基于PROFINET 的耐磨球生產線智能控制系統設計

汪有才，徐金鑫，王棟棟，王 建

（1.銅陵有色金神耐磨材料有限公司，安徽 銅陵 244000；2.廣州中國科學院先進技術研究所，廣東 廣州 511458）

隨著現代工業技術的快速發展，高強韌耐磨球鍛造技術也得到了快速的發展。但是當前國內的耐磨球生產線還是以半自動化設備、人工為主，與世界上發達國家的全自動智能化產線相比，存在自動化水平不高，產能較低，產品質量一致性較差等問題。如何精準控制生產過程中的各個環節，優化耐磨球生產工藝和提高耐磨球的生產裝備制造水平，采用技術先進、系統穩定、安全可靠的自動控制系統是一個關鍵點[1]。

本文以某耐磨球生產公司為背景，分析了耐磨球生產工藝，設計了耐磨球生產控制系統，采用西門子S7-1500PLC 和變頻技術，通過工業以太網交換機與總控PLC 進行PROFINET 通訊，實現產線上的點對點控制，達到提升產品質量、提高產能、降低易損件節約資源和實現產線的自動化智能化生產[2]。

1 耐磨球生產工藝簡介

1.1 耐磨球的生產工藝

耐磨球也稱磨球、鋼球，是將鋼棒在步進爐進行加熱，然后進行定尺熱剪，之后鍛打成形，成形后進入等溫冷卻螺旋裝置進行正火，再用冷水淬火，再回火最后冷卻包裝入庫。所以磨球的生產工藝如下：

棒料檢驗→上料→加熱→定尺剪切→鍛打成型→正火→淬火→回火→冷卻→檢驗包裝入庫。

1.2 磨球的性能要求

隨著國家工業化進程的加快，在實際生產中，原有生產方法制造的耐磨材料制品存在壽命過短、頻繁更換、停機時間增加等現象，所造成的損失遠遠高于高性能耐磨材料的價值，對磨球的品質要求越來越高[3]。磨球品質要求：硬度高、韌性強、圓度好、不存在飛邊和表面凹坑等缺陷，使用時間長。

1.3 影響磨球品質的主要原因

（1）不同規格、不同種類的鋼棒，其生產工藝有所區別，在生產不同規格的磨球時，鋼棒在步進爐進行加熱、熱剪機熱剪，加熱溫度和裁剪長度是不同的，如果不能及時調整步進爐的加熱溫度以及準確裁剪棒料的長度，都會對磨球的品質產生不良影響。

（2）在鍛打成形環節，生產過程隨時發生變化，生產不同規格磨球時，不僅需要更換磨具，鍛打力度和次數也不同，如果不能及時動態調整此工位的系統，會影響磨球品質。

（3）正火過程中，由變頻器控制電機帶動等溫冷卻螺旋裝置磨球在上面進行正火降溫，要保證熱態磨球從900℃降到500℃，如果不能動態調整等溫冷卻螺旋裝置的轉速，就無法精準控制磨球降溫到500℃，從而影響磨球品質。

（4）淬火環節，在磨球進行淬火過程中要保證冷卻水的溫度不高于40℃，要實時往冷卻池注入冷水，注水量為200m3/h。如果不能保證淬火環節冷卻水的溫度，也會影響磨球品質。

綜上所述，要對磨球整個生產環節進行升級改造。具體要求：整個控制系統能夠實時監控所有生產環節，實現點對點控制，當磨球的生產規格和品種發生變化時或某一生產環節發生改變時，只需要在控制室人機界面輸入相應參數進行調整即可，該生產線也能夠進行在線、實時調整參數，控制生產環節。這樣就可以實現同一條鍛打線生產不同球徑的磨球，并且具備自動化智能化功能。

