達(dá)利小塊鎳機(jī)組控制系統(tǒng)國產(chǎn)化研發(fā)與應(yīng)用

李 婧

（金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌 737103）

0 引言

達(dá)利小塊鎳機(jī)組是全進(jìn)口設(shè)備，于2012 年投入使用，設(shè)計(jì)功能為2″、4″小塊鎳的剪切加工，機(jī)組單機(jī)功率為80 kW，總功率為400 kW。2014 年為滿足客戶對(duì)1″小塊鎳的需求，金川集團(tuán)股份有限公司（下文簡稱為“公司”）開發(fā)了1″小塊鎳的剪切加工能力；2019 年8 月，因上海造幣廠需求，公司又開發(fā)了0.8″小塊鎳的剪切加工能力，這也是目前公司小塊鎳剪切加工主要設(shè)備。

1 機(jī)組存在問題

1.1 電氣部分

（1）達(dá)利機(jī)組控制系統(tǒng)使用的是西格馬泰克品牌PLC，不對(duì)非直接客戶進(jìn)行技術(shù)支持，且封閉式程序及網(wǎng)關(guān)均未對(duì)公司開放，并設(shè)有密碼，出現(xiàn)疑難故障后，無法通過查看程序排查故障點(diǎn)，以郵件的形式與廠家進(jìn)行交流，信息傳輸不便。由于時(shí)差原因，解決問題困難且耗時(shí)長。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際控制程序不能按照產(chǎn)能需求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試。

（2）廠家提供的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，且沒有提供原理圖，只能按照廠家提供的操作流程嚴(yán)格執(zhí)行開機(jī)順序，后續(xù)整機(jī)的系統(tǒng)國產(chǎn)化和硬件優(yōu)化無法進(jìn)行。

（3）備件清單無規(guī)格、型號(hào)、圖紙等技術(shù)參數(shù)，且部分備件無替代產(chǎn)品，如PLC 模塊、稱重控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器等，通用性差。備品備件只能通過達(dá)利公司進(jìn)行采購，價(jià)格昂貴、進(jìn)貨周期長，造成備件成本高、滯存物資金額大，盤活困難。

1.2 設(shè)施、人員安全部分

由于現(xiàn)機(jī)組生產(chǎn)已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，整個(gè)生產(chǎn)過程中均需要人員頻繁地進(jìn)入機(jī)組內(nèi)部調(diào)整鎳板、遮擋傳感器、處理故障，長時(shí)間的非常規(guī)作業(yè)使安全風(fēng)險(xiǎn)增大，職工勞動(dòng)強(qiáng)度也隨之提升。

2 達(dá)利小塊鎳機(jī)組控制系統(tǒng)國產(chǎn)化的研究內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)控制程序逆向分析

達(dá)利機(jī)組由4 臺(tái)剪板機(jī)、1 套取放裝置和1 套條料轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)組成，各個(gè)設(shè)備控制系統(tǒng)既獨(dú)立又相互配合。為完整地實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的動(dòng)作及系統(tǒng)間的相互協(xié)調(diào)，需要對(duì)原有控制流程進(jìn)行梳理分析，詳細(xì)拆解每一個(gè)動(dòng)作步驟，具體執(zhí)行線路為：生產(chǎn)流程程序化梳理→設(shè)備清單整理→動(dòng)作及關(guān)聯(lián)關(guān)系拆解→控制流程梳理→邏輯關(guān)系驗(yàn)證→輸入輸出定義→重新架構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)→通信接口程序設(shè)計(jì)→主流程程序設(shè)計(jì)→硬件系統(tǒng)改造→程序測(cè)試及功能驗(yàn)證→系統(tǒng)運(yùn)行。

2.2 盤點(diǎn)梳理設(shè)備清單

由于達(dá)利機(jī)組控制系統(tǒng)有大量傳感器作為每一步動(dòng)作到位的信號(hào)或限位保護(hù)的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作大部分也依賴傳感器。梳理傳感器功能及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)作，是技術(shù)改造的首要任務(wù)。

2.3 機(jī)組動(dòng)作流程及控制流程研發(fā)

達(dá)利機(jī)組的設(shè)備改造，一方面要完全復(fù)現(xiàn)原系統(tǒng)的動(dòng)作及功能，另一方面要能根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，在設(shè)備能力允許的范圍內(nèi)，對(duì)動(dòng)作及工藝流程進(jìn)行調(diào)整和升級(jí)。這就需要完全梳理清楚整個(gè)控制流程，掌握每一個(gè)傳感器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能及其相互間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，明確設(shè)備間的信息傳遞方式，在明確所有傳感器功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合原設(shè)備控制程序、系統(tǒng)原理及設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)過程的動(dòng)作，研發(fā)出機(jī)組動(dòng)作流程。圖1 為梳理出的部分流程。

圖1 梳理動(dòng)作流程

2.4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)定義

根據(jù)改造后的硬件布置重新定義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)置工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，利用星形網(wǎng)絡(luò)連接所有PLC 控制器、觸摸屏，使用Ethernet 協(xié)議實(shí)現(xiàn)所有控制器、觸摸屏的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，并預(yù)留網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，為今后的數(shù)據(jù)輸入、輸出擴(kuò)展提供可能（圖2）。

