一種新型五模五沖成型機自動控制系統(tǒng)設(shè)計

王峰 丁金林 趙志遠 劉智文 陳夏裕

【摘 要】針對目前五模五沖成型設(shè)備控制系統(tǒng)簡單、穩(wěn)定性差、故障率高及工業(yè)數(shù)據(jù)難以采集等缺點，設(shè)計一種集自動控制、工況顯示、數(shù)據(jù)傳輸、故障診斷的五模五沖成型機自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以S7-200 Smart PLC控制器為核心，通過多種傳感器實時監(jiān)測系統(tǒng)的遠行狀況，在線進行故障診斷，實現(xiàn)了不同工況下成型機的智能控制。該系統(tǒng)操作更加簡單，有效提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，改善了產(chǎn)品的質(zhì)量，具有很好的應(yīng)用前景。

【Abstract】In view of the shortcomings of the control system of the five die five molding equipment， such as the simple control system， poor stability， high failure rate and difficult acquisition of the industrial data， an automatic control system for five die five molding machine with automatic control， working condition display， data transmission and fault diagnosis is designed. The system takes S7-200 Smart PLC controller as the core， monitors the remote status of the system through a variety of sensors in real time， diagnoses faults online， and realizes the intelligent control of the molding machine under different working conditions. The operation of this system is more simple， and it can effectively improve the stability of the equipment and the quality of products，? and the application prospect of which is promising.

【關(guān)鍵詞】五模五沖;故障診斷;PLC;工業(yè)防火墻

【Keywords】five die five; fault diagnosis; PLC; industrial firewall

【中圖分類號】TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）01-0157-03

1 引言

隨著勞動力成本以及行業(yè)競爭的加劇，緊固件產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和產(chǎn)品柔性更加依賴成型加工設(shè)備。成型機屬于冷鐓設(shè)備，主要用于螺絲產(chǎn)品的頭部成型[1]，五模五沖成型機有5個加工工位，每個工位有獨立的成形沖頭組、母模組以及相關(guān)的調(diào)整部分，線材經(jīng)矯直、送線、剪短、送料進入模腔，工料在各工位間由獨立的夾爪傳送，通過5次冷鍛，能實現(xiàn)比較復(fù)雜的各種異型螺釘、空心或半空心鉚釘及異形零件成型[2]。目前市場上傳統(tǒng)的成型機原理較為簡單，電氣控制系統(tǒng)

僅由一些交流接觸器、繼電器及開關(guān)按鈕組成，存在以下問題：

①設(shè)備陳舊，自動化程度低，難以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制及監(jiān)測;

②缺少故障診斷及在線質(zhì)量檢測功能，容易出現(xiàn)設(shè)備故障及產(chǎn)品質(zhì)量問題，在設(shè)備工作過程中需要專人看機，隨時觀察設(shè)備故障及產(chǎn)品質(zhì)量，進行停機等相關(guān)工作，勞動效率低 [3-4];

③產(chǎn)品數(shù)量及故障信息無法獲取，由于缺少計件，難以得到實時的產(chǎn)品數(shù)量，影響計劃的排產(chǎn);

④工業(yè)數(shù)據(jù)難以采集及傳輸，不能為決策提供依據(jù)。

針對以上問題，本文在分析設(shè)備故障的原因及影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種五模五沖成型智能控制系統(tǒng)，采用多傳感器融合技術(shù)，可實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，在線進行故障診斷，并針對產(chǎn)品質(zhì)量進行分析，在確保工控信息安全的前提下，實現(xiàn)系統(tǒng)控制的自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，并將工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，為實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)打好堅實基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主電路設(shè)計

系統(tǒng)主電路如圖1所示，由7.5kW三相異步主電機、0.9kW油泵、2臺空氣開關(guān)、1臺熱繼電器、3組接觸器、開關(guān)電源、電磁閥、轉(zhuǎn)速感知器、指示燈及繼電器組成，其中系統(tǒng)的總開關(guān)為QS1，油泵的電源開關(guān)為QS2，F(xiàn)R用于主電機的熱保護，KM1、KM2分別控制主電機的正反轉(zhuǎn)，KM3控制油泵的開啟，控制器輸入輸出由開關(guān)電源提供，KA1、KA2、KA3繼電器分別驅(qū)動氣動電磁閥、工作指示燈及報警燈，轉(zhuǎn)速感知器用于設(shè)備回轉(zhuǎn)異常檢測，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護。