2 存在問題及生產過程控制要求

2.1 存在問題

（1）自動化程度較低，很多生產環節需要人工來完成，生產效率低、產品質量一致性差、勞動強度大。

（2）整個產線沒有實時監控系統，只能通過設備操作人員進行檢查，控制室沒有權限進行遠程操控。

（3）故障應急手段落后，出現故障后，整條生產線都要停下來，需要通知維修人員進行維修，維修部門很難準確的了解故障發生的原因。

（4）設備的工藝參數調整只能通過現場操作人員進行，并且需要有經驗的操作工，當多個設備需要同時調整參數時，沒辦法及時反饋調整。

（5）各個生產環節相對獨立，沒有監控系統收集數據，當出現故障時不能對故障進行有效的分析，也不能提前預警，存在一定的安全隱患。

（6）對生產設備的關鍵部位檢測點太少，留有許多檢測盲點。

為了解決以上問題，需要一種全自動化智能化的控制系統。

2.2 設備控制要求

2.2.1 棒料裁剪控制要求

被加熱好的棒料從加熱爐出來，自動進入到出料機輥輪上，出料機輥輪依靠變頻電機驅動，可實現無級調速。棒料被送至尾端，尾端裝有對射開關，對射開關檢測到棒料時，翻料機構開始動作，將棒料送至自動上料機輥道上。自動上料機構上的對射開關檢測到棒料就位，裝有激光位移傳感器的自動定尺氣缸推出使棒料行至尾端，氣缸的氣路上裝有壓力繼電器，根據氣壓的大小來判定棒料是否行至尾端，棒料至尾端后，激光位移傳感器讀出棒料長度傳輸到PLC。根據檢測的長度，設定的段數，PLC 自動計算均勻分料，數控棒料剪切機自動調整伺服定尺寸機構的進料行程，使每段長度相等，確保材料損耗少，將棒料均勻分配成均等料段。棒料在線監測完成后，有翻料機械手將棒料翻送到自動送料輥道上，自動送料輥道上安裝有伺服系統控制的推料機械手，將棒料勻速穩定的推進剪切機主機中進行剪切[4]。從剪切主機出來的剪切好的料段，均勻、勻速的排列在出料軌道上，出料輥道依靠變頻電機進行速度控制，控制中心可根據生產具體情況進行速度調整，在自動出料機構上尾部安裝自動分揀機構，分揀機構根據后續設備工作狀態和鍛造工藝節點，系統自動判斷，進行自動分揀棒料。分揀設備根據后續生產節拍和需求，自動將坯料均勻或者非均勻的分給兩個機器人夾取的翻料機構，該位置同樣裝有對射開關，檢測到棒料到位，發信號給對應的機器人，進行夾取。

2.2.2 機器人、數控錘控制要求

機器人夾取棒料后，氣缸上接近開關發出夾緊完成信號，且機器人夾鉗離開翻料機構一定位置后，給出完成信號，翻料機構返回，機器人的夾取到棒料毛坯的同時，脫模劑噴涂設備在數控錘模具上均勻的噴上脫模劑；然后機器人將棒料毛坯放在數控錘模具上。到達位置后發出扶正信號，扶正氣缸伸出，到位接近開關得到信號，機器人松開夾鉗，并退回初始位置，準備夾取下一棒料，并發打擊信號，第一錘打擊完成，發出扶正機構返回信號，返回到位再執行打擊，當打擊步數完成后，數控錘自動頂料，并發出頂出完成信號，機器人進入將鋼球推入滑道，滑向空氣錘進行精整。在機器人推完鋼球，再次發出噴脫模劑信號，噴涂完成后，機器人將棒料毛坯方式數控錘模具執行下一循環。在機器人夾取棒料的時候，會對棒料進行溫度檢測，當溫度低于設定的溫度，則會對數控錘的打擊能量或者打擊步數進行相應的調整，使每一個鋼球都更好地成形[5]。同時鍛造模具自帶溫度測量裝置，檢測模具是否在最佳工作溫度（200～250℃）區間，判斷是否進行預熱或者進行風冷降溫。

