智能剪切生產線控制系統的研究與應用

劉玉兵，胡建文

（天水鍛壓機床（集團）有限公司 國家級企業技術中心，甘肅 天水 741020）

0 引言

隨著制造業智能化、信息化的廣泛推行，網絡化的智能數控系統已成為機床生產廠家研究與應用的關鍵創新和重點發展方向。在重型卡車、軌道交通、合金材料等主流的板材剪切下料領域，為減小人工成本，提高加工精度和生產效率，設備使用廠家對控制系統的自動化智能生產和網絡化信息管理都提出了更高的需求。尤其是重型板材加工領域，超厚、超長高強度金屬板材傳統剪切下料方式因其自動化、智能化水平低下，制件精度差、效率低、污染重等諸多因素已無法滿足激烈的市場競爭。因此，研發一種智能、高效的板材剪切生產線智能控制系統對該行業有著重大意義。

目前，國內現有板材剪切生產設備所使用的數控系統僅限于主機，輔助上、下料和出料等工作基本依靠人力，生產效率低，廢品率較高。部分廠家采用第三方外圍輔助設備，但設備之間協調性差，操作繁瑣，生產效率沒有顯著的提升。國內剪切生產線控制系統的研發相對缺失，進口控制系統運行穩定，精度較高，但由于價格昂貴，核心技術完全封閉，系統兼容性有限，與國內的生產模式有一定的差異，未被廣泛應用。所以研發滿足國內生產模式的智能剪切生產線控制系統具有良好的市場前景和用戶基礎。

1 智能剪切線控制系統概述

基于西門子1500T 系列PLC 運動控制功能的智能剪切生產線控制系統，將桁架機器人上下料系統、智能監測系統等輔助系統完美集成到板料剪切線控制中，生產工藝流程和控制系統軟件完全自主研發，功能部件的控制程序采用模塊化設計，硬件功能接口和系統程序完全開放，能夠滿足不同用戶的定制化需求，廣泛適用于各類板材的剪切下料生產場景。以合金材料行業電解銅板回爐冶煉前的切條分塊生產線為例介紹其功能部件布局及工藝流程。

1.1 部件功能及布局

電解銅板分條切塊生產線主要由一臺雙工位備料車（以下稱備料車）、上料桁架機器人、切條剪板機、切條剪切送了機構、條料出料輸送機、分揀桁架機器人、切塊剪板機、切塊送料機構、條料推料、一臺雙工位出料車(以下稱出料車)等部件組成，其結構布局如圖1 所示。

圖1 電解銅板分條切塊生產線結構布局圖

1.2 工藝流程

電解銅板分條切塊生產線工藝流程如下：

（1）備料車移動至上料工位，將待剪切銅板裝入備料車，再將備料車移動至上料桁架機器人抓料工位。備料車上料工位和上料桁架機器人抓料工位均為雙工位，可以在剪切線正常生產的同時在另一工位完成備料車的上料，以提高生產效率。

（2）在人機界面中輸入待剪板料的長、寬、厚等板材參數及分條切塊后成品板料的長和寬。原材料參數也可通過加裝掃碼裝置或智能傳感器自動檢測的方式讀取到系統主控制器中。

（3）系統啟動后根據（2）中的待剪板料和成品參數，系統自動計算剪切壓力、刀口間隙、角度、剪程等工藝參數，并選擇最優的工藝流程。

（4）上料桁架機器人將待剪板料通過吸盤輸送到切條料臺。

（5）切條剪切送料機構根據成品寬度開始送料切條剪切，并通過出料輸送機將條料輸送至分揀桁架機器人抓料工位。

（6）分揀桁架機器人將切條后的條料分次抓取至切塊剪切料道。

（7）切塊剪切料道料慢后通過條料推料機構將條料推送至切塊料臺。

（8）出料車移動至接料工位。

（9）切塊送料機構根據成品長度開始送料切塊剪切，并將切塊后的成品板料通過切塊托料機構和塊料出料滑道滑入出料車料斗。出料可根據用戶需求選配成品碼垛和廢料收集智能分揀功能。

