高速車軸熱加工生產線鋼坯信息管理系統

謝 鑫，劉德榮，陳 楠，鄧通通

（中國聯合工程公司，浙江杭州310052）

本項目高速車軸生產線年產車軸約4萬根，產品覆蓋客貨車車軸、城軌/地鐵車軸、高速車軸。生產線關鍵設備主要為環形加熱爐、快鍛液壓機組、連續式熱處理線。高速車軸熱加工生產線工藝流程如圖1所示：

圖1 車軸熱加工生產線工藝流程圖

車軸生產線鋼坯信息管理及跟蹤系統主要涉及到MES系統、環形加熱爐系統（含入爐讀碼裝置）、快鍛機組（含鍛后矯直）、鍛后連續熱處理系統（含鍛后冷床及上料掃碼裝置）之間的信息交互及跟蹤。在線采集單件車軸產品在加熱、鍛造、熱處理和成品檢驗環節的關鍵數據，實現車軸產品全生命周期跟蹤。

1 系統設計及硬件的架設

車軸生產線MES管理服務器設置在工廠的自動化信息部機房，在環形爐控制室（與鍛機共用）、連續熱處理線控制室分別設置了MES管理工程師站，環形爐系統設置信息管理工控機、入爐讀碼信息管理上位機、環形爐PLC，快鍛機組設置信息管理服務器、鍛機PLC，熱處理線設置自動貼標及掃碼工控機、熱處理控制PLC。它們之間采用超五類UTP或光纜連接，構成工業以太網，在同一網段給每個站點分配獨立的IP地址，采用TCP/IP協議進行通信。總體架構如圖2所示。

2 各工序之間的數據通信及相互約定

2.1 各工序與MES系統的通信

2.1.1 環形爐與MES系統的數據通信

（1）生產換批時下發計劃：生產換批時，MES系統下發生產批信息到環形爐工控機，工控機收到數據后存儲在本地生產任務數據庫中。

（2）生產數據的讀取：在生產過程中，MES系統每隔十分鐘要讀取環形爐的爐溫、壓力、流量、裝爐支數、出爐支數等生產數據，環形爐的這些生產數據存儲在環形爐PLC中，建立對應的DB塊，并實時刷新，由MES系統根據需要直接讀取即可。

（3）鋼坯信息的讀取：在環形爐PLC中，針對出爐鋼坯建立獨立的DB塊，當對應的鋼坯出爐后，環形爐PLC更新對應的DB塊內鋼坯信息，并發送出料信號給MES系統，當MES系統收到出爐完成信號，立即到環形爐相應的DB塊中讀取正在出爐的鋼坯的信息。

（4）生產數據管理及報表生成：環形爐把生產信息及出爐鋼坯信息實時發送給MES系統，同時，這些信息在環形爐工控機上也必須至少保留3個月，本地生成班報表、日報表，而月報表、年報表由MES系統整理生成。

2.1.2 鍛機與MES系統的數據通信

鍛機從環形爐獲取鋼坯件次號以后，利用件次號從MES數據庫的計劃列表中讀取計劃信息。待鍛壓完成后，形成鍛壓工序的生產數據，存儲在鍛機的管理服務器數據庫中，MES系統定時來讀取這些生產數據，以供分析、統計，并形成報表。

2.1.3 連續熱處理與MES系統的數據通信

（1）熱處理準備時，操作工在MES工程師站畫面上選擇熱處理批號，同時MES將該批熱處理的設定代碼發送給熱處理PLC。當上料處工人掛好料以后，掃碼發送給MES系統，MES校驗該軸是否屬于該熱處理批號，并發送判斷信號給熱處理。

（2）熱處理掃碼上料時，掃碼機將車軸號傳輸到PLC的DB塊中，同時激活MES系統。MES利用車軸號從計劃表中獲取熱處理批號、工藝路徑編號等信息，把這些信息寫入熱處理PLC提供的DB塊中，形成生產工藝。

（3）MES系統根據熱處理PLC半小時采樣信號及下線信號，從熱處理PLC中讀取半小時爐溫記錄與工藝運行數據。其中，進出冷床時間記錄與熱處理的時間記錄獨立采集，這些數據傳送到MES系統中以后合并成一張表單。

