陳殿領(lǐng)

(唐山齒輪集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河北唐山063020)

1 原有設(shè)備改造前的狀態(tài)

精鍛機(jī)以其獨(dú)特的四錘頭鍛造原理，凸顯出與汽錘等鍛造工藝完全不同的品質(zhì)，無可比擬的優(yōu)勢(shì)。不論是鍛造材質(zhì)內(nèi)外部質(zhì)量、成材率、尺寸精度、自動(dòng)化程度、經(jīng)濟(jì)性和對(duì)環(huán)境保護(hù)及對(duì)操縱者衛(wèi)生安全等各個(gè)方面均有明顯提高，是替代汽錘、快鍛機(jī)等開坯和鍛造粗加工成形機(jī)械的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

改造的設(shè)備是該公司已經(jīng)使用了近30年的設(shè)備，是奧地利GFM公司生產(chǎn)的型號(hào)為SX-45臥式四錘頭精鍛機(jī)，設(shè)備的機(jī)械部分還能正常使用，但是電氣系統(tǒng)已經(jīng)嚴(yán)重老化，故障率高，關(guān)鍵控制元件沒有備件來源，致使該設(shè)備的電氣故障停機(jī)時(shí)間非常長(zhǎng)。

此次改造就是要在不降低原來設(shè)備控制性能的基礎(chǔ)上將設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)全部更換成新型的控制系統(tǒng)，同時(shí)還要兼顧原來設(shè)備大部分驅(qū)動(dòng)元件是采用液壓伺服控制的這個(gè)前提。

2 技術(shù)方案實(shí)施的指導(dǎo)思想

(1)數(shù)控系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)有:界面顯示控制模塊、控制臺(tái)控制及智能故障檢測(cè)模塊、數(shù)控驅(qū)動(dòng)模塊、電源控制模塊、邏輯控制模塊、高壓控制模塊。(2)控制線路數(shù)字化設(shè)計(jì)，分布式PLC模塊與CPU之間及CPU與工控機(jī)之間的信號(hào)傳遞全部采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，提高設(shè)備的穩(wěn)定性，同時(shí)減少設(shè)備的信號(hào)線數(shù)量，從而減少設(shè)備的故障點(diǎn)。(3)控制軟件智能化設(shè)計(jì)，人性化、智能化的控制軟件，使操作變得非常簡(jiǎn)單。(4)硬件平臺(tái)先進(jìn)性設(shè)計(jì)，采用西門子SIMOTION C這個(gè)新的硬件平臺(tái)，為之后的設(shè)備功能擴(kuò)展和設(shè)備硬件長(zhǎng)時(shí)間使用提供條件。(5)故障判斷直觀化設(shè)計(jì)，采用圖形化顯示界面。(6)故障修復(fù)智能化設(shè)計(jì)，設(shè)備軟件能準(zhǔn)確地指示出設(shè)備故障的原因、部位、故障狀態(tài)和可能的修復(fù)方法等等，同時(shí)使設(shè)備備件的更換盡可能簡(jiǎn)單。

3 電氣及數(shù)控化改造方法

3．1 西門子SIMOTION C核心控制單元的優(yōu)點(diǎn)

