自動化鍛造生產線的控制分析

文／劉業景·中國重型汽車集團有限公司技術發展中心朱舸，周琳琳·中國重型汽車集團有限公司濟南鑄鍛中心

自動化鍛造生產線的控制分析

文／劉業景·中國重型汽車集團有限公司技術發展中心朱舸，周琳琳·中國重型汽車集團有限公司濟南鑄鍛中心

重型汽車前軸鍛造生產線涉及設備較多，工序較長，而要實現此類生產線的自動化控制，則需要處理較大的信息量，過程繁瑣。下面以前軸鍛造為例，對自動化鍛造生產線的控制進行分析。

前軸鍛造工藝過程與生產線主要設備配置

前軸鍛造的工藝過程為：料段加熱、輥鍛制坯、壓彎、預鍛、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

所需設備為：中頻感應電爐、φ930mm自動輥鍛機、120MN熱模鍛壓力機、16MN切邊壓力機、20MN液壓校正機、機器人及石墨站、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。

實現鍛造生產線自動化的條件

前軸鍛造生產的步驟:人工上料→感應加熱→輥鍛機自動輥鍛制坯→壓彎→預鍛→終鍛→切邊→校正。

生產線區域劃分

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

自動化控制的初始條件

自動化控制的初始條件如表1所示。

表1 自動化控制初始條件

編制流程圖

實現自動化鍛造生產的控制順序如圖2所示。

圖2 實現自動化鍛造生產的控制順序

自動化生產線控制系統的網絡與配置

硬件部分

生產線采用西門子profibus現場總線技術，由工控機、主站PLC、設備從站PLC及通信模塊組成。總線控制系統分為兩層：上層為車間監控層，由以太網控制，用來完成車間主生產設備之間的連接，實現車間級設備的監視和主控；下層為現場設備層，profibus-DP控制。通過以太網路由器PLC與總控交換機、人機界面進行信息共享，實現人機交互，從站PLC連接分布式遠程IO、智能信息傳感器數據采集、變頻器等驅動裝置的DP通信。通過每臺設備中DP耦合器，各設備控制系統PLC完成與主控PLC的接口通信，從而實現控制和監視現場設備的實時運行狀況，并由總控PLC來分發信號，以此達到生產線各級設備信號的快速傳遞和功能連鎖等功能。

⑴主控PLC的系統配置組態。

主站控制系統采用SIEMENS S7-319F故障安全型CPU為主控制器，總線上所有設備的生產工藝控制程序存儲在主站中，并由主站執行。主站系統結構圖如圖3所示。

圖3 主站系統結構圖

⑵從站PLC的系統配置組態。

以生產線中從站中頻感應爐為例，作為生產線的源頭供應，該部分起著至關重要的作用，設備信息要同時反饋至下一工序輥鍛機和總控，以便后續設備可以及時作出響應。從站PLC硬件組態如圖4所示。

圖4 從站PLC硬件組態

⑶DP-DP耦合器的應用。

SIEMENS的DP/DP Coupler作為一種網絡耦合器，配有2個獨立的DP接口，用于連接兩個物理上相互獨立的profibus-DP網絡。DP/DP Coupler在其兩側DP網絡中都作為從站工作，以從站的方式將一側網絡上的主站數據傳送給另外一側網絡上的主站。使用DP/DP Coupler組建的多主站profibus-DP系統，網絡狀態穩定，通信可靠，容錯性能好，在任何一條網絡出現故障后，也不會影響其他網絡的正常工作。

⑷工控機實現上位監控及與故障診斷。

工控機系統主要負責生產信息的管理及生產線的實時監控；現場設備的運行狀態，控制系統參數的顯示，均以圖形或數字形式幫助操作人員及時掌握生產線的信息。同時數據采集系統將生產現場相關數據進行分類采集，并將數據存儲到數據庫，供技術人員對統計、品質等方面的分析。

軟件部分

軟件部分由PLC組態編程軟件和工控機組態軟件共同組成。

⑴PLC應用軟件。

采用SIEMENS Step 7 V5.5完成硬件組態、參數設置和特殊模塊GSD文件的導入，通過軟件編程來實現設備的控制過程。Step 7組態編程靈活方便，在線調試、仿真功能先進，模塊化的編程模式為程序設計提供了較好的技術支持。

⑵工控機組態軟件。

采用SIEMENS WINCC 7.0組態軟件，集控制、人機界面、數據系統等技術于一體，集成各種通訊接口，可以和各種智能設備互相通訊。工業以太網將各個設備信息快遞給工控機數據系統，通過WINCC組態界面，清晰的將數據、報警、統計等信息顯示，從而實現整個生產線的自動化控制。

監控系統

控制系統必須實時掌握生產線內各執行單元的運行狀態。因此，必須建立監控系統，包括功能監控和工藝監控。

功能監控

用于收集設備信息，功能監控信息定義為一般信息、報警信息和錯誤信息。針對不同級別的信息，要制定相應的處置制度。

⑴一般信息。

為操作人員提供的生產線尚未進入生產狀態的工作參考，例如在連線時，當某個單元不能啟動（例如，泵、主電機或控制系統），屏幕上就會出現該信息。如果信息起因發生了變化，則消息會自動在屏幕上消失。一般性信息處置方式為：自動記錄，班后匯總，定期維保時集中處理。表2所示為常見一般信息。

表2 常見一般信息

⑵報警消息。

為操作人員提供的暫時對生產沒有直接影響的信息。如果消息起因發生了變化，則消息會自動在屏幕上消失。表3所示為常見報警信息。報警信息的處置：自動記錄，當班完成生產時排除，不得帶到下一班次。

表3 常見報警信息

⑶錯誤信息。

錯誤消息表示機器出現故障，它會直接影響到生產并導致設備停機。機器故障分為控制系統立即關閉、控制系統在設備本次工作完成后關閉、控制系統在機器清空運行后關閉三個級別。錯誤信息的處置：自動記錄，立即處理。常見錯誤信息如表4所示。

表4 常見錯誤（故障）信息

工藝監控

工藝監控用于對設備的操作、監控和優化進行控制，以及故障原因的查找。該系統在多個方面簡化了鍛造生產線的操作。可以在裝有Windows XP Prof.系統的普通個人電腦上運行，運行的基本程序為SIEMENS WinCC 。數據保存在Microsoft SQL服務器數據庫中。裝有該系統的電腦通過以太網與鍛造生產線的其他機器設備連接。通過鍵盤和鼠標執行操作。 系統的顯示屏幕安裝在控制室內的控制臺上。

各種信息在相連接的機器設備工藝層面（以太網）被收集。包括測量值、設定值、運行狀態、報警、警告。此外還備有配方數據、機器技術資料，維護計劃等輔助信息供使用。對所收集的資料將進行壓力變化情況、打擊力總計、溫度變化情況、報警統計幾個方面評估。

結束語

鍛造生產線的自動化控制涉及的設備多、工序長、信息量大，要充分考慮到鍛造行業特點和現場安全管理情況。同時需要對連線設備的狀態、運行情況、工藝參數進行實時監控。實踐證明采取基于profibus現場總線技術的控制系統確實是可行的。

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