圖2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.5 繪制系統(tǒng)原理圖，編制接線表

系統(tǒng)原理圖及接線表，是更換PLC 硬件的實(shí)施依據(jù)，更換硬件涉及到所有傳感器及驅(qū)動(dòng)器的重新連線，也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。由于原系統(tǒng)PLC 與新PLC 在硬件接口、I/O 點(diǎn)分布、通信形式上的不同，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)傳感器的接線進(jìn)行調(diào)整，重新定義I/O 點(diǎn)并編制接線表。圖3 為部分截取的接線表。

圖3 系統(tǒng)接線表（部分）

2.6 PLC 更換及程序開發(fā)

原控制系統(tǒng)為西格馬泰克品牌的PLC，廠家未開放系統(tǒng)權(quán)限，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，只能根據(jù)上位機(jī)的簡單報(bào)警提示做出故障判斷，不能通過對(duì)程序進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控來準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。程序發(fā)生故障時(shí)，只能等待廠家人員來現(xiàn)場(chǎng)處理故障，或者通過遠(yuǎn)程聯(lián)機(jī)進(jìn)行故障診斷。將控制系統(tǒng)更換為臺(tái)達(dá)AS 系列PLC，并根據(jù)工藝流程重新編寫控制程序。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，技術(shù)員可以通過程序運(yùn)行狀態(tài)方便地查找故障點(diǎn)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝條件對(duì)程序進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)既方便程序閱讀、理解設(shè)備動(dòng)作邏輯，也方便應(yīng)對(duì)工藝調(diào)整和控制程序變更。新的PLC程序如圖4 所示。

圖4 PLC 程序（部分）

2.7 人機(jī)交互界面

設(shè)備原上位機(jī)是定制產(chǎn)品，訂貨周期長、價(jià)格昂貴。且人機(jī)交互系統(tǒng)顯示的設(shè)備信息和故障信息非常少，操作人員無法通過人機(jī)交互界面全面了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而且系統(tǒng)提供可修改的參數(shù)也非常有限，設(shè)備只能按照既定程序流程動(dòng)作，無法靈活應(yīng)對(duì)不同的生產(chǎn)需求。更換臺(tái)達(dá)觸摸屏后，重新開發(fā)了人機(jī)交互界面，操作人員可以直觀地查看系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。人機(jī)系統(tǒng)提供了完備的報(bào)警信息，使操作人員可以快速定位故障點(diǎn)，排除故障。手動(dòng)模式使設(shè)備的操作更加靈活，大大降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。開放的參數(shù)配置功能，使設(shè)備的動(dòng)作更加靈活，能應(yīng)對(duì)不同產(chǎn)品和工藝的要求。新的人機(jī)交互界面如圖5 所示。

圖5 可編輯人機(jī)交互界面

2.8 剪板機(jī)聯(lián)動(dòng)工藝流程

創(chuàng)新研制剪板機(jī)聯(lián)動(dòng)工藝流程，采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)，將每一個(gè)動(dòng)作控制程序獨(dú)立編程，打破原有修邊機(jī)的固定工作流程，實(shí)現(xiàn)修兩邊、修三邊以及修四邊的自由選擇。開發(fā)推板步長自由調(diào)節(jié)功能，操作人員可以根據(jù)不同尺寸要求編輯切割長度。通過調(diào)節(jié)取放裝置機(jī)械臂的動(dòng)作距離和速度參數(shù)，合理搭配機(jī)械臂的動(dòng)作，調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)拍，在只投入3 臺(tái)剪板機(jī)的情況下，達(dá)到原系統(tǒng)4 臺(tái)剪板機(jī)的加工速度，最大限度地發(fā)揮機(jī)組性能，以應(yīng)對(duì)各種生產(chǎn)工藝的要求，同時(shí)為剪板機(jī)整體拆除、測(cè)繪、制作創(chuàng)造了條件。

3 應(yīng)用前景及意義

達(dá)利小塊鎳機(jī)組控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化研發(fā)與應(yīng)用，提升了達(dá)利機(jī)組的智能化水平及運(yùn)行效率，節(jié)約生產(chǎn)維護(hù)成本，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，堆垛站及取放裝置故障率降低80%，條料輸送鏈條故障率降低50%，提升達(dá)利小塊鎳機(jī)組運(yùn)行連續(xù)性，提高生產(chǎn)運(yùn)行效率，減小維護(hù)維修難度。

通過本次技術(shù)改造工作，以改促學(xué)，公司技術(shù)員和部分職工接受了系統(tǒng)的程序編寫培訓(xùn)，培養(yǎng)了一批懂程序、有技術(shù)的運(yùn)修合一人員，提升公司自動(dòng)化、智能化檢修維護(hù)能力，切實(shí)推了進(jìn)產(chǎn)業(yè)工人隊(duì)伍升級(jí)工作，勞動(dòng)方式也由原來的看護(hù)型崗位向現(xiàn)在的技術(shù)型崗位推進(jìn)。同時(shí)，達(dá)利小塊鎳機(jī)組控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化研發(fā)與應(yīng)用，打破了技術(shù)壟斷，創(chuàng)建了開放自主的控制系統(tǒng)，為金川小塊鎳產(chǎn)品平穩(wěn)有序生產(chǎn)提供保障。

4 結(jié)論

達(dá)利小塊鎳機(jī)組控制系統(tǒng)國產(chǎn)化研發(fā)與應(yīng)用，經(jīng)歷了“引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新”的過程，從源頭上解決了備件采購被壟斷、故障處理靠別人、機(jī)械損傷修不了的問題。