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铸造用混砂机的物联网开发

时间:2018-06-12 19:36 作者:pwj 点击:

摘要:混砂机作为铸造工艺中的重点设备, 是控制型砂质量、成本的关键因素。通常的混砂机管理采用事后通过统计数据来分析, 这些数据缺乏时效性及准确性, 不能满足现场混砂机的管理需求。通过利用物联网技术的改造, 对混砂机进行远程实时监控, 自动采集过程数据并记录统计, 全面提升混砂机的生产和管理水平。
 
  物联网是新一代信息技术的重要组成部分, 起源于上世纪90年代的美国。顾名思义, 物联网就是物物相连的互联网, 是指通过各种信息传感设备, 实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息, 与互联网结合形成的一个巨大网络。
 
  在我国工业经济快速增长的今天, 铸造业的大力发展和技改力度在逐年加大。绿色环保、再利用能源的风电崛起、交通高铁、矿山行业的发展, 促进了铸造业的不断深入和技改突破。使铸造生产提出了更新、更高的铸造工艺要求, 也为铸造机械化设备提出了更新的要求。
 
  传统的呋喃树脂砂铸造工艺中, 包含造型、熔炼和清理三大工序, 混砂机是造型工序中制作砂型、砂芯的重点设备。通过储砂斗和各级传送机构将再生砂输送至混砂搅笼, 同时加入树脂和固化剂液料进行搅混, 最终输出合格的自硬砂。
 
  1 现状简介及开发思路
 
  共享集团作为铸造行业的“排头兵”, 旗下各铸造公司均有数台混砂机, 日常对混砂机的管理包含质量、成本、量化等多方面, 这些管理项需要大量的现场数据和过程参数来支撑, 但通常数据处理的方法是在作业后对混砂机的数据和参数进行人工采集和记录, 再进行相应的统计分析, 从而做出各种改善。这就导致了这些数据、参数缺乏时效性, 同时人工记录和计算得出的数据难免出现误差, 又会造成数据的不准确, 上述原因均会造成数据、参数不能真实、有效地反映生产过程的设备状况及质量状况, 若使用这些数据来进行相应的统计分析, 针对问题的改进措施也无从谈起。
 
  以共享集团某公司使用的江苏某铸机厂生产的30 t移动混砂机为例, 利用物联网技术可以有效解决上述问题。首先改造液料控制系统, 安装智能化仪表对液料流量进行实时采集和监控, 并通过PLC编程实现液料的闭环控制;其次为S7200系列PLC配置专用通讯模块, 并使用满足802.11b无线标准的无线模块, 搭建数据交互的以太网通信平台;最后利用先进的工业组态软件, 设计监控界面, 将现场采集到的各类数据及参数组态至监控界面, 实现远程实时监控管理, 并对这些数据进行加工分析。
 
  2 智能仪表及PLC改造
 
  2.1 液料系统的改造
 
  30 t混砂机使用两套液料系统, 分别控制树脂和固化剂的液料加入, 由0.75 kW和0.55 kW的交流电机变频驱动。按照前述思路, 流量约为5 l/min和2 l/min, 结合使用参数及技术要求, 对两路液料分别加入智能仪表———电磁式体积流量计 (图1) , 实时采集流量信息, 并能转换输出标准4 mA~20 mA电流信号供PLC采集。
图1 电磁流量计

图1 电磁流量计

  2.2 PLC改造
 
  原控制系统为CPU226系列PLC, 配置三块数字量输入/输出模块EM223, 该配置满足输入输出控制的需求, 同时可供组态监控提取各设备状态, 在原基础上不再增加数字量模块。流量采集至PLC模块时, 需对应的模拟量输入模块进行A/D转换运算, 故需要增加两路模拟量输入的EM231模块 (图2) 。同时通过闭环调节的运算后需要由PLC来自动控制变频器调整频率, 故增加两路输出的EM232模块进行D/A转换运算。
图2 PLC模块配置

图2 PLC模块配置

  硬件配置完成后, 需对模拟量处理进行编程, 通过编辑线性转换公式并调用子程序, 流量计采集到的模拟量可输入PLC进行运算处理, 采集到每秒钟流量, 通过累计叠加每秒钟的消耗的流量, 则可以计算实际流量的消耗, 从而计算成本。再利用PID调节算法, 调整PLC的输出控制变频器, 控制电机转速, 达到自动控制、调整流量的目的。
 
  3 物联网通信平台搭建
 
  3.1 以太网通讯模块
 
  西门子200系列PLC配置有标准的以太网通信模块CP243-1, 通过添加安装模块, 并组态编程, 利用TCP/IP协议使得该PLC控制系统具备以太网的通讯能力, 满足物联网的基本功能。
 
  3.2 无线通信网络
 
  由于30 t混砂机为移动型设备, 且移动范围近百米, 无法利用普通超五类UTP连接。经过详细的调研各类工业网络通信方式, 最终选择了利用西门子SCALANCE系列组建无线通信网络 (图3) , 分别为混砂机和客户端安装ANT 792无线发射/接收天线及784/744客户端, 组态并配置无线网络。经过通信平台的搭建, 该混砂机便具备了通过无线网络向中控室或服务器实时发送并接收数据的功能。
图3 SCALANCE交换机

图3 SCALANCE交换机

  4 WinCC集成组态
 
  4.1 监控界面的开发
 
  经过现场采集并传送的数据和参数可直接反应设备和生产过程状况, 但由于其专业性较强, 所有数据和参数均显示在PLC系统中, 除非经过培训, 普通员工无法直接了解其中的具体含义, 因此需开发出简单直观的界面, 将设备数据及参数的含义直接体现在人机交互的界面中, 如图4所示。供不同层次的人观看及使用相关数据。
 
  4.2 集成组态
 
  1) 由于该类型混砂机使用S7-200系列PLC, 通过Step7软件组态S7-200系列PLC, 在服务器中虚拟出PC Station作为站点, 该方式可连接数个PLC硬件且通信稳定。
 
  2) Simatic Net组态硬件连接后, 需将PLC中的各变量添加至OPC Scout.
 
  3) 在OPC软件中添加的变量可直接被WINCC调用, 变量表中的变量可供组态界面连接动画或供数据库调用。组态完成的监控界面可直观的了解到设备各机构动作、过程参数、统计数据和报警信息等重要设备状态, 并可为其他软件提供数据接口。
 
  5 效果评估及总结
 
  前述各项改造结束后, 最终可以实时检测出作业过程中的液料流量, 并对其进行闭环控制:当设定好液料加入量后, 系统通过PID算法对流量作出自动调整, 从而控制液料加入量在要求的标准范围内;具备了无线通信平台的混砂机, 可在移动范围内与应用层及管理层进行各类的双向数据交互;远程监控功能的实现可让技术和管理人员实时了解现场的生产状况, 出现异常现场能第一时间进行反馈并及时处理, 同时经过组态的数据和参数可长期保留在数据库中, 方便调用和查看。
图4 远程监控界面

图4 远程监控界面

  此混砂机的物联网开发历时两个月, 其中用到的物联网关键技术有传感器技术、工业以太网通信技术、PLC编程技术、人机交互技术, 二维组态技术等。通过智能仪表的传感技术采集和感知现场信息、依靠工业通信网络传输数据、由数字化控制系统进行分析和决策、最终控制执行系统, 在此过程中的设备参数、质量信息、成本等管理数据均进行了实时记录、统计和展示, 从而满足了更高级的管理需求。