（10）依此循環，直至備料車無料或出料車料滿時系統發出提示信號，根據系統提示上料或出料后繼續剪切。

1.3 技術方案

智能剪切生產線控制系統以西門子1500T 系列PLC 為控制主控制器，板材剪切設備、輔助上下料桁架機器人、智能監測裝置、遠程運維系統等輔助設備的控制采用單獨的模塊化結構，功能接口完全開放，根據用戶的不同生產需求靈活改變系統軟硬件配置，廣泛適用于單臺及復雜場景的連線剪切設備。采用的PROFINET 和TCP/IP 通訊技術實現了剪板機、上下料桁架機器人等功能部件、智能傳感器、遠程運維系統和主控制器之間的無縫集成和網絡化集中式管理。自動測量來料規格并計算加工參數和工藝路線，實現從原材料上料到成品碼垛出料的全自動智能化生產，降低人工成本，提高生產效率。

2 硬件配置及功能

2.1 系統硬件組成

電解銅板分條切塊生產線控制系統硬件由主控制器、HMI 人機界面、伺服驅動器、變頻器、分布式I/O 系統、遠程運維系統等組成，其結構框圖如圖2所示。

圖2 電解銅板分條切塊生產線控制系統結構框圖

2.2 主要硬件選型及功能特點

主控制器選用西門子S7-1515T，是一款全新的工藝型CPU，無縫擴展了中高級PLC 的產品線，在標準型/安全型CPU 功能基礎上，能夠實現更多的運動控制功能。包含機械手、物料連續加工、包裝、印刷等模塊化套件工具包，根據對工藝對象數量和性能的要求，可選擇不同等級的CPU 模塊，適應從簡單到復雜的應用。

伺服驅動單元選用西門子SINAMICS S120 驅動控制單元，內置工藝型I/O,集成了Profinet 和Profibus DP 通訊接口。S120 多軸驅動器，控制單元CU320-2 可以同時控制電源模塊、6 個矢量軸或者6個伺服軸，電機模塊都是獨立的模塊，特別適合緊湊型或模塊化機器或自動化生產線的方案設計。

變頻器選用SINAMICS G120 系列模塊式變頻器系統，其主要包含控制單元(CU)和功率模塊(PM)兩個功能模塊。控制單元(CU)能夠支持與本地或中央控制系統以及監控設備的通訊；功率模塊(PM)用于驅動電機，實現精確的轉速/轉矩控制。

中央機架系統擴展選用SIMATIC ET 200SP 布式I/O 系統，提供了種類豐富的I/O 模塊，通過PROFINET 總線將過程信號連接到主控制器，也可進行智能預處理，以減輕主控制器的負荷壓力。

遠程運維系統無線通訊模塊選用巨控科技開發的用于PLC 遠程維護和監控的通訊模塊GRM530，支持局域網和全球范圍內因特網監控。利用成熟的4G 無線網絡（可升級5G 網絡），實現PLC 系統和人機界面的遠程下載、上傳、監控等。

3 軟件設計

該系統軟件部分主要有控制系統軟件和運維系統軟件兩部分，控制系統軟件實現生產線的工藝加工程序編寫、調試及數據處理，運維系統軟件實現設備狀態信息的遠程監控和數據采集。

3.1 控制系統

控制系統編程軟件TIA Portal V16 是一款全新的全集成自動化軟件，可在同一開發環境中組態可編程控制器、人機界面和驅動裝置。通過標準運動控制指令PLCopen 實現運動控制功能，通過軸控制面板及全面的在線和診斷功能可輕松完成驅動裝置的調試和優化工作。

