自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線的控制分析

文／劉業(yè)景·中國重型汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)發(fā)展中心朱舸，周琳琳·中國重型汽車集團(tuán)有限公司濟(jì)南鑄鍛中心

自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線的控制分析

文／劉業(yè)景·中國重型汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)發(fā)展中心朱舸，周琳琳·中國重型汽車集團(tuán)有限公司濟(jì)南鑄鍛中心

重型汽車前軸鍛造生產(chǎn)線涉及設(shè)備較多，工序較長，而要實(shí)現(xiàn)此類生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制，則需要處理較大的信息量，過程繁瑣。下面以前軸鍛造為例，對自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線的控制進(jìn)行分析。

前軸鍛造工藝過程與生產(chǎn)線主要設(shè)備配置

前軸鍛造的工藝過程為：料段加熱、輥鍛制坯、壓彎、預(yù)鍛、終鍛、切邊、校正。圖1所示為前軸鍛造工藝過程流程圖。

圖1 前軸鍛造工藝過程流程圖

所需設(shè)備為：中頻感應(yīng)電爐、φ930mm自動(dòng)輥鍛機(jī)、120MN熱模鍛壓力機(jī)、16MN切邊壓力機(jī)、20MN液壓校正機(jī)、機(jī)器人及石墨站、毛邊輸出鏈、鍛件輸出懸掛鏈等。其他必備的是壓縮空氣、水（軟化水、自來水）、電、天然氣等。

實(shí)現(xiàn)鍛造生產(chǎn)線自動(dòng)化的條件

前軸鍛造生產(chǎn)的步驟:人工上料→感應(yīng)加熱→輥鍛機(jī)自動(dòng)輥鍛制坯→壓彎→預(yù)鍛→終鍛→切邊→校正。

生產(chǎn)線區(qū)域劃分

為簡化通訊便于控制，對生產(chǎn)線進(jìn)行區(qū)域劃分：⑴電爐區(qū)域，該區(qū)域包括人工上料、中頻電爐，屬于半開放區(qū)；⑵輥鍛區(qū)域，該區(qū)域包括自動(dòng)輥鍛機(jī)及機(jī)械手、1號機(jī)器人；⑶鍛造區(qū)域，鍛造主機(jī)、噴淋機(jī)器人及石墨站、2號機(jī)器人、4號機(jī)器人；⑷切邊區(qū)域，切邊壓力機(jī)、5號機(jī)器人；⑸校正區(qū)域，20MN液壓校正機(jī)、6號機(jī)器人；⑹懸鏈區(qū)域，毛邊輸送鏈、鍛件懸掛鏈。

自動(dòng)化控制的初始條件

自動(dòng)化控制的初始條件如表1所示。

表1 自動(dòng)化控制初始條件

編制流程圖

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)的控制順序如圖2所示。

圖2 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)的控制順序

自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與配置

硬件部分

生產(chǎn)線采用西門子profibus現(xiàn)場總線技術(shù)，由工控機(jī)、主站PLC、設(shè)備從站PLC及通信模塊組成。總線控制系統(tǒng)分為兩層：上層為車間監(jiān)控層，由以太網(wǎng)控制，用來完成車間主生產(chǎn)設(shè)備之間的連接，實(shí)現(xiàn)車間級設(shè)備的監(jiān)視和主控；下層為現(xiàn)場設(shè)備層，profibus-DP控制。通過以太網(wǎng)路由器PLC與總控交換機(jī)、人機(jī)界面進(jìn)行信息共享，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從站PLC連接分布式遠(yuǎn)程IO、智能信息傳感器數(shù)據(jù)采集、變頻器等驅(qū)動(dòng)裝置的DP通信。通過每臺(tái)設(shè)備中DP耦合器，各設(shè)備控制系統(tǒng)PLC完成與主控PLC的接口通信，從而實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，并由總控PLC來分發(fā)信號，以此達(dá)到生產(chǎn)線各級設(shè)備信號的快速傳遞和功能連鎖等功能。

⑴主控PLC的系統(tǒng)配置組態(tài)。

主站控制系統(tǒng)采用SIEMENS S7-319F故障安全型CPU為主控制器，總線上所有設(shè)備的生產(chǎn)工藝控制程序存儲(chǔ)在主站中，并由主站執(zhí)行。主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

⑵從站PLC的系統(tǒng)配置組態(tài)。

以生產(chǎn)線中從站中頻感應(yīng)爐為例，作為生產(chǎn)線的源頭供應(yīng)，該部分起著至關(guān)重要的作用，設(shè)備信息要同時(shí)反饋至下一工序輥鍛機(jī)和總控，以便后續(xù)設(shè)備可以及時(shí)作出響應(yīng)。從站PLC硬件組態(tài)如圖4所示。

圖4 從站PLC硬件組態(tài)

⑶DP-DP耦合器的應(yīng)用。

SIEMENS的DP/DP Coupler作為一種網(wǎng)絡(luò)耦合器，配有2個(gè)獨(dú)立的DP接口，用于連接兩個(gè)物理上相互獨(dú)立的profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。DP/DP Coupler在其兩側(cè)DP網(wǎng)絡(luò)中都作為從站工作，以從站的方式將一側(cè)網(wǎng)絡(luò)上的主站數(shù)據(jù)傳送給另外一側(cè)網(wǎng)絡(luò)上的主站。使用DP/DP Coupler組建的多主站profibus-DP系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)穩(wěn)定，通信可靠，容錯(cuò)性能好，在任何一條網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障后，也不會(huì)影響其他網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

