文/姚宏亮，陳賀靜·北京機(jī)電研究所

基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)的鍛造生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)

文/姚宏亮，陳賀靜·北京機(jī)電研究所

研究背景和問題的提出

“鍛造”作為一種金屬加工的主要方法和手段，在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，是裝備制造業(yè)(特別是機(jī)械、汽車行業(yè))，以及軍工、航空航天工業(yè)中不可或缺的主要加工工藝。

鍛造設(shè)備發(fā)展趨勢是集機(jī)械、電子、液壓、氣動及檢測等方面最新技術(shù)于一體，自動化程度高、換?？焖佟⒐ぷ骺煽?、噪聲低、防護(hù)完善、精度高。鍛造生產(chǎn)自動化應(yīng)該包括兩個(gè)部分，一部分是機(jī)器的自動化，主要有壓力、能量、行程、溫度、潤滑、故障監(jiān)控、安全控制等；第二部分主要是生產(chǎn)線的物流自動化，主要有動作順序、安全互鎖、信號交換、監(jiān)測報(bào)警等。

鍛壓行業(yè)生產(chǎn)的自動化已經(jīng)由原來的模擬控制逐步轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，由開環(huán)變?yōu)殚]環(huán)，并且越來越多地使用機(jī)器人。具有現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)、互動操作性、分散功能模塊、開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線技術(shù)，是鍛造自動化生產(chǎn)線控制技術(shù)的主要發(fā)展方向。

北京機(jī)電研究所在國內(nèi)首次將PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)引入到鍛壓自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)中，并在南昌精密鍛造自動化生產(chǎn)線中成功得到應(yīng)用，順應(yīng)了自動控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

PROFIBUS現(xiàn)場總線

隨著生產(chǎn)工藝對控制要求的提高，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能要求越來越高。如嚴(yán)密的順序工藝控制，精密的運(yùn)動控制，系統(tǒng)異常的及時(shí)報(bào)警和處理等均需要系統(tǒng)性能的保證。尤其在鍛造行業(yè)中，設(shè)備規(guī)模較大在高速、重載的場合下，一旦出現(xiàn)事故，就是嚴(yán)重的事故，現(xiàn)場總線的性能顯得格外重要。

PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)與其他現(xiàn)場總線技術(shù)相比，具有它自身獨(dú)特的優(yōu)勢，具體來說表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

⑴PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)是中國第一個(gè)工業(yè)通訊領(lǐng)域現(xiàn)場總線技術(shù)的國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是國際標(biāo)準(zhǔn)。

⑵PROFIBUS現(xiàn)場總線中的DP部分己經(jīng)具有非常廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，支持廠商多，用戶量大。

⑶PROIBUS配置靈活。根據(jù)不同的應(yīng)用對象，可靈活選取不同規(guī)格的總線。如簡單設(shè)備一級的高速數(shù)據(jù)傳送，可選用PROFIBUS-DP單主站系統(tǒng)；稍微復(fù)雜一些的高速數(shù)據(jù)傳送，可選用PROFIBUS-DP多主站系統(tǒng)；比較復(fù)雜一些的系統(tǒng)可將PROFIBUS與PROFIBUS-FMS混合選用，兩套系統(tǒng)可方便地在同一電纜上同時(shí)操作，而無需附加任何轉(zhuǎn)換裝置?？梢詽M足多個(gè)領(lǐng)域的自動化需求，并提供從工廠級到現(xiàn)場級的全方位解決方案。

⑷本征安全。本征安全性一直是工控網(wǎng)絡(luò)在工程控制領(lǐng)域首先需要考慮的問題，否則即使網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計(jì)得再完善，也無法在工業(yè)現(xiàn)場使用。目前各種現(xiàn)場總線技術(shù)中考慮本征安全特性的只有PROFIBUS與FF，而FF的部分協(xié)議和成套硬件支撐尚未完善，可以說目前過程自動化中現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟解決方案是PROFIBUS-PA，它只需一條雙絞線就可能傳送信息又向現(xiàn)場設(shè)備供電，由于總線的操作電源來自于單一供電裝置，它就不再需要絕緣裝置和隔離裝置，設(shè)備在操作過程中進(jìn)行的維修、接通或斷開，即使在潛在的爆炸區(qū)也不會影響到其他點(diǎn)。使用分段式耦合器，PROFIBUS-PA可以很方便的集成到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)上。

