高效造型線智能控制系統的開發*

陳 浩，董必輝，趙喜才

（1.常州紡織服裝職業技術學院機電學院，江蘇 常州 213164；2.常州巧捷鑄造設備有限公司，江蘇 常州 213164）

0 引言

由于鑄造生產存在溫度高、勞動強度大、污染嚴重等問題，該行業招工越來越難，給企業帶來了諸多問題，正常的產量難以保證，質量也很難控制。為了解決上述問題，同時降低勞動力成本、提高生產效率、實時掌握生產過程數據、及時發現并處理生產過程中出現的問題，智能化是鑄造業發展的必然方向。

造型線是鑄造生產的核心，造型線的智能化程度直接決定了鑄造行業的智能化水平。近年來諸多學者對于造型線的控制技術進行了深入的研究[1-2]。王智明[3]基于西門子PLC 順序控制功能塊使用結構化編程技術完成了KW 造型線的控制系統開發。張少芳等[4]給出了一種利用分布式I/O ET 200和PROFIBUS總線對現有過程控制的方法，實現了造型、推送及其輔助機構的流程化控制，大幅度提高了砂型鑄造過程中各個工藝之間互相協作的能力。臧千強等[5]在分析了YJZ51.108 靜壓造型線的組成與工藝流程的基礎上，以西門子S7-1500 系列CPU 作為處理器、ET200S 模塊作為I/O 從站，開發了該造型線的數字化、智能化的電控系統。閆新飛等[6]在分析了智能制造發展現狀的基礎上研究了智能制造重塑鑄造企業設備管理，探索研究新模式下的管理思路。常濤等[7]從橫向架構（MES、物聯網信息采集平臺和人機共事層3 層）與縱向架構（人、專家系統和設備控制系統）兩個方面闡述了鑄造行業智能制造系統的實施過程。上述研究多停留在自動化的層面上，還沒有達到智能化的程度。

本文首先介紹了造型線的組成與工藝流程，然后設計了造型線控制系統的架構，搭建了硬件平臺，最后編制了控制系統的PLC控制程序、人機界面和遠程控制系統。

1 造型線的組成與工藝流程

1.1 造型線的組成

本文研究對象為某型靜壓造型線，該造型線主要包含加砂機、造型主機、下芯機、輸送機、冷卻機、落砂機、液壓泵站、電控柜等。造型機采用上、下氣流加砂射砂，充砂快速、無虛角，通過液壓壓實，實現砂型成型，同時完成起模、合型、推型動作。加砂機按需向主機進行加砂，保證主機砂量充足。下芯機實現同步下芯，提高了工作效率。輸送機與主機同步完成澆注、鑄型輸送、冷卻。同步皮帶冷卻機給鑄件足夠的冷卻時間，避免因冷卻時間不足引起產品變形。

1.2 造型線的工藝流程

靜壓造型線的工藝流程如圖1 所示。該造型線工藝主要由造型、下芯、上箱、澆注、冷卻和返回等6 個部分構成[8]。

圖1 造型工藝流程

（1）造型。該部分主要包括了造型機、分箱機、內部清理機、轉運車等機械裝置。先進行分箱、清理，然后將上、下砂箱按順序推入造型機；造型機完成加砂、壓實和起模等加工工藝；造型后的砂箱被推出，再進行翻轉、移箱。

（2）下芯。該部分分為兩種方式：人工下芯和機械下芯。主要完成型腔內噴涂、安裝砂芯等工作。

（3）上箱。該部分主要由上箱推送缸、銑澆口機、扎氣孔機、鉆氣孔機等組成。主要完成銑澆口、扎氣眼、鉆氣孔、上箱翻轉和合箱等工作。

（4）澆注。該部分主要由澆注機、定位機構等組成。該段由澆注機將鐵水/鋼水澆注至砂型中。

（5）冷卻。該部分由多條冷卻帶組成。過渡車將澆注了鐵水/鋼水的砂型轉移到冷卻帶上，然后返回繼續轉運下一沙箱。

（6）返回。該部分主要由臺面清掃機、落砂機、返回段緩沖缸等機械結構組成。捅箱機提起砂箱，捅出砂胎，空砂箱放置于小車并送回分箱機處，繼續進行下一個造型循環。

2 造型線控制系統方案設計

2.1 控制系統的設計目標

在分析了造型線的工藝流程基礎上，充分考慮生產管理過程存在的問題和管理者的需求，本文所要設計的造型線控制系統應具備以下的功能。

（1）設備運行控制?？刂葡到y最基本的功能是設備的運行控制。通過預設的控制指令能夠控造型線的造型、下芯、上箱、澆注、冷卻和返回6 個工藝過程。另外，可以實現故障緊急停止、遠程監管等功能。

（2）人機交互。為了便于人機信息交換，需要人機交互界面。通過友好、簡潔的人機交互界面設置系統參數、發送控制指令、查看運行參數等。

（3）運行狀態信息采集。通過相應的傳感器精確采集造型線各類運行狀態數據，并將所采集到的數據發送給控制器進行數據處理，為后續控制提供數據基礎，并作為故障診斷的依據。保證了各設備的可靠運行。