⑷工控機(jī)實(shí)現(xiàn)上位監(jiān)控及與故障診斷。

工控機(jī)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)信息的管理及生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控；現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，控制系統(tǒng)參數(shù)的顯示，均以圖形或數(shù)字形式幫助操作人員及時(shí)掌握生產(chǎn)線的信息。同時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將生產(chǎn)現(xiàn)場相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類采集，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，供技術(shù)人員對統(tǒng)計(jì)、品質(zhì)等方面的分析。

軟件部分

軟件部分由PLC組態(tài)編程軟件和工控機(jī)組態(tài)軟件共同組成。

⑴PLC應(yīng)用軟件。

采用SIEMENS Step 7 V5.5完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和特殊模塊GSD文件的導(dǎo)入，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制過程。Step 7組態(tài)編程靈活方便，在線調(diào)試、仿真功能先進(jìn)，模塊化的編程模式為程序設(shè)計(jì)提供了較好的技術(shù)支持。

⑵工控機(jī)組態(tài)軟件。

采用SIEMENS WINCC 7.0組態(tài)軟件，集控制、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)系統(tǒng)等技術(shù)于一體，集成各種通訊接口，可以和各種智能設(shè)備互相通訊。工業(yè)以太網(wǎng)將各個(gè)設(shè)備信息快遞給工控機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，通過WINCC組態(tài)界面，清晰的將數(shù)據(jù)、報(bào)警、統(tǒng)計(jì)等信息顯示，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制。

監(jiān)控系統(tǒng)

控制系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)線內(nèi)各執(zhí)行單元的運(yùn)行狀態(tài)。因此，必須建立監(jiān)控系統(tǒng)，包括功能監(jiān)控和工藝監(jiān)控。

功能監(jiān)控

用于收集設(shè)備信息，功能監(jiān)控信息定義為一般信息、報(bào)警信息和錯(cuò)誤信息。針對不同級別的信息，要制定相應(yīng)的處置制度。

⑴一般信息。

為操作人員提供的生產(chǎn)線尚未進(jìn)入生產(chǎn)狀態(tài)的工作參考，例如在連線時(shí)，當(dāng)某個(gè)單元不能啟動(dòng)（例如，泵、主電機(jī)或控制系統(tǒng)），屏幕上就會(huì)出現(xiàn)該信息。如果信息起因發(fā)生了變化，則消息會(huì)自動(dòng)在屏幕上消失。一般性信息處置方式為：自動(dòng)記錄，班后匯總，定期維保時(shí)集中處理。表2所示為常見一般信息。

表2 常見一般信息

⑵報(bào)警消息。

為操作人員提供的暫時(shí)對生產(chǎn)沒有直接影響的信息。如果消息起因發(fā)生了變化，則消息會(huì)自動(dòng)在屏幕上消失。表3所示為常見報(bào)警信息。報(bào)警信息的處置：自動(dòng)記錄，當(dāng)班完成生產(chǎn)時(shí)排除，不得帶到下一班次。

表3 常見報(bào)警信息

⑶錯(cuò)誤信息。

錯(cuò)誤消息表示機(jī)器出現(xiàn)故障，它會(huì)直接影響到生產(chǎn)并導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。機(jī)器故障分為控制系統(tǒng)立即關(guān)閉、控制系統(tǒng)在設(shè)備本次工作完成后關(guān)閉、控制系統(tǒng)在機(jī)器清空運(yùn)行后關(guān)閉三個(gè)級別。錯(cuò)誤信息的處置：自動(dòng)記錄，立即處理。常見錯(cuò)誤信息如表4所示。

表4 常見錯(cuò)誤（故障）信息

工藝監(jiān)控

工藝監(jiān)控用于對設(shè)備的操作、監(jiān)控和優(yōu)化進(jìn)行控制，以及故障原因的查找。該系統(tǒng)在多個(gè)方面簡化了鍛造生產(chǎn)線的操作?？梢栽谘b有Windows XP Prof.系統(tǒng)的普通個(gè)人電腦上運(yùn)行，運(yùn)行的基本程序?yàn)镾IEMENS WinCC 。數(shù)據(jù)保存在Microsoft SQL服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。裝有該系統(tǒng)的電腦通過以太網(wǎng)與鍛造生產(chǎn)線的其他機(jī)器設(shè)備連接。通過鍵盤和鼠標(biāo)執(zhí)行操作。 系統(tǒng)的顯示屏幕安裝在控制室內(nèi)的控制臺(tái)上。

各種信息在相連接的機(jī)器設(shè)備工藝層面（以太網(wǎng)）被收集。包括測量值、設(shè)定值、運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警、警告。此外還備有配方數(shù)據(jù)、機(jī)器技術(shù)資料，維護(hù)計(jì)劃等輔助信息供使用。對所收集的資料將進(jìn)行壓力變化情況、打擊力總計(jì)、溫度變化情況、報(bào)警統(tǒng)計(jì)幾個(gè)方面評估。

結(jié)束語

鍛造生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制涉及的設(shè)備多、工序長、信息量大，要充分考慮到鍛造行業(yè)特點(diǎn)和現(xiàn)場安全管理情況。同時(shí)需要對連線設(shè)備的狀態(tài)、運(yùn)行情況、工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)踐證明采取基于profibus現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)確實(shí)是可行的。

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