⑸PROFIBUS的協(xié)議體系相對簡單，同時(shí)經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)具有成熟的開發(fā)及驗(yàn)證工具可以利用，系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)比較容易，易于推廣。

⑹PROFIBUS在冶金、電力、水處理、化工等行業(yè)具有大量的應(yīng)用案例，具有行業(yè)應(yīng)用優(yōu)勢。正是因?yàn)镻ROFIBUS具有上面的優(yōu)勢，因此它將在相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)成為鍛造生產(chǎn)線自動化系統(tǒng)的主要技術(shù)之一。

基于PROFIBUS的精密鍛造生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)

系統(tǒng)概述

本文以某鍛造廠4000t曲軸精密鍛造生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)作為目標(biāo)，該自動化物流生產(chǎn)線從原材料加熱→輥鍛制坯→預(yù)鍛→終鍛→切邊整形采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集中控制，系統(tǒng)由2臺中頻加熱爐，1臺φ1000mm輥鍛機(jī)，1臺龍門式輥鍛手，1臺4000t離合器式高能螺旋壓力機(jī)，1臺2000t切邊整形油壓機(jī)，2臺物流傳送帶，2臺KUKA機(jī)器人組成，全線長30余米。同時(shí)，全線采用了一系列先進(jìn)的鍛造工藝及精密模具，保證了鍛件高性能、高精度、高品質(zhì)的生產(chǎn)，全線平面布置如圖1所示。

自動化精密鍛造生產(chǎn)線特點(diǎn)

精密鍛造生產(chǎn)線通常由完成下料、加熱、制坯、預(yù)鍛、終鍛、切邊、扭拐、校正或精整等多道工步的設(shè)備組成，還包括一些鍛造生產(chǎn)線中的輔助設(shè)備，如鍛造機(jī)器人、移料機(jī)械手和快速換模小車等。

精密鍛造自動化生產(chǎn)線有以下特點(diǎn)：

⑴提高了產(chǎn)品的精度和質(zhì)量。傳統(tǒng)的鍛造生產(chǎn)線絕大部分靠人工完成，常常會由于人的因素造成鍛件料溫不準(zhǔn)確，從而引起鍛件尺寸不合適，降低了鍛件的品質(zhì)，影響了產(chǎn)品的合格率，增加了企業(yè)成本。自動化鍛造線大大降低了人的參與因素，穩(wěn)定了鍛件的品質(zhì)。

⑵提高了生產(chǎn)效率。生產(chǎn)效率就是企業(yè)的生命，提高了生產(chǎn)效率就提高了企業(yè)的市場競爭力，大大增強(qiáng)了企業(yè)的活力。未形成全線自動化生產(chǎn)的企業(yè)每分鐘合格產(chǎn)品件數(shù)僅為20～30件，自動化生產(chǎn)狀態(tài)下將合格產(chǎn)品提高了近一倍，約為50～60件。

⑶改善了作業(yè)環(huán)境。鍛造生產(chǎn)中工作環(huán)境比較惡劣，現(xiàn)場中含有多種污染源，如熱輻射、噪聲污染和粉塵污染等。工人勞動強(qiáng)度很大，致使造成勞動生產(chǎn)率較低。自動鍛造生產(chǎn)線采用鍛造機(jī)器人、機(jī)械手代替了勞動者，大大降低了勞動者的勞動強(qiáng)度，也避免了勞動者直接與污染源接觸，改善了勞動者的作業(yè)環(huán)境。

圖1 4000t曲軸精密鍛造自動化生產(chǎn)線平面布置

⑷確保了勞動者的安全。通過PROFIBUS安全可靠的傳遞信號，避免了人工過多的參加生產(chǎn)活動，擯棄了人為判斷設(shè)備狀態(tài)、安全條件等的不安全現(xiàn)象。從日常的生產(chǎn)活動中，充分降低了安全事故的發(fā)生，體現(xiàn)出以人為本的人文理念。

控制系統(tǒng)