SIMOTION C是一款高性能的運(yùn)動(dòng)控制器，可以充分用于數(shù)控系統(tǒng)的NC控制、伺服軸運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制。SIMOTION C的使用在該方案中主要存在以下幾點(diǎn)突出的優(yōu)勢(shì):(1)通訊優(yōu)勢(shì)，采用西門子工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS(圖1)與各個(gè)部件之間進(jìn)行通訊，通訊速度快、傳輸容量大、反應(yīng)快和抗干擾能力強(qiáng)，配合分布式功能模塊，極大地減少了設(shè)備控制線路的接線，使得實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)間縮短，提高了設(shè)備的可靠程度。(2)控制優(yōu)勢(shì)，SIMOTION C在CPU內(nèi)集成了西門子S7-300 PLC的控制內(nèi)核，他們之間的通訊是通過接口PROFIBUS DP(Drive)完成。該接口優(yōu)化了PROFIBUS DP的報(bào)文結(jié)構(gòu)，通過了RPOFIDRIVE行規(guī)的V3認(rèn)證，用于直接連接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，組成分布式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的接線非常簡(jiǎn)單;從而使得軸的運(yùn)動(dòng)控制與PLC的邏輯動(dòng)作控制之間實(shí)現(xiàn)了真正的無間隙連接，軸運(yùn)動(dòng)和機(jī)床的邏輯動(dòng)作之間采用控制變量共享的信息傳遞方式，實(shí)現(xiàn)了真正的實(shí)時(shí)控制，使設(shè)備的效率有了極大的提高;另一方面，軸運(yùn)動(dòng)控制條件和結(jié)果以及邏輯控制的條件和結(jié)果可以互相嵌套，節(jié)省了大量的PLC數(shù)字輸入/輸出點(diǎn)和模擬量控制點(diǎn)及其相對(duì)應(yīng)的外部接線，使機(jī)床的電器控制系統(tǒng)變得更加簡(jiǎn)潔可靠。(3)算法優(yōu)勢(shì)，SIMOTION C內(nèi)部集成了最可靠的液壓軸算法模塊，以及用于伺服位置控制的PID調(diào)節(jié)模塊，使調(diào)試更加容易，控制更加可靠。(4)PLC的模塊遠(yuǎn)程控制，根據(jù)被控制對(duì)象的空間分布特點(diǎn)來近距離布置PLC的輸入/輸出點(diǎn)，最大限度地縮短由PLC輸入/輸出點(diǎn)到控制元件和被控制元件之間的距離，縮短設(shè)備電器元件與PLC之間的接線距離。

3.2 電氣控制方案

利用西門子SIMOTION C核心控制系統(tǒng)、西門子PROFIBUS工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、西門子專門的液壓軸控制模塊、西門子工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、西門子ET200擴(kuò)展遠(yuǎn)程S7-300 PLC模塊組成控制系統(tǒng)的主體部分，全面更換現(xiàn)有老化的電器控制系統(tǒng)。利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷功能。電氣系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。

3.3 各個(gè)電氣模塊的改造

(1)液壓軸驅(qū)動(dòng)模塊

SIMOTION C內(nèi)集成了液壓軸驅(qū)動(dòng)模塊，可以替代原設(shè)備復(fù)雜龐大的NC控制系統(tǒng)，是設(shè)備各軸速度和位置的控制核心，也是各輔助動(dòng)作的邏輯控制核心。我們首先對(duì)這部分進(jìn)行了改造，改造的主要內(nèi)容包括:液壓軸控制，夾頭A、B的進(jìn)給軸速度和位置控制，左、右錘頭的進(jìn)給軸速度和位置控制;振動(dòng)制動(dòng)器的控制，實(shí)現(xiàn)175 Hz的頻率控制，提供伺服閥的優(yōu)化控制功能;邏輯動(dòng)作的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各部位狀態(tài)信號(hào)的輸入接收、輸出控制以及對(duì)各輔助功能繼電器、各功能閥體和主控觸器的控制;PROFIBUS通訊，作為各個(gè)分布的功能模塊的通訊主站，組織網(wǎng)絡(luò)通訊功能。下面是利用SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)液壓軸全閉環(huán)插補(bǔ)控制的A、B夾頭進(jìn)給軸的改造效果:①控制的指令精度，如圖3所示。②PID控制的效果:SIMOTION C液壓軸控制模塊具有專門的PID控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)需要微調(diào)P/I/D的設(shè)定參數(shù)(圖4)，使液壓軸的控制效果達(dá)到理想。③改造前后的定位運(yùn)動(dòng)效果比較:改造前，軸在低速時(shí)有振動(dòng)，在高速時(shí)超調(diào)的現(xiàn)象嚴(yán)重，定位精度為5 mm/1 000 mm;改造后，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、滑順、無振動(dòng)，定位精度可以達(dá)到0.10 mm/1 000 mm。