2.2 系統(tǒng)控制電路設(shè)計

五模五沖成型機自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)包括PLC、設(shè)備上電開關(guān)、急停開關(guān)、自動開關(guān)、正轉(zhuǎn)點動開關(guān)、反轉(zhuǎn)點動開關(guān)、油泵開關(guān)、缺材傳感器、計數(shù)傳感器、短寸傳感器、感測傳感器、轉(zhuǎn)速感知器、觸摸屏、工作站、交換機等。西門子S7-200 Smart PLC 是控制系統(tǒng)的核心，負責(zé)對現(xiàn)場信號進行采集、處理與分析，同時通過交換機與現(xiàn)場的觸摸屏、工作站及數(shù)據(jù)中心通信，提供良好的人機交互窗口和遠程監(jiān)控功能。

系統(tǒng)的工作狀態(tài)有自動、點動、停止三種工作狀態(tài)，點動模式用于點動調(diào)試機器，可根據(jù)要求進行正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)點動，每按一次，機器動作一次，在設(shè)備調(diào)試好后，點動沒有問題，機器的潤滑和冷卻都調(diào)到合適狀態(tài)，進料正常后，按下自動開關(guān)，機器進入自動生產(chǎn)。當(dāng)工件加工完成或出現(xiàn)故障時設(shè)備進入停機狀態(tài)，機器按照特定程序逐步完成相關(guān)部位停止工作。

為保護設(shè)備，轉(zhuǎn)速保護電路采用AMD轉(zhuǎn)速異常監(jiān)測器。當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)速出現(xiàn)異常時，控制器根據(jù)系統(tǒng)所處狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的動作，直至報警停機;工件計數(shù)傳感器采用接近開關(guān)設(shè)計，PLC利用HSC高速計數(shù)器進行采集，并通過屏幕顯示;缺材傳感器采用限位開關(guān)，短寸傳感器采用直流機身設(shè)計;尺寸監(jiān)測采用電壓輸出型位移傳感器，所有傳感信號均由PLC通過數(shù)字量和模擬量模塊采集，通過驅(qū)動繼電器和接觸器實現(xiàn)對設(shè)備的智能控制;為了確保工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全，系統(tǒng)配置工業(yè)防火墻HT-IFW-2020-C100，能對工控協(xié)議進行深度解析，采用黑、白名單的安全策略，過濾一切非法訪問，保證只有可信任的設(shè)備可以接入工控網(wǎng)絡(luò)，只有可信任的流量可以在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

3 控制軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制程序采用S7-MicroWIN Smart 軟件編寫，PLC主程序控制流程主要包含系統(tǒng)初始化、通信、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集模塊、控制及故障診斷模塊這六個子程序，初始化子程序包括系統(tǒng)缺省參數(shù)的調(diào)入、輸出的初始化等; 通信子程序主要負責(zé)PLC與觸摸屏之間通信及與遠程計算機之間的通信;參數(shù)設(shè)置子程序用于設(shè)置產(chǎn)品的型號、預(yù)加工數(shù)量、操作人員工號等信息;數(shù)據(jù)采集輸入子程序主要對缺材、短寸、轉(zhuǎn)速、計數(shù)、保護等傳感信號及各種開關(guān)信號進行數(shù)據(jù)采集、分析與處理;故障報警子程序可在線根據(jù)傳感信號進行數(shù)據(jù)融合，做出故障診斷，并根據(jù)故障類型存儲故障代碼，方便工程師進行故障處理。

控制子程序是系統(tǒng)控制的核心，可工作在手動調(diào)試及自動運行兩種模式。手動調(diào)試時，操作人員可根據(jù)需求按照一定順序啟動或者停止設(shè)備;當(dāng)調(diào)機正常后設(shè)備即可進入自動模式，系統(tǒng)設(shè)置了一鍵啟動、一鍵停機等智能控制按鈕。自動運行時，系統(tǒng)能根據(jù)各種傳感器信號及運行參數(shù)確定設(shè)備運行狀態(tài)，發(fā)出各種報警信息，進而實現(xiàn)對設(shè)備的保護。

4 系統(tǒng)界面設(shè)計

系統(tǒng)的現(xiàn)場控制柜除配置外部的基本手動按鈕外，還配置了寬屏觸摸屏Smart1000IE，可通過交換機與S7-200 Smart直接通信; 同時設(shè)置監(jiān)控計算機，其通過交換機可與多套成型機控制系統(tǒng)通信，并通過虛擬機顯示每套系統(tǒng)監(jiān)控畫面，不僅可以下發(fā)任務(wù)，還可依據(jù)流程經(jīng)授權(quán)對現(xiàn)場設(shè)備遠程控制，保證設(shè)備和工作人員安全。