根據(jù)該生產(chǎn)線“全線自動”的技術(shù)要求，擬定4000t曲軸精密鍛造自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，監(jiān)控層采用POWERVIEW工控機(jī)與控制層的德國WAGO公司750-870/000-001控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)以MODBUS/TCP現(xiàn)場總線形式相連來交換數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)對控制層的控制監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、物流生產(chǎn)顯示、故障報(bào)警、報(bào)表打印等多種功能。

控制層的750-870/000-001控制器通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與同是控制層的西門子PLC S7-300、S7-200實(shí)時(shí)通信，并組成主從關(guān)系，控制層主要作為系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理。此外控制層上的兩個(gè)750-870/000-001控制器之間通過工業(yè)以太網(wǎng)MODBUS/TCP總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。設(shè)備層中的伺服控制器、變頻器等執(zhí)行器同樣通過PROFIBUS-DP總線與設(shè)備層中的S7-300、S7-200進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并形成主從關(guān)系。設(shè)備層主要是 對過程信號進(jìn)行監(jiān)控，對設(shè)備生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行自動檢測及自動調(diào)節(jié)，并能在線監(jiān)控工藝參數(shù)，進(jìn)行調(diào)節(jié)狀態(tài)的顯示和報(bào)警顯示，以保證生產(chǎn)處于工藝要求的最佳狀態(tài)。

⑴總線結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)如圖2、3、4所示。

1＃WAGO IPC(750-870)主控制器的從站包括中頻加熱爐、輥鍛機(jī)、輥鍛手、1＃傳送帶和4000t離合器式高能螺旋壓力機(jī)。1#KUKA機(jī)器人的地位比較特殊，它通過DEVICENET總線擴(kuò)展的遠(yuǎn)程I/O與1＃主控制器相通信，與主控制器地位相當(dāng)。

圖2 WAGO IPC整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 1#主控制器配置結(jié)構(gòu)圖

圖4 2#主控制器配置結(jié)構(gòu)

中頻加熱爐從站主要是實(shí)現(xiàn)對圓棒料的加熱溫度、前進(jìn)速度、電流和電壓等參數(shù)的采集和控制。輥鍛機(jī)、輥鍛手、1＃傳送帶由同一個(gè)S7-300負(fù)責(zé)，主要是對輥鍛機(jī)的動作、輥鍛手的速度和位置、力矩、傳送帶的速度和位置等參數(shù)進(jìn)行采集和控制。4000t離合器式高能螺旋壓力機(jī)從站主要是對滑塊的位置、打擊力、打擊能量和頂出高度等參數(shù)的采集和控制。

2＃WAGO IPC(750-870)主控制器的從站包括2＃傳送帶、2000t切邊整形油壓機(jī)，2#KUKA地位如同1＃KUKA。

2＃傳送帶由一個(gè)S7-200負(fù)責(zé)，主要是對傳送帶的速度、位置等參數(shù)進(jìn)行采集和控制。2000t切邊整形油壓機(jī)從站主要是對滑塊的位置、速度和頂出的高度等參數(shù)的采集和控制。

⑵系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)由上至下分別是監(jiān)控層、控制層和設(shè)備層三層。

監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行在WINDOWS-NT環(huán)境下，采用易控(INSPEC)組態(tài)系統(tǒng)。所有數(shù)據(jù)和過程功能全部通過畫面來顯示，監(jiān)控人員可以很容易監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過程以及完成設(shè)定值的設(shè)定。易控(INSPEC)組態(tài)軟件具有與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，可以和其他連接的計(jì)算機(jī)以及PLC進(jìn)行通訊。通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可以與工廠的局域網(wǎng)絡(luò)直接連接傳遞相關(guān)的數(shù)據(jù)，管理者可以輕松的獲得現(xiàn)場第一手資料，使工廠經(jīng)理與職員之間方便地交換生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)信息等，完成傳統(tǒng)意義上的監(jiān)控、計(jì)劃、調(diào)度CAD/CAM等MES (Manufacturing Execution System)功能。本系統(tǒng)已經(jīng)預(yù)留了與LAN的接口。