2.2.3 正火控制要求

磨球鍛打完畢進入正火環節，由變頻器控制電機帶動等溫冷卻螺旋裝置磨球在上面進行降溫，要保證熱態磨球進入冷卻池淬火前降溫到500℃，如果不能動態調整等溫冷卻螺旋裝置的轉速，就無法精準控制磨球降溫到500℃。

2.2.4 冷卻水調節控制要求

在進入冷卻池注水管道上設流量計，流量信號送至注水系統控制柜。水量為200m3/h。冷卻池內設有溫度計，實時檢測水溫，當水溫超過40℃時，發出報警，加大注水量，調節水溫。當水溫降至40℃以下時自動調整注水量為200m3/h。

3 控制系統設計

3.1 系統結構及硬件設計

基于整個鍛球生產線的需求，提出一種基于PROFINET 的耐磨球生產線智能控制系統設計，其主要由控制系統、人機界面HMI、熱剪系統、機器人鍛打系統、視覺檢測系統、淬火系統、工控機、網絡交換機、通信模塊等組成，硬件布置如圖1 所示。

圖1 硬件連接示意圖

整個產線的控制系統采用西門子S7-1500PLC和變頻技術，棒料熱剪系統用于棒料的加熱、長度準確裁剪；機器人鍛打系統用于機器人夾持裁剪棒料放置數控錘進行鍛打；視覺檢測系統采用相機實現鍛打后的磨球圓度檢測；淬火系統控制水溫。

3.2 控制網絡設計

整個系統采用多級網絡體系，設計的磨球生產控制系統共有5 個不同網絡。其中核心網絡為生產控制系統，使用PROFINET 協議通過交換機相互連接通信[6]，其網絡拓撲如圖2 所示。磨球生產控制系統與現場其他設備，如熱剪系統、鍛打系統、數據采集與監控系統等，通過通信模塊進行通信。

圖2 控制系統網絡拓撲

其中工業以太網（PROFINET）技術，使用TCP/IP和IT 標準，提供了一個優化的、基于以太網第二層的實時通訊通道，極大地減少了數據在通訊棧中的處理時間[7]。在這個PROFINET 網絡中，應用了3 種子協議：①PLC 與熱剪機使用了TCP/IP 協議；②PLC與HMI、遠程IO 模塊、視覺相機、淬火系統使用RT協議；③PLC 與機器人使用IRT 協議。

3.3 控制流程及程序設計

3.3.1 PLC 和HMI 程序設計

PLC 和HMI 程序使用西門子軟件設計，主要分為硬件組態和程序編寫。硬件組態主要有CPU 模塊、輸入/輸出模塊、通信模塊、遠程輸入/輸出模塊等。

PLC 作為主控設備，負責整個磨球鍛打系統的流程控制，也負責與系統中其它設備動作邏輯的數據交換。PLC 程序設計主要分為以下幾部分：主程序、安全控制程序、輸送系統交互程序、報警程序、初始化程序、復位程序等。其中安全控制程序比較重要，主要負責處理安全門鎖、安全光柵、急停系統的程序，所有的安全輸入信號都采用雙通道信號，安全等級比普通繼電器系統要高。

3.3.2 機器人程序設計

機器人采用ABB 機器人，其程序通過ABB RobotStudio 仿真軟件進行設計，也可以通過它編輯各種數據變量和通信變量，如移動位點、工件坐標系、工具坐標系、IO 變量、PROFINET 通信變量等[8]。機器人主程序的控制流程采用校驗循環形式，其控制流程如圖3 所示。

圖3 機器人工作流程圖

4 結論

根據磨球生產工藝流程，設計了一套基于PROFINET 的生產控制系統。上位機采用西門子軟件和程序編寫，下位機采用西門子可編程邏輯控制器S7-1500PLC，根據生產要求，確定了工控機、網絡設備等控制系統所需的軟硬件。生產控制系統應用于磨球生產線，實現了整個條產線的自動化生產，并且產線運行穩定、性能良好，達到了預期的設計目的，并且對類似生產線的設計具有一定參考價值。