自动化锻造生产线的控制分析

GXF360 2017-12-30

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自动化锻造生产线的控制分析

文／刘业景·中国重型汽车集团有限公司技术发展中心朱舸，周琳琳·中国重型汽车集团有限公司济南铸锻中心

重型汽车前轴锻造生产线涉及设备较多，工序较长，而要实现此类生产线的自动化控制，则需要处理较大的信息量，过程繁琐。下面以前轴锻造为例，对自动化锻造生产线的控制进行分析。

前轴锻造工艺过程与生产线主要设备配置

前轴锻造的工艺过程为：料段加热、辊锻制坯、压弯、预锻、终锻、切边、校正。图1所示为前轴锻造工艺过程流程图。

图1 前轴锻造工艺过程流程图

所需设备为：中频感应电炉、φ930mm自动辊锻机、120MN热模锻压力机、16MN切边压力机、20MN液压校正机、机器人及石墨站、毛边输出链、锻件输出悬挂链等。其他必备的是压缩空气、水（软化水、自来水）、电、天然气等。

实现锻造生产线自动化的条件

前轴锻造生产的步骤:人工上料→感应加热→辊锻机自动辊锻制坯→压弯→预锻→终锻→切边→校正。

生产线区域划分

为简化通讯便于控制，对生产线进行区域划分：⑴电炉区域，该区域包括人工上料、中频电炉，属于半开放区；⑵辊锻区域，该区域包括自动辊锻机及机械手、1号机器人；⑶锻造区域，锻造主机、喷淋机器人及石墨站、2号机器人、4号机器人；⑷切边区域，切边压力机、5号机器人；⑸校正区域，20MN液压校正机、6号机器人；⑹悬链区域，毛边输送链、锻件悬挂链。

自动化控制的初始条件

自动化控制的初始条件如表1所示。

表1 自动化控制初始条件

设备名称运行模式运行状态生产线全部急停 - OFF生产区域门锁 - ON机器人自动模式等待位锻造主机自动模式滑块位于上死点位置切边机自动模式滑块位于上死点位置液压校正机自动模式滑块位于上死点位置锻件输送装置自动模式等待位全部接料台 - 清空

编制流程图

实现自动化锻造生产的控制顺序如图2所示。

图2 实现自动化锻造生产的控制顺序

自动化生产线控制系统的网络与配置

硬件部分

生产线采用西门子profibus现场总线技术，由工控机、主站PLC、设备从站PLC及通信模块组成。总线控制系统分为两层：上层为车间监控层，由以太网控制，用来完成车间主生产设备之间的连接，实现车间级设备的监视和主控；下层为现场设备层，profibus-DP控制。通过以太网路由器PLC与总控交换机、人机界面进行信息共享，实现人机交互，从站PLC连接分布式远程IO、智能信息传感器数据采集、变频器等驱动装置的DP通信。通过每台设备中DP耦合器，各设备控制系统PLC完成与主控PLC的接口通信，从而实现控制和监视现场设备的实时运行状况，并由总控PLC来分发信号，以此达到生产线各级设备信号的快速传递和功能连锁等功能。

⑴主控PLC的系统配置组态。

主站控制系统采用SIEMENS S7-319F故障安全型CPU为主控制器，总线上所有设备的生产工艺控制程序存储在主站中，并由主站执行。主站系统结构图如图3所示。

图3 主站系统结构图

⑵从站PLC的系统配置组态。

以生产线中从站中频感应炉为例，作为生产线的源头供应，该部分起着至关重要的作用，设备信息要同时反馈至下一工序辊锻机和总控，以便后续设备可以及时作出响应。从站PLC硬件组态如图4所示。

图4 从站PLC硬件组态

⑶DP-DP耦合器的应用。

SIEMENS的DP/DP Coupler作为一种网络耦合器，配有2个独立的DP接口，用于连接两个物理上相互独立的profibus-DP网络。DP/DP Coupler在其两侧DP网络中都作为从站工作，以从站的方式将一侧网络上的主站数据传送给另外一侧网络上的主站。使用DP/DP Coupler组建的多主站profibus-DP系统，网络状态稳定，通信可靠，容错性能好，在任何一条网络出现故障后，也不会影响其他网络的正常工作。