圖2 網絡架構圖

2.2 環形爐與快鍛機的通信

因為鍛機處鋼坯為高溫紅料，沒法通過掃碼讀取鋼坯信息，鋼坯的識別只能依靠環形爐與鍛機之間的數據交換。

2.2.1 環形爐提供給鍛機的數據

環形爐提供給鍛機的數據為軸坯輸送到位信號、車軸號。依靠這些數據來識別來料鋼坯。

2.2.2 鍛機提供給環形爐的數據

鍛機提供給環形爐的數據為要料信號、故障信號。當環形爐收到鍛機的要料信號后，環形爐自動出料，并將鋼坯輸送至指定位置。環形爐信息管理及物料跟蹤界面如圖3所示。

圖3 環形爐信息管理界面

2.3 快鍛機與熱處理的通信

軸坯鍛壓完成后，經過矯直、冷床后，重新自動貼碼。在重新貼碼之前，矯直、冷床環節的來料識別及一些連鎖只能依靠快鍛機與熱處理的數據通信。

2.3.1 鍛機給熱處理的信號數據

（1）看門狗信號；

（2）送料連鎖信號，在收到這個信號之前，禁止送料輥運行；

（3）送料完成信號，收到這個信號以后，允許送料輥運行；

（4）軸坯長度信號，用于冷床內對中控制；

（5）車軸ID號；

（6）取料連鎖信號，表示矯直機取料中，禁止矯直輥運行；

（7）矯直完成取料信號，矯直輥允許運行。

2.3.2 熱處理給鍛機的信號數據

（1）看門狗信號；

（2）運走完成信號、運料連鎖信號：送料輥正在運行，禁止送料動作；

（3）車軸到位信號：車軸到矯直機取料位，允許矯直機取料，沒收到此信號，則禁止取料。

2.4 環形爐、熱處理線與識標系統（掃碼系統）的通信

在環形爐進料端及連續熱處理線的上料位置設置識標系統，當軸坯到達工序的入口位置，通過識標系統掃碼獲得車軸身份證ID號（車軸號），依據車軸號檢索出該車軸的相關信息以備本工序使用。

2.4.1 環形爐與識標系統的數據通信

（1）環行爐入爐時，自動識標裝置讀取軸坯二維碼，發送至環形爐，匹配出當前鋼坯的鋼坯信息，形成識標結果及鋼坯信息，接下來進行入爐跟蹤。

（2）環行爐PLC發送給識標裝置的連鎖信號有鋼坯到位信號、掏爐信號（因為此時掏出來的料為高溫熱料，防止識標掃碼儀的鏡頭被烤壞，識標裝置一旦收到掏料信號，會自動把鏡頭縮回保護）；識標裝置發送給環形爐PLC的信號為識標成功或識標失敗信號。

（3）環行爐上料時如果識標掃碼不成功，由操作工根據現場標識的情況進行處理，如果能目視識別內容，則人工補錄，如果不能人工識別標識內容，則當前鋼坯做下線處理，不允許入爐。

2.4.2 熱處理與識標系統的數據通信

熱處理上線時，掃碼槍掃描二維碼信息到熱處理系統的PLC指定的DB數據塊，由MES系統根據掃描到的ID號判斷當前軸坯是否屬于本熱處理批次之內，如屬于本批次，則下發熱處理工藝所需要的數據至熱處理PLC。如果不屬于本批次，則在熱處理上位機及現場的掃碼終端同步顯示錯誤信息，不允許當前軸坯上線，提醒操作工做下線處理。

3 結語

熱加工是高速車軸生產線中極為重要的一個環節，必須對生產過程信息進行采集、記錄及保存，以便追溯。通過以太網把環形爐、快鍛機組、熱處理、MES系統等關鍵環節串接起來，各系統之間進行快速而可靠的數據交換，系統驗收使用至今已有將近一年時間，使用可靠穩定，實時自動采集加熱、鍛造、熱處理和成品檢驗關鍵工序的信息，一方面為全線自動化生產提供了數據支撐，大大減少了生產線人工的投入，同時實現了車軸產品信息的可追溯性和全生命周期跟蹤管理，為實現智能制造及智能工廠打下了基礎。