一種新型五模五沖成型機自動控制系統設計

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備控制系統簡單、穩定性差、故障率高及工業數據難以采集等缺點，設計一種集自動控制、工況顯示、數據傳輸、故障診斷的五模五沖成型機自動控制系統。該系統以S7-200 Smart PLC控制器為核心，通過多種傳感器實時監測系統的遠行狀況，在線進行故障診斷，實現了不同工況下成型機的智能控制。該系統操作更加簡單，有效提高了設備的穩定性，改善了產品的質量，具有很好的應用前景。

【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.

【關鍵詞】五模五沖;故障診斷;PLC;工業防火墻

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

【中圖分類號】TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】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競爭的加劇，緊固件產品的質量、成本和產品柔性更加依賴成型加工設備。成型機屬于冷鐓設備，主要用于螺絲產品的頭部成型[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、母模組以及相關的調整部分，線材經矯直、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，能實現比較復雜的各種異型螺釘、空心或半空心鉚釘及異形零件成型[2]。目前市場上傳統的成型機原理較為簡單，電氣控制系統

僅由一些交流接觸器、繼電器及開關按鈕組成，存在以下問題：

①設備陳舊，自動化程度低，難以實現比較復雜的控制及監測;

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

③產品數量及故障信息無法獲取，由于缺少計件，難以得到實時的產品數量，影響計劃的排產;

④工業數據難以采集及傳輸，不能為決策提供依據。

針對以上問題，本文在分析設備故障的原因及影響產品質量的因素的基礎上，設計一種五模五沖成型智能控制系統，采用多傳感器融合技術，可實時監測設備的運行狀態，在線進行故障診斷，并針對產品質量進行分析，在確保工控信息安全的前提下，實現系統控制的自動化、智能化、網絡化，并將工業數據傳輸到數據中心，為實現工業互聯網打好堅實基礎。

2 系統硬件電路設計

2.1 系統主電路設計

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

2.2 系統控制電路設計

五模五沖成型機自動控制系統結構如圖2所示。該系統包括PLC、設備上電開關、急停開關、自動開關、正轉點動開關、反轉點動開關、油泵開關、缺材傳感器、計數傳感器、短寸傳感器、感測傳感器、轉速感知器、觸摸屏、工作站、交換機等。西門子S7-200 Smart PLC 是控制系統的核心，負責對現場信號進行采集、處理與分析，同時通過交換機與現場的觸摸屏、工作站及數據中心通信，提供良好的人機交互窗口和遠程監控功能。

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

為保護設備，轉速保護電路采用AMD轉速異常監測器。當設備轉速出現異常時，控制器根據系統所處狀態產生相應的動作，直至報警停機;工件計數傳感器采用接近開關設計，PLC利用HSC高速計數器進行采集，并通過屏幕顯示;缺材傳感器采用限位開關，短寸傳感器采用直流機身設計;尺寸監測采用電壓輸出型位移傳感器，所有傳感信號均由PLC通過數字量和模擬量模塊采集，通過驅動繼電器和接觸器實現對設備的智能控制;為了確保工業控制系統的信息安全，系統配置工業防火墻HT-IFW-2020-C100，能對工控協議進行深度解析，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備可以接入工控網絡，只有可信任的流量可以在網絡上傳輸。

3 控制軟件設計

系統控制程序采用S7-MicroWIN Smart 軟件編寫，PLC主程序控制流程主要包含系統初始化、通信、參數設置、數據采集模塊、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缺省參數的調入、輸出的初始化等; 通信子程序主要負責PLC與觸摸屏之間通信及與遠程計算機之間的通信;參數設置子程序用于設置產品的型號、預加工數量、操作人員工號等信息;數據采集輸入子程序主要對缺材、短寸、轉速、計數、保護等傳感信號及各種開關信號進行數據采集、分析與處理;故障報警子程序可在線根據傳感信號進行數據融合，做出故障診斷，并根據故障類型存儲故障代碼，方便工程師進行故障處理。