⑷工控机实现上位监控及与故障诊断。

工控机系统主要负责生产信息的管理及生产线的实时监控；现场设备的运行状态，控制系统参数的显示，均以图形或数字形式帮助操作人员及时掌握生产线的信息。同时数据采集系统将生产现场相关数据进行分类采集，并将数据存储到数据库，供技术人员对统计、品质等方面的分析。

软件部分

软件部分由PLC组态编程软件和工控机组态软件共同组成。

⑴PLC应用软件。

采用SIEMENS Step 7 V5.5完成硬件组态、参数设置和特殊模块GSD文件的导入，通过软件编程来实现设备的控制过程。Step 7组态编程灵活方便，在线调试、仿真功能先进，模块化的编程模式为程序设计提供了较好的技术支持。

⑵工控机组态软件。

采用SIEMENS WINCC 7.0组态软件，集控制、人机界面、数据系统等技术于一体，集成各种通讯接口，可以和各种智能设备互相通讯。工业以太网将各个设备信息快递给工控机数据系统，通过WINCC组态界面，清晰的将数据、报警、统计等信息显示，从而实现整个生产线的自动化控制。

监控系统

控制系统必须实时掌握生产线内各执行单元的运行状态。因此，必须建立监控系统，包括功能监控和工艺监控。

功能监控

用于收集设备信息，功能监控信息定义为一般信息、报警信息和错误信息。针对不同级别的信息，要制定相应的处置制度。

⑴一般信息。

为操作人员提供的生产线尚未进入生产状态的工作参考，例如在连线时，当某个单元不能启动（例如，泵、主电机或控制系统），屏幕上就会出现该信息。如果信息起因发生了变化，则消息会自动在屏幕上消失。一般性信息处置方式为：自动记录，班后汇总，定期维保时集中处理。表2所示为常见一般信息。

表2 常见一般信息

信息编码显示内容电气名称分程序代号001 辊锻机不在自动运行模式 ***** ***002 防护栅栏门未关闭 ***** ***003 切边机不在自动运行模式 ***** ***004 照明/电源插头过载 ***** ***…………

⑵报警消息。

为操作人员提供的暂时对生产没有直接影响的信息。如果消息起因发生了变化，则消息会自动在屏幕上消失。表3所示为常见报警信息。报警信息的处置：自动记录，当班完成生产时排除，不得带到下一班次。

表3 常见报警信息

报警编码显示内容电气名称分程序代号001 空调/排风扇超负荷 ***** ***002 冷却装置未就绪 ***** ***003 机器人液压装置最低液位预警告 ***** ***004 机器人液压过滤器监控预警告 ***** ***…… ……

⑶错误信息。

错误消息表示机器出现故障，它会直接影响到生产并导致设备停机。机器故障分为控制系统立即关闭、控制系统在设备本次工作完成后关闭、控制系统在机器清空运行后关闭三个级别。错误信息的处置：自动记录，立即处理。常见错误信息如表4所示。

表4 常见错误（故障）信息

错误编码显示内容电气名称分程序代号001 CPU-编程错误 ***** ***002 CPU-时间错误 ***** ***003 CPU-通讯错误 ***** ***004 通道错误 ***** ***…………

工艺监控

工艺监控用于对设备的操作、监控和优化进行控制，以及故障原因的查找。该系统在多个方面简化了锻造生产线的操作。可以在装有Windows XP Prof.系统的普通个人电脑上运行，运行的基本程序为SIEMENS WinCC 。数据保存在Microsoft SQL服务器数据库中。装有该系统的电脑通过以太网与锻造生产线的其他机器设备连接。通过键盘和鼠标执行操作。系统的显示屏幕安装在控制室内的控制台上。

各种信息在相连接的机器设备工艺层面（以太网）被收集。包括测量值、设定值、运行状态、报警、警告。此外还备有配方数据、机器技术资料，维护计划等辅助信息供使用。对所收集的资料将进行压力变化情况、打击力总计、温度变化情况、报警统计几个方面评估。