該系統控制中各功能部件子程序采用模塊化結構，便于不同用戶生產需求的功能擴展，其控制系統程序結構框圖如圖3 所示。

圖3 控制系統程序結構框圖

控制系統啟動后，主控制器根據人機界面輸入的原材料和成品板料參數，自動計算加工參數并合理匹配工藝流程，調用相應的子程序，通過PROFINET 總線將控制指令發送給各執行器，由執行器驅動被控對象，并通過檢測裝置將被控對象的當前狀態反饋至主控制器中，使整個系統形成一個完整的閉環控制系統，從而實現各被控對象的精準控制和動作協調。

該控制系統中，主控制器為S7-1515T，實現整線所有功能部件的統一控制和動作協調，并實現與遠程運維系統及用戶管理系統的數據交換、信息采集等。ET 200SP 布式I/O 系統為子控制器，實現單個功能部件動作的控制和檢測傳感器的信號采集。執行器有S120 伺服驅動單元、G120 變頻器、電磁閥等，用于機械運動部件驅動。反饋裝置有檢測開關、壓力傳感器、位置傳感器等。

3.2 運維系統

遠程運維系統利用成熟的4G 無線網絡（可升級5G 網絡），通過無線通訊模塊支持局域網和全球范圍內因特網監控。實現PLC 系統和人機界面的遠程下載、上傳、監控等遠程故障診斷和預警功能，可以隨時了解設備運行狀態，實現設備遠程運維，有效保障設備穩定運行的同時最大限度縮短故障時間。所用的軟件主要有：

（1）遠程通訊軟件GVCOM3，通過4G 無線網絡遠程連接控制系統，實現控制器PLC 程序、人機界面、運動控制器等的遠程下載、調試。

（2）設備狀態監控軟件GRM Web Gui，可通過該軟件自行開發APP，實現設備運行流程圖，動畫，歷史數據，地圖，視頻等遠程監控功能。

（3）通訊模塊配置軟件GRMDEV5，用于創建運維系統變量，通過變量映射控制系統中主控制器寄存器的值，實現設備狀態的遠程監控、故障診斷及預警。

4 系統功能特點

智能剪切生產控制系統是新一代信息技術與制造裝備融合集成創新和工程應用的產物，是高端裝備制造業的重點發展方向和信息化與工業化深度融合的重要體現。其功能特點主要體現在以下幾個方面：

（1）應用智能傳感器檢測技術，自動測量板料規格并計算主機剪切角度、行程，刀片間隙，系統壓力、速度等工藝參數，智能匹配全線工藝參數進行板料加工。

（2）采用的PROFINET 和TCP/IP 通訊技術將剪切設備、上料機構、智能分揀機構、碼垛出料等各部件控制系統無縫集成，實現部件之間協同運動，并根據用戶不同需求靈活擴展。

（3）強大的網絡功能實現了設備的遠程故障診斷和預警提示，可以隨時了解設備運行狀態，實現設備遠程運維，有效保障設備穩定運行的同時最大限度縮短故障時間。

（4）主機采用伺服泵液壓控制控系統，根據板料規格和工藝動作自動計算系統壓力和工作速度，可節省電能約50%～60%。

（5）設備使用該控制系統后，操作人員可減少3～4 人，生產效率提高5～8 倍，工件廢品率減小80%，為用戶節省大量的生產成本。

5 結語

智能剪切生產線控制系統因其獨特的開放性、兼容性和靈活性，廣泛適用于單臺及復雜場景的連線剪切設備。能夠有效解決金屬板材加工領域內傳統剪切下料方式自動化、智能化水平低下，制件精度差，效率低，污染重等諸多不利因素。遠程運維系統的故障診斷和預警功能，更是保障設備穩定運行和最大限度縮短故障時間的有效手段。

隨著“中國制造2025”的廣泛推進，堅持創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展，加快從制造業大國轉向制造強國的轉型，設備使用廠家對控制系統的自動化智能生產和網絡化信息管理都提出了更高的需求。

所以，智能剪切生產線控制系統不僅具有良好的市場前景和用戶基礎，更是行業未來的發展方向。