人機交互界面設(shè)計采用SIMATIC WinCC Flexible 2008編程軟件，根據(jù)生產(chǎn)工藝進行人機界面設(shè)計，系統(tǒng)包含7個畫面，1個歡迎界面、1個主菜單界面及5個子界面。開機畫面顯示本設(shè)備的名稱、型號、版本，并輸入員工的工號及密碼;點擊“進入”按鈕即可進入主菜單界面，包含運行監(jiān)控、手動控制、參數(shù)設(shè)置、通信設(shè)置、報警查詢等5個子菜單。每個子菜單對應(yīng)1個子界面，實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)顯示等功能。報警界面可實時顯示當(dāng)前告警及歷史告警，包括電動機過熱、轉(zhuǎn)速異常、短寸、缺材等，并給出基本處理建議。

運行監(jiān)控畫面不僅實時監(jiān)測各種運行參數(shù)，而且為用戶提供了良好的操作體驗，如圖3所示，界面顯示當(dāng)前產(chǎn)品名稱、計劃數(shù)量、已完成數(shù)量、產(chǎn)品合格率、設(shè)備編號、運行狀態(tài)、通信狀態(tài)、故障次數(shù)等。當(dāng)監(jiān)測參數(shù)出現(xiàn)異常時，相應(yīng)參數(shù)顯示為紅色，同時系統(tǒng)發(fā)出報警信號，提醒用戶及時處理故障。通過相關(guān)的一鍵控制按鈕，實現(xiàn)啟、停機等功能，工人操作簡單，只需簡單培訓(xùn)即可上崗。

5 系統(tǒng)調(diào)試

首先，按照圖1、圖2電路設(shè)計接線，觀察四種傳感器運行狀態(tài)，并調(diào)整其安裝位置，確保信號監(jiān)測正常;通過按鈕及觸摸屏分別調(diào)試電機、油泵、電磁閥及指示燈;設(shè)置通信參數(shù)，確保PLC能與觸摸屏及監(jiān)控計算機通信，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

其次，系統(tǒng)手動測試，按下觸摸屏點動調(diào)試按鈕，根據(jù)工件調(diào)機要求，按下正轉(zhuǎn)點動按鈕及反轉(zhuǎn)點動按鈕，觀察設(shè)備運行位置、電磁閥工作狀態(tài)及報警、停機。同時，觀察觸摸屏傳感器的狀態(tài)，在沒有問題的前提下，按下正轉(zhuǎn)啟動按鈕觀察設(shè)備是否正常加工工件，并確保加工數(shù)量準(zhǔn)確。

最后，功能正常情況下進行自動調(diào)試，設(shè)置工件的名稱、數(shù)量及通信參數(shù)等，點擊一鍵運行按鈕，系統(tǒng)自動運行。當(dāng)工件達到設(shè)定數(shù)量后或按下一鍵停止按鈕時，系統(tǒng)可自動停機。當(dāng)加工過程中出現(xiàn)報警時，系統(tǒng)的運行狀態(tài)變?yōu)楣收?，點擊即可進入故障診斷界面，如圖4所示，系統(tǒng)會顯示故障代碼、故障部位等信息，并提示用戶可能的故障原因，給出故障的基本解決方案，方便操作人員快速定位，實現(xiàn)系統(tǒng)高效運行。

由于設(shè)備工作過程油污較多，可能影響到傳感器的正常工作，系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮機器長時間運行傳感器信號異?；蛘呤栴}，加裝傳感器保護套，從而達到保護設(shè)備的目的。另外，要求操作人員應(yīng)定期維護傳感器，確保其干凈整潔，使系統(tǒng)處于最佳的運行狀態(tài)。

6 結(jié)論

設(shè)計一種集智能監(jiān)測、故障診斷、工控安全的五模五沖成型機控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用多傳感器融合技術(shù)，通過智能控制邏輯及友好的操作界面，實現(xiàn)對成型機的智能控制，并對工件加工過程中的故障進行診斷，產(chǎn)生報警信號直至停機，同時設(shè)置監(jiān)控工作站，方便業(yè)務(wù)下發(fā)及遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控。另外，為了提高智能控制系統(tǒng)的安全，系統(tǒng)設(shè)置工業(yè)防火墻，精確判定并阻止各種惡意入侵行為，保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)在安全可控范圍內(nèi)運行，為智能工廠的建設(shè)做好準(zhǔn)備。

【參考文獻】

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