基于現(xiàn)場總線的鍛造自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

文/趙帥，劉作樂，薛洪志，卓偉，宋凱·中國重汽集團公司濟南鑄鍛中心

基于現(xiàn)場總線的鍛造自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

文/趙帥，劉作樂，薛洪志，卓偉，宋凱·中國重汽集團公司濟南鑄鍛中心

傳統(tǒng)的鍛造生產(chǎn)線多為人工手動操作方式，不僅工人的勞動強度大、工況惡劣，而且也很難提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量的穩(wěn)定性；同時生產(chǎn)線設備靠單一PLC控制，缺乏良好的人機界面，信息反饋及故障診斷較為復雜。本文以我公司MP8000自動化熱模鍛壓力機生產(chǎn)線為例，介紹了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術的自動化鍛造生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)及其組成結構。

生產(chǎn)線介紹

該生產(chǎn)線主要生產(chǎn)各類重卡轉向節(jié)、四缸曲軸，每件生產(chǎn)時間為25s，年生產(chǎn)鍛件45萬件，生產(chǎn)線布局如圖1所示。該生產(chǎn)線的主要設備組成有:一臺3400kW的感應加熱爐、兩臺10MN閉式雙點壓力機、1臺MP8000熱模鍛壓力機、8臺KUKA機器人和一條控溫冷卻線。該生產(chǎn)線的工藝流程為：感應加熱→制坯（兩道）→預鍛→終鍛→切邊校正→控溫冷卻→鍛件輸出。

圖1 生產(chǎn)線布局圖

控制系統(tǒng)組成

生產(chǎn)線采用西門子現(xiàn)場總線技術，由工控機、安全型主控PLC、子系統(tǒng)PLC、通信模塊組成?？偩€控制系統(tǒng)結構為兩層，上層為以太網(wǎng)控制，下層采用PROFIBUS-DP總線控制。通過高速工業(yè)以太網(wǎng)路由器、PLC與總線工控機、觸摸屏進行信息共享和人機交互，保證大數(shù)據(jù)的高速無時滯傳輸?，F(xiàn)場設備層采用PROFIBUS-DP進行實時數(shù)據(jù)通信。通過DP耦合器，各設備控制系統(tǒng)PLC完成與主控PLC的接口通信。

控制策略

主控系統(tǒng)的主要作用是協(xié)調、控制、判斷各控制子單元的邏輯順序，保證生產(chǎn)線穩(wěn)定、安全、高效運行。根據(jù)工藝要求，把生產(chǎn)線分成5個控制單元。1條自動化感應加熱線和輸送料系統(tǒng)組成的加熱單元；1臺10MN壓力機和2臺機器人組成的預制坯單元；MP8000壓力機、4臺機器人和噴淋系統(tǒng)組成的鍛打噴淋潤滑單元；1臺10MN壓力機和2臺機器人組成的切邊校正單元；切毛邊和鍛件輸送裝置組成的輸送下轉單元。

系統(tǒng)采用分區(qū)域控制方式完成整條生產(chǎn)線的控制。主控通過與子單元的接口信號通信，通過PLC程序的邏輯分析，完成對感應加熱爐、機器人、壓力機、輸送系統(tǒng)的協(xié)調控制，實現(xiàn)生產(chǎn)線的啟動、監(jiān)控、協(xié)調、故障診斷、停止等功能。當某單元發(fā)生故障時，其他單元在主控的控制下自動采取相應處置措施（甩料/等待/回位/停止等），當故障解除時生產(chǎn)線繼續(xù)恢復生產(chǎn)。控制方式有全線自動、區(qū)域自動、手動控制。自動方式下，系統(tǒng)通過PLC預設的自動化程序對生產(chǎn)線進行控制；區(qū)域自動是指某選定區(qū)域單獨自動運行，主要用于產(chǎn)品調試或生產(chǎn)線區(qū)域聯(lián)調。手動方式為人工操作設備與機器人，主要用于新產(chǎn)品調試、測試等。

各設備急停開關、安全門信號通過硬線連接到主控故障安全型PLC S7-319F的I/O模塊，同時通過看門狗程序，實時監(jiān)控主站與子站之間的通信，最大程度地保證工人的人身和設備的安全。

硬件組態(tài)