控制子程序是系統控制的核心，可工作在手動調試及自動運行兩種模式。手動調試時，操作人員可根據需求按照一定順序啟動或者停止設備;當調機正常后設備即可進入自動模式，系統設置了一鍵啟動、一鍵停機等智能控制按鈕。自動運行時，系統能根據各種傳感器信號及運行參數確定設備運行狀態，發出各種報警信息，進而實現對設備的保護。

4 系統界面設計

系統的現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; 同時設置監控計算機，其通過交換機可與多套成型機控制系統通信，并通過虛擬機顯示每套系統監控畫面，不僅可以下發任務，還可依據流程經授權對現場設備遠程控制，保證設備和工作人員安全。

人機交互界面設計采用SIMATIC WinCC Flexible 2008編程軟件，根據生產工藝進行人機界面設計，系統包含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，包含運行監控、手動控制、參數設置、通信設置、報警查詢等5個子菜單。每個子菜單對應1個子界面，實現相關參數設置及狀態顯示等功能。報警界面可實時顯示當前告警及歷史告警，包括電動機過熱、轉速異常、短寸、缺材等，并給出基本處理建議。

運行監控畫面不僅實時監測各種運行參數，而且為用戶提供了良好的操作體驗，如圖3所示，界面顯示當前產品名稱、計劃數量、已完成數量、產品合格率、設備編號、運行狀態、通信狀態、故障次數等。當監測參數出現異常時，相應參數顯示為紅色，同時系統發出報警信號，提醒用戶及時處理故障。通過相關的一鍵控制按鈕，實現啟、停機等功能，工人操作簡單，只需簡單培訓即可上崗。

5 系統調試

首先，按照圖1、圖2電路設計接線，觀察四種傳感器運行狀態，并調整其安裝位置，確保信號監測正常;通過按鈕及觸摸屏分別調試電機、油泵、電磁閥及指示燈;設置通信參數，確保PLC能與觸摸屏及監控計算機通信，并能實現數據傳輸。

其次，系統手動測試，按下觸摸屏點動調試按鈕，根據工件調機要求，按下正轉點動按鈕及反轉點動按鈕，觀察設備運行位置、電磁閥工作狀態及報警、停機。同時，觀察觸摸屏傳感器的狀態，在沒有問題的前提下，按下正轉啟動按鈕觀察設備是否正常加工工件，并確保加工數量準確。

最后，功能正常情況下進行自動調試，設置工件的名稱、數量及通信參數等，點擊一鍵運行按鈕，系統自動運行。當工件達到設定數量后或按下一鍵停止按鈕時，系統可自動停機。當加工過程中出現報警時，系統的運行狀態變為故障，點擊即可進入故障診斷界面，如圖4所示，系統會顯示故障代碼、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，實現系統高效運行。

由于設備工作過程油污較多，可能影響到傳感器的正常工作，系統設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，從而達到保護設備的目的。另外，要求操作人員應定期維護傳感器，確保其干凈整潔，使系統處于最佳的運行狀態。

6 結論

設計一種集智能監測、故障診斷、工控安全的五模五沖成型機控制系統，該控制系統采用多傳感器融合技術，通過智能控制邏輯及友好的操作界面，實現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，產生報警信號直至停機，同時設置監控工作站，方便業務下發及遠程數據監控。另外，為了提高智能控制系統的安全，系統設置工業防火墻，精確判定并阻止各種惡意入侵行為，保證現場數據在安全可控范圍內運行，為智能工廠的建設做好準備。

【參考文獻】

【1】孫加存，丁金林，蘇品剛，等. 螺絲打頭裝置故障監測系統設計與實現[J].蘇州市職業大學學報，2016，27（2）：20-23.

【2】王文紅，顧衛彬. 全自動五模五沖冷鐓機的研制[J].制造技術與機床，2011（11）：136-139.

【3】張永強. 基于TPM的設備增效方法和應用研究[D].上海：上海交通大學，2010.

【4】 袁龍江，戴春祥，李莉敏. 基于ABAQUS 的冷鐓機各工位動力學分析[J].鍛壓技術，2014，39（4）：84-87.