(2)PLC的模塊控制

采用了非常適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的創(chuàng)新分布式I/O系統(tǒng)，使得原來操作間和電器控制室內(nèi)龐大的繼電器控制柜變成了非常簡(jiǎn)潔、可靠的控制單元，實(shí)現(xiàn)了模塊化、高性能、高可靠性、柔性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單的組件結(jié)構(gòu)。

(3)設(shè)備顯示和監(jiān)視功能改進(jìn)

此模塊是用于人機(jī)交互的功能組件。采用西門子的工控機(jī)，利用西門子公司專業(yè)的界面設(shè)計(jì)軟件WinCC flexible與VB編程，實(shí)現(xiàn)將分布各處的功能模塊經(jīng)過PROFIBUS總線傳送來的控制反饋信號(hào)統(tǒng)一處理、顯示的功能。

編程界面:完全保留原來的手動(dòng)操作按鈕和各個(gè)部件的參數(shù)設(shè)置、監(jiān)視操作等界面，同時(shí)將設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)顯示給用戶;不管是在自動(dòng)狀態(tài)還是在手動(dòng)狀態(tài)，設(shè)備采用滾動(dòng)字幕給出自身的工作狀態(tài)信息;設(shè)備備有自動(dòng)程序指令庫(kù)，可以自動(dòng)校驗(yàn)和提示、修正指令格式的正確性。

故障診斷界面:在上位機(jī)上提供通過PROFIBUS對(duì)設(shè)備元件和狀態(tài)的實(shí)時(shí)診斷功能，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，首先看設(shè)備各個(gè)元件的動(dòng)態(tài)顯示界面，確定設(shè)備故障的大致部位，然后再利用這個(gè)故障診斷界面對(duì)這個(gè)出現(xiàn)故障的元件進(jìn)行進(jìn)一步的診斷，得出更加詳細(xì)的信息。該功能大大縮短了設(shè)備故障的維修時(shí)間。

(4)電源的改造

電源的可靠性關(guān)系到設(shè)備自身的可靠性，同時(shí)也影響到設(shè)備各部件的使用壽命，對(duì)設(shè)備的整體可靠性有非常重要的作用。我們采用用西門子SITOP開關(guān)電源來完全代替變壓器和開關(guān)電源的方案，不但節(jié)省空間，而且提高了安全可靠性。SITOP電源具備很高的安全性能。憑借其強(qiáng)大的功能，可以防范，解決多種供電安全問題(例如，電壓波動(dòng)和電源故障)。通過SITOP獨(dú)特的附加模塊，甚至可實(shí)現(xiàn)供電的全面保護(hù)。其產(chǎn)品中過載保護(hù)能力甚至可以給諸如DC/DC轉(zhuǎn)換器和電動(dòng)機(jī)等耗電量大的I/O設(shè)備供電。在5 s內(nèi)即可最高達(dá)到額定電流的150%。該電源還可連續(xù)供電:在環(huán)境溫度最高45℃時(shí)可實(shí)現(xiàn)額定能力的120%。通過使用電位計(jì)，可在電源前端很方便地調(diào)節(jié)輸出電壓(22.8～28 V)。

(5)振動(dòng)控制元件的改造

選用德國(guó)伺服閥控制器專業(yè)產(chǎn)品，將原有的模擬控制器變?yōu)閿?shù)字控制器，提高控制精度和控制靈敏度。這樣的好處就是把振動(dòng)制動(dòng)器控制元件的地位提高了，不是僅僅以前的完全從屬的地位，自身的信息和狀態(tài)也能夠讓控制單元知道，并且可以要求控制單元對(duì)一些響應(yīng)做出相應(yīng)的回應(yīng)，同時(shí)自身的狀態(tài)也可以在控制屏幕上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

