纸币清分流水线自动化解决方案的研究

纸币清分流水线自动化解决方案的研究

张恒

佛山市汇粤友创智能装备有限公司

摘要：本文旨在对纸币清分行业做工艺分析与探讨 ，并对自动化设备进行方案的研究提出了切实可行的硬件架构和软件实施方案，尤其通信和UI级态方面利用TCP/IP网络将控制器S7-200 CPU与PC 中 WINCC组态软件进行联网，并可实时将可编程控制器中的控制与记录信息传送到PC,进行监控和记录，并且可以以wincc为控制台，作为控制中心，将整线所有设备协同控制，实时响应，保障纸币扎把、分拣、传输、码垛、套膜、塑封等环节，可靠控制，是自动控制相关技术的融合，同时提出了一种可后续拓展多机位的方案，适用不同大小清分中心场地应用，在纸币清分行业拓展应用。提升处理效率和精准度，创造生产效益。

关键字：纸币清分  自动化  可编程控制器 组态软件 多机位

1. 行业背景分析

1.1 金融行业的发展趋势

随着国内自动化技术在不断的深入，PLC控制技术的广泛应用，越来越多的企业在实施自动化解决方案，国内正处在“机器换人”的时代，各行各业，欣欣向荣，这说明随着人口的减少，劳动力成本的提高，各行各业都在转型升级，提高自动作业程度，以期提高效率和管理进而提升企业在市场中的竞争力。同样，在金融机具领域，各种新兴的现金钞票处理设备正悄然而生。逐步改善着金融业务尤其现金处理业务的作业方式和习惯，其使自动化和智能化的程度正在逐步提高。而在清分中心这一庞大的现金处理中心业内，正是自动化技术的集中应用点。

1.2 应运而生的清分流水线

清分中心，是大量现金折集散地，每天都会有大量的钞票做集中的清分作业，重新清分过的钞票再回转市场。而传统的清分中心主要采用清分设备（小型清分机具）、捆扎设备并辅以人工盖章、墩齐、捆扎、贴标再整理的工作模式，随着业务量的逐步增大，设备及人员配置会成倍增长，这样以人工为主的工作方式只能以延长工作时长、增加劳动强度为代价而不断增加产出。这仍然是劳动密集型的生产模式。而在当今时代，劳动力成本逐步上升，业务安全管理的需求加大，清分中心的转型升级也是必然的趋势。全自动清分流水线应运而生。大力整合了清分机具及包装设备、软件技术及其它功能于一体，实现“实物流”与“信息流”的结合，助力清分中心的自动化和智能化的转型升级。

本报告重点研究纸币清分流水线线体部分的自动化控制方案分析。

2. 工艺需求分析

根据清分业务需基本作业流程，现总结出如下工艺需求要点：

1)对钞把（100张为的把）进行基本的传送，保证平稳可靠传输；

2)对不同属性的钞票进行“分拣作业”，可以区分出ATM钞钞把和流通钞钞把；

    （注：ATM钞即可以进入ATM机作业的较好的钞票，流通钞票即适合在市场进行流转的钞票）

3)有对钞票位置提升的功能并且可以进行相应的盖章作业（根据需求灵活定制）

4)有多个机位的需求，并且可以同时进行作业互不干扰

5)对于机位的控制可以灵活选配，并且可以进行多个机位的灵活扩展

6)能进行钞捆（十把为一捆）的分拣处理，将不同属性的钞捆分开堆放

7)可以对整个线体进行集中监控、集中控制

8)能实现对清分作业的数据记录，相关数据可以在监控界面要点指示

9)单个机位可以实现远程的故障重启功能

10)有一定的用户权限限制，不同地权限账户可进行不同的功能使用

11)线体需有一定的硬件操作按钮包括启动、急停，必要的指示等

3. 硬件方案

   根据上面的工艺需求分析，结合西门子小型PLC产品特性、技术要点等，现搭建如下控制系统，本节重点介绍解决方案的硬件组成部分。

3.1 硬件组成

 目前西门子PLC中S7-200是小型PLL中的主流产品，并且有着较高的性价比，较好的位置控制性能，可以满足对于步进电机或伺服电机的脉冲控制，标准版可以灵活选配I/O模块，有着较好的扩展性，并且PLC与PLC之间可以通过西门PPI协议进行点对点通信，实现数据的交换，还可以通过OPC服务器实现与上位机的通信。基于种种有利因素以及实际灵活扩展的需求，整套控制系统选用三台S7-200做基础框架，分别实现对1#、2#、3#三个机位的传送、提升、分拣以及数据统计的需求等。另外选用一台PC做为控制中心，即上位机所在，选用西门子WinCC组态软件进行上位机组态，可以对整个控制系统进行集中的控制。各机位的输入主要为光电开关、磁性开关以及限位开关等开关量信号；输出主要为交流电机、直流电机、步进电机以及气缸为执行器件，系统可以满足这些基本的需求。