PROFIBUS-DP現(xiàn)場層主站采用西門子S7-319F故障安全型CPU為主控制器，控制整條生產(chǎn)線，并與子站通信。從站有CP5614卡、IM153-2、DP-DP耦合器，PROFIBUS硬件組態(tài)如圖2所示。工業(yè)以太網(wǎng)由西門子工控機、主控PLC、觸摸屏面板、工業(yè)交換機等組成。

軟件系統(tǒng)

圖2 PROFIBUS網(wǎng)絡硬件組態(tài)

軟件系統(tǒng)由組態(tài)編程軟件和監(jiān)控軟件共同組成，系統(tǒng)PLC采用西門子step7 5.4完成硬件組態(tài)、參數(shù)設置、軟件編程、監(jiān)控調試等，step7 5.4界面友好，組態(tài)編程方便，在線調試直觀、便捷，有梯形圖(LAD)、語句表(STL)和功能圖(FBD)三種編程形式可隨意切換和組合使用。工控機監(jiān)控組態(tài)軟件采用西門子WinCC7.0，WinCC7.0包括圖形設計器、報警、報告、記錄、腳本、用戶管理、控制中心等功能，它集控制技術、人機界面技術、圖形技術、數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術于一身，系統(tǒng)含有實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)報表，實時、歷史曲線，報表查詢等控件，為工程技術人員提供一個較好的二次開發(fā)平臺。

監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)

監(jiān)控與診斷系統(tǒng)主要由以太網(wǎng)交換機、工控機和主控系統(tǒng)PLC組成，工控機負責生產(chǎn)信息的管理和生產(chǎn)線的控制，是監(jiān)控診斷系統(tǒng)的中樞，主要完成以下幾個功能。

⑴生產(chǎn)監(jiān)視功能。生產(chǎn)監(jiān)視功能通過組態(tài)軟件完成對現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)的實時顯示，以及控制系統(tǒng)中參數(shù)的顯示，以圖形化的形式反映生產(chǎn)線狀態(tài)，幫助操作人員及時掌握生產(chǎn)線的信息。監(jiān)視系統(tǒng)分為系統(tǒng)全局監(jiān)視、單一設備監(jiān)視和參數(shù)趨勢分析功能。

⑵生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集及記錄功能。工控機將生產(chǎn)現(xiàn)場相關數(shù)據(jù)進行采集，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，供技術人員進行統(tǒng)計分析時使用。

⑶生產(chǎn)線的配方選擇功能。生產(chǎn)線配方選擇功能實現(xiàn)設備控制功能、產(chǎn)品配方功能選擇。

⑷生產(chǎn)線報警診斷處理功能。診斷系統(tǒng)提供豐富的報警診斷功能，用于處理、顯示生產(chǎn)線的報警信息，具體組成為報警顯示、報警處理、報警分級和報警歸檔等。

⑸顯示和打印功能。監(jiān)控診斷系統(tǒng)提供豐富的統(tǒng)計報表功能，可以將參數(shù)記錄生成數(shù)據(jù)報表，報警記錄生成報警記錄報表等，并可以進行報表的查看和打印操作。

⑹權限功能。監(jiān)控系統(tǒng)提供操作權限來保證系統(tǒng)安全，分為操作員和系統(tǒng)管理員。系統(tǒng)管理員是指在對監(jiān)控系統(tǒng)進行軟件維護、故障維修等管理時的權限分級，該級別的用戶及權限設置通過組態(tài)軟件來實現(xiàn)。操作員是指監(jiān)控系統(tǒng)在運行狀態(tài)下的用戶操作權限分級，可根據(jù)用戶需求設置不同的操作級別，當系統(tǒng)運行時，用戶需輸入正確的用戶信息，才能被允許進入監(jiān)控系統(tǒng)，并可以提供相應的權限操作。

結束語

該控制系統(tǒng)在體系架構、網(wǎng)絡組成、軟硬件配置和功能實現(xiàn)上采用綜合自動化監(jiān)控技術進行方案細化設計和系統(tǒng)配置，充分考慮系統(tǒng)的擴充、擴展、信息共享和技術先進性，完全滿足了MP8000鍛造生產(chǎn)線的生產(chǎn)需求和未來擴充的需要；在保證控制系統(tǒng)技術先進性的基礎上對系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性、可維護性和人機交互友好性進行了充分優(yōu)化，滿足了鍛造生產(chǎn)線在溫度、濕度、灰塵、防水、抗振、抗干擾和電磁兼容性等方面的要求。該自動化生產(chǎn)線相比傳統(tǒng)生產(chǎn)線大大提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質量穩(wěn)定性。