(6)安全保護(hù)措施

為了防止出現(xiàn)意外故障從而導(dǎo)致?lián)p傷或危害，主要從以下幾點(diǎn)考慮設(shè)置了安全防護(hù)措施:①主要防護(hù)電器元件的選型:安全繼電器使用符合CE安全標(biāo)準(zhǔn)的PILZ安全繼電器。使用PILZ安全繼電器的目的是將人員和機(jī)器的危險(xiǎn)盡可能地降到最低，并且在意外情況下能夠以最快的反應(yīng)速度采取相應(yīng)的安全措施，避免產(chǎn)生意外事故;主電源開關(guān)選用西門子電動(dòng)真空斷路器;低壓控制采用可靠的西門子控制元器件。②安全保護(hù)措施包括:起動(dòng)電路的保護(hù)、停機(jī)裝置的保護(hù)、正常停機(jī)保護(hù)、緊急急停保護(hù)、自動(dòng)停機(jī)裝置、機(jī)械抑制裝置、限制裝置、有限運(yùn)動(dòng)控制裝置和阻擋裝置等等，同時(shí)對(duì)必要的設(shè)備動(dòng)作設(shè)計(jì)出不通過SIMOTION C就可以實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的動(dòng)作的電氣控制通路，可以通過按鈕直接控制，以便設(shè)備中途出現(xiàn)問題后操作人員能夠通過這些簡(jiǎn)單的操作功能對(duì)設(shè)備和工件進(jìn)行必要的保護(hù)和救護(hù)措施。

(7)手動(dòng)和半聯(lián)動(dòng)操作模式

這兩種操作模式可以根據(jù)操作者的操作意圖任意選擇。在PLC的設(shè)計(jì)回路里，我們把自動(dòng)模式和手動(dòng)模式的程序控制功能設(shè)計(jì)成兩個(gè)各自獨(dú)立的Function Control模塊，這樣就使得兩個(gè)功能模塊之間的運(yùn)行相互獨(dú)立，互不干涉。

4 改造方案的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)

在此改造方案中，廣泛采用了PROFIBUS-DP通訊總線，這種方式不但完全適合設(shè)備現(xiàn)在的電氣布局，同時(shí)大大提高了設(shè)備電氣系統(tǒng)運(yùn)行的可靠程度。總結(jié)如下:(1)采用非常實(shí)用的創(chuàng)造性的分布式I/O控制方案。(2)該設(shè)備的控制系統(tǒng)是目前比較領(lǐng)先的控制平臺(tái)。(3)極大地方便了設(shè)備的監(jiān)控和日常的保養(yǎng)維修。(4)提高了工件的加工精度。(5)保證了與設(shè)備原有接口的可靠銜接。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

(1)本設(shè)備在改造之前，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)在國(guó)內(nèi)沒有專門的維修服務(wù)，老化的控制系統(tǒng)故障率非常高，幾乎每周都要故障停機(jī)兩三次，平均每次的維修時(shí)間在3～4 h，有時(shí)甚至需要2～3天的時(shí)間。目前該設(shè)備改造后已經(jīng)投入使用1年左右的時(shí)間，電氣控制系統(tǒng)幾乎沒有發(fā)生過故障，設(shè)備除正常的日常維護(hù)保養(yǎng)、機(jī)械檢修之外，都在正常運(yùn)轉(zhuǎn)。增加產(chǎn)能30%。(2)老設(shè)備的電氣控制板在國(guó)內(nèi)只有極少數(shù)有經(jīng)驗(yàn)的維修人員才能維修，并且因?yàn)闆]有參考的圖紙和電氣參數(shù)等資料，所以維修非常耗時(shí)，造成這些控制板的維修費(fèi)用非常高。改造后的設(shè)備維修費(fèi)用下降65%。(3)設(shè)備改造前的精鍛工件的控制精度不高，并且在控制的過程中還有沖擊，所以精鍛件需要留比較大的加工余量。改造后的設(shè)備可以將精鍛工件的加工余量在直徑方向減少5 mm左右。此項(xiàng)每年為公司增加經(jīng)濟(jì)效益800萬元左右。