，由传感器检测控制气缸将瓶子推至传送带上。

（2）灌装工位。罐装的核心部分。通过传感器感应空瓶是否移至工位罐装口下方，传感器检测到信号后，PLC 停止输送，打开罐装头，完成灌装，输送线再次启动。在系统运行过程中，PLC 监控涂料罐的液位，到下限后，补料阀打开进行补料。

（3）套盖工位。在瓶子到来之前，就要把瓶盖事先取好。使用传感器先确定瓶盖位置，待取盖电机移动至瓶盖上方时进行取盖；其次，取完后回到即将套盖工位上方，等瓶子到达此工位时，通过传感器检测瓶子，控制传动带停；最后，由控制套盖电机升降的气缸，配合电机旋转完成套盖动作。

（3）成品下线工位。由传感器感应配合PLC 里计数器完成计数操作，再由夹紧气缸完成夹紧动作。升降电机正转，驱动卸货平台上升，到位后，涂料瓶被气缸推出，升降电机反转，卸货平台下降完成卸货[1]。

图1 灌装生产线结构图

2 灌装系统控制硬件组态方案

2.1 控制器的组态

自动灌装生产线控制系统由WINCC上位机监控，上位机和主站之间通过MPI网络通信[2]。从站由下罐机运输、传送带检测、灌装和旋盖工位检测、成品满瓶计数检测、模拟量补料供料功能5个分站点控制器组成。其中灌装生产线主站采用CP5611 通讯卡建立与上位机和从站的通讯，采用西门子300系列新标准型CPU314PLC，通过添加信号模块实现本站功能。供料检测站添加了模拟量输入输出扩展模块SM334。图2所示为灌装系统上位机结构框图。

图2 灌装系统上位机结构框图

2.2 PLC输入输出设备的组态及I/O配置

PLC控制系统的硬件设备配置如表1所示。

表1 自动罐装系统硬件配置

3 灌装系统PLC程序设计

3.1 输入输出设备端口分配

罐装系统输入输出设备端口分配如表2所示。

表2 灌装系统I/O分配表

3.2 灌装系统流程图

涂料染料自动灌装流水线的运行流程如图3 所示。通过下罐机对涂料瓶输送到流水线上，涂料瓶输送到运输带后，运输带上的光电传感器检测到瓶子的信号，从而驱动电机对运输带向前运输；涂料瓶随着运输带向前运输，当涂料瓶运输到涂料灌装工位上时，灌装工位的涂料瓶使光电传感器检测到输入信号，传输带的电机停止运行工作，灌装头限位传感器1 接通后开始对涂料瓶进行灌装；当涂料瓶灌装完成并且灌装头限位传感器2 接通后，运输带电机再次运行驱动运输带向前运输已灌装完成涂料瓶；当旋盖工位的光电传感器检测到已灌装的涂料瓶，运输带电机停止运行，旋盖手限位传感器1接通后，开始对涂料瓶进行旋盖；当涂料瓶旋盖完成并且旋盖手限位传感器2接通后，完成成品满瓶计数+1的计数，成品会随着运输带运输到下一个生产环节，当下罐机再次对涂料瓶下料时，灌装生产线将会完成周而复始的生产环节。提供灌装的涂料罐为50 L，当涂料罐内涂料小于5 L时，补料阀电磁阀将自动打开进行涂料补充；当涂料罐内涂料大于45 L时，补料阀电磁阀将会自动关闭阀门停止涂料的补充。

图3 灌装系统程序流程图

3.3 涂料罐液位检测程序设计

图4 液位采集程序

液位为模拟量，通过A/D变换，0～10 V的模拟量输入转换为0～27684的数字量[3]，采集到PLC的存储区。在控制程序里，先将模拟量输入信号从PIW256 读出，并对16 的整数进行数据类型的转换后，将PIW256采集的数字量进行标度变换0.0～50.0 L实际工程值[4]，如图4所示。

4 上位机监控系统设计

结合S7-PLCSIM虚拟仿真部分，采用WINCC V7.3组态软件在上位机上进行界面的组态[5]，实现自动监控涂料染料灌装生产线的功能。监控界面主要功能包括：罐装系统，具有手动、自动控制2种运行模式切换方式；成品计数统计；补料液位模拟量检测；组态下罐过程画面仿真；组态灌装过程画面仿真；组态旋盖过程画面仿真；组态灌装生产线监视总画面；上位机相应过程运行状态。

4.1 建立外部变量

在变量管理器中，展开新建立的“s7”，在名称栏、地址栏中建立以下变量，数据类型选择为二进制变量，长度为1，地址为位存储器。在模拟监控画面，上位机控件按钮选用必须为M区中间位储存器，如图5所示。

图5 建立外部变量

由于组态过程S7-PLCSIM 仿真器无法实时捕捉过程量的变化，所以要建立以下外部变量（MD36、MW100～MW116）控制画面的动态展示。

图6 添加过程画面

4.2 组态画面

选择“图形编辑器”，鼠标右键建立4 个名为“Newpdl0”、“process1”、“process2”、“process3”画面，将Newpdl0.Pdl作为起始画面[6]，如图6所示。

WINCC 上位机监控主画面如图7 所示。可以实现涂料瓶的下罐、运输、液位检测、罐装及旋盖等动作，并具有工作状态指示功能。如需要详细监控每个工位的工作过程，可以通过画面切换按钮切换到各个分画面。下罐过程画面如图7所示；灌装过程如图8所示；控旋盖过程如图9所示。

图7 组态下罐过程画面

图8 组态灌装过程画面

图9 组态旋盖过程画面

5 结束语

整个控制系统采用了分布式结构，现场层、PLC 控制层和上位机层[7]。上位机在WINCC 环境下开发，实现了对整个工艺工程的实时控制。S7-300PLC 作为主控制器，通过MPI与上位机通信，现场层完成对输送线、罐装及旋盖过程中的信号检测和控制[8]。本系统的应用可以大大降低工人的劳动强度，改善工人的工作环境，提高安全性。