为实现上述功能需求，下面是方案的系统架构简图：

图1：系统硬件网络架构图

   本报告仅以三机位需求为例进行设计方案的分析与规划，1、2机位或其它多机位的线体可以以此为参考进行灵活配置应用。

3.2 工艺设计

依据控制系统的硬件组成网络，结合线体可以灵活扩展机位的需求，在工艺方面，控制柜的设计则也可以按机位进行，即每个机位设置一个控制柜，这样设计可以保证一机位为主控柜，不论几个机位（最少是一个机位）都可以保持一机位的独立性，而剩余二机位和三机位其功能需求是完全一致的，其控制范围限定在单个机位，信号部分可以通过屏蔽双绞线进行通信传送至主站即一机位PLC。这样在机位进行扩展时可以直接在硬件上进行额外扩展，而不必更改前面已有机位的硬件部分。届时只需要在程序控制部分和通信部分适当增加扩展机位的信号或数据区域即可。

下面是方案的系统架构简图：

图2：电气工艺设计架构

每个机位一个控制柜，这样的方式对于线缆的布局铺设也很方便 ，每个机位各自独立，只需要在自己的控制柜内向机位接入输入输出信号即可。对外只需要连接电源线和通信线即可。控制器的IO信号不必与其它机位进行交叉。

4. 软件实施

    根据系统的功能需求，在软件方案上对于各关键部分的控制做如下图所示的区块功能控制。其中：

1)在中控台的PC中用WinCC组态上位机，并通过OPC服务器实现与底层CPU226 PLC 的通信，并且对线体下发启动、停止，机位选择，通道选择等其它功能选择命令。并且 可以接收线体PLC发送过来的线体或单机位的故障报警状态，以及各个机位处理的钞把的数据状况，如ATM钞的把数，TLR钞票的把数等等。并且可以通过动画的方法对整个线体进行集中的动态指示。可以指示钞票 所在的位置以及不同钞票的面额。

2)各个站点的PLC仍然是以控制单个机位的执行器件为主，并采集机位上的钞票或位置检测信号，其主要的执行动作为入口处的翻转气缸，水平段的传送皮带，提升段的传送皮带，提升电机，提升推钞气缸，以及分拣传送皮带，两个通道的分拣气缸，以及两个主线的传送皮带等。

图4：程序控制功能分布图

4.1 主要程序架构图

   对于本方案的PLC控制系统，没有较多或复杂的控制功能需求，通信量也较小，所以仍然采用梯图的编程方式，具体的各站的程序架构如下几点说明：

1)1#机位即PLC主站：

图5：主站PLC程序架构

注：上位机组态软件部分将在后面介绍。下面是控制系统的简要流程图（机位的正常运行部分）

图7：机位程序控制流程图

4.2 各站点间通信的实现

基于CPU226 CPU在进行PPI主从站通信连接时，程序部分可以直接调用网络读写指令，对同一网络内的站点进行数据区域的读写操作。

4.3 中央控制系统的软件组态

1)OPC服务器设置

图9：OPC服务器软件变量配置

2)软件的界面组态，主页面的详细功能设置方案（涉及公司机密不便透露），主要分为主页面，维护界面，手动控制界面，设置页面等几个部分。实现控制、监控和记录功能。

5. 实施规划与总结

   对于本方案的实施，需要在方案拟定的先进行电气图的设计包括原理图和装配图的完成。然后再按照图纸进行严格的电气装配。最后再进行程序部分的编制以及相关技术文档的编写。

本报告从清分业务的需求分析入手，梳理出整个设备的的各部分需求框架 ，再细化成以PLC技术为基础的系统架构，形成 最后的可行方案。再从经济性和灵活性考量确定最终方案。再到工艺设计部分，整个硬件架构做了较为详细的介绍。软件方案的实施也结合了实际的软件编程应用做了程序架构的说明以及部分程序流程图的参考。到中央控制中心的软件集成部分都做了说明 。是较为完整清分流水线的控制系统解决方案。在实际的工程实践中可以灵活应用 。