（4）遠程監控。以互聯網技術為基礎，進行造型線生產數據、運行狀態信息的遠程傳輸，再進行數據處理，進而優化生產控制，還可以進行遠程故障診斷，以提高生產管理效率。

2.2 系統的架構設計

基于設計目標設計了造型線控制系統的架構。該架構分為現場執行層、現場控制層及遠程監控層3 個層級[9-10]，如圖2所示。

圖2 造型線的控制結構體系

（1）第1 層：設備層。本層主要包含造型線的執行元器件與各類型的傳感器。執行器元器件主要包含電機、電磁閥、液壓泵、液壓缸、氣缸等，通過系統的控制器對各執行元器件進行動作控制，完成造型線各工藝過程。傳感器主要包括編碼器、溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、接近開關、磁性開關等，這些傳感器主要用于設備運行狀態信息的實時監測，并由控制器進行處理。

（2）第2 層：現場控制程。本層主要包含控制器與上位機?？刂破魇钦麄€造型線控制系統的核心，控制器與設備層連接，按照預設指令控制設備的各類動作，控制器與各類傳感器連線，采集并處理造型線運行狀態信息；控制器與人機交互屏幕相連，實現數據傳輸通訊，通過人機交互界面進行控制參數設置、控制指令發送、運行信息查看等操作。

（2）第3 層：遠程控制層。本層主要包括數據傳輸模塊、云平臺和數據終端。云平臺與控制器之間通過數據傳輸模塊進行通訊，再通過計算機訪問云平臺，進行信息的讀取以及控制指令的發出，實現造型線運行過程的遠程監測與控制。

3 控制系統的拓撲結構

根據造型線的結構與工藝流程特點，其控制系統采用如圖3 所示的控制架構。其中PC 終端作為上位機可實現對造型線的在線監控、對生產過程進行控制與管理。下位機采用西門子PLC 對現場傳感器信號、電機的轉速/電流等狀態進行采集，同時通過已設定好的程序對各個執行器的動作進行控制。PLC 通過數據傳輸模塊ABOX與云平臺進行通訊。

圖3 基于工控機與PLC的控制系統硬件架構

4 控制系統程序編制

首先，針對造型機、澆注機、轉運線等底層設備編制相應的控制模塊，控制模塊主要是基于西門子PLC 控制技術[11]，部分控制程序如圖4所示。

圖4 PLC控制程序

然后，在上述控制模塊的基礎上編制人機交互界面，該界面有手動控制界面、自動控制界面、狀態監測界面等[12]，如圖5所示。

圖5 人機交互界面

最后，在企業物聯網云平臺的基礎上設計了造型線智能遠程控制系統，系統界面如圖6 所示。該統能夠對造型線實時數據進行監控，并能查看歷史數據，另外還具有遠程故障診斷等功能。

圖6 物聯網云平臺監控界面

5 控制系統調試

以某公司的造型線為對象進行系統的總體運行調試，調試現場如圖7所示。

圖7 造型線調試現場

硬件調試：先進行線路檢查，確認無誤后進行控制系統電路通電；然后逐一測試各設備的PLC 輸入、輸出接口確保連接正確；再確認各按鈕、限位開關、電磁閥等設備與PLC 之間的通訊正常。控制系統調試：系統上電初始化，確定設備的初始化動作正常；然后采用手動方式，對造型機等造型動作、澆注機的澆注動作以及轉運線的輸送作業動作進行控制，確保各設備能夠正常運行和各傳感器能夠正常工作；手動控制調試完成后，開啟單步運行模式，根據運行狀態進行參數調整；單步調試完成后，開啟自動運行模式，按照造型工藝進行造型作業生產。最后，在云平臺查看設備狀態、報警信息、歷史數據等信息，并進行遠程故障診斷。調試結果表明，所研發的造型線控制系統能夠滿足設計目標。

6 結束語

本文以某型造型線為研究對象，將工業控制技術、數據采集技術、互聯網通信技術以及數據庫技術有機結合，設計了造型線智能控制系統，主要研究內容如下。

（1）通過現場調研、文獻搜集等手段，詳細介紹了造型線的組成與工藝流程。

（2）為實現造型線生產過程的自動化、智能化運行，設計了造型線智能控制方案：以PLC 為控制系統的主要控制器實現電機、電磁閥、變頻器等執行元器件的控制，通過傳感器采集造型線各設備的運行狀態數據；通過人機交互界面，實現對系統的參數設置、控制操作、運轉狀態顯示等功能；利用智能數據傳輸終端與PLC 通信，實現生產現場與物聯網云平臺的連接，從而構建成造型線的自動控制以及遠程監控的控制系統。

（3）為實現生產線控制系統方案，進行了人機交互界面、智能數據傳輸終端、執行器、PLC 等硬件的選型。同時根據造型線控制需求，完成了現場人機交互界面、底層PLC控制程序以及遠程監控界面的設計。

（4）以某型造型線為對象進行了整個系統的調試，實現了造型線自動化運行，以及運行狀態的遠程監控。