出于工藝流程和設(shè)備安全性考慮將4000t壓力機(jī)與1＃KUKA機(jī)器人之前的部分設(shè)備和2000t壓力機(jī)與2＃KUKA機(jī)器人之后的設(shè)備劃分為兩個(gè)工藝段，分別在控制層采用兩個(gè)WAGO IPC主控制器來控制，這樣避免了采用單獨(dú)IPC數(shù)據(jù)處理量過大、時(shí)延過長等缺點(diǎn)?？刂茖覫PC與從站PLC的連接均采用PROFIBUS-DP，與機(jī)器人的連接出于工程成本的考慮采用串口通訊與機(jī)器人的擴(kuò)展遠(yuǎn)程I/O相通訊。

設(shè)備層主要是負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程中單機(jī)設(shè)備的控制單元。所有PLC均為從站，從站由西門子S7-300、S7-200來擔(dān)任。PLC主要功能是采集現(xiàn)場操作，檢測元件發(fā)來的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，并根據(jù)要求對信息進(jìn)行記錄處理，一方面將監(jiān)控層和控制層需要的數(shù)據(jù)和信息傳送過去，另一方面接收監(jiān)控層的設(shè)定值和控制層發(fā)出的控制指令完成對所用機(jī)械設(shè)備的傳動控制及過程控制。

⑶總線控制系統(tǒng)設(shè)備信號。

機(jī)器人R1與4000t壓力機(jī)之間采用PROFIBUS DP現(xiàn)場總線連接的信號（圖5）。4000t壓力機(jī)通過總線需要傳遞給機(jī)器人的信號包括上死點(diǎn)、機(jī)器人可以進(jìn)入壓機(jī)、頂料器上位、頂料器下位、工作方式和故障等相關(guān)的狀態(tài)信號。機(jī)器人通過總線傳遞給壓機(jī)的信號包括機(jī)器人工作正常、工作方式、不允許壓機(jī)動作及動作完成回到安全位置的信號。

圖5 R1機(jī)器人和4000t壓力機(jī)采用的現(xiàn)場總線連接信號

圖6 R2機(jī)器人和2000t壓機(jī)采用的現(xiàn)場總線連接信號

生產(chǎn)線配置的機(jī)器人需要在壓力機(jī)給出上死點(diǎn)信號，確認(rèn)壓機(jī)在上死點(diǎn)停止?fàn)顟B(tài)，上下頂出器均發(fā)出頂出完成信號后，才進(jìn)入壓機(jī)模腔進(jìn)行夾取工件操作。在機(jī)器人進(jìn)入壓機(jī)時(shí)，給出一個(gè)信號，不允許壓機(jī)動作，當(dāng)機(jī)器人完成在模腔內(nèi)的夾持操作并退出到安全位置后，再給出一個(gè)安全信號給壓機(jī)，壓機(jī)才可以進(jìn)行打擊動作。

機(jī)器人R2與2000t壓力機(jī)之間采用PROFIBUS DP現(xiàn)場總線連接的信號（圖6）。2000t壓力機(jī)通過總線需要傳遞給機(jī)器人的信號包括上死點(diǎn)、機(jī)器人可以進(jìn)入壓機(jī)、頂料器上位、頂料器下位、工作方式和故障等相關(guān)的狀態(tài)信號。機(jī)器人通過總線傳遞給壓機(jī)的信號包括機(jī)器人工作正常、工作方式、不允許壓機(jī)動作及動作完成回到安全位置的信號。

生產(chǎn)線配置的機(jī)器人需要在壓力機(jī)給出上死點(diǎn)信號，確認(rèn)壓機(jī)在上死點(diǎn)停止?fàn)顟B(tài)，上下頂出器均發(fā)出頂出完成信號后，才進(jìn)入壓機(jī)模腔進(jìn)行夾取工件操作。在機(jī)器人進(jìn)入壓機(jī)時(shí)，給出一個(gè)信號，不允許壓機(jī)動作，當(dāng)機(jī)器人完成在模腔內(nèi)的夾持操作并退出到安全位置后，再將一個(gè)安全信號輸出給壓機(jī)，壓機(jī)才可以進(jìn)行打擊動作。

中頻爐與輥鍛機(jī)輥鍛手之間采用PROFIBUS DP現(xiàn)場總線連接的信號。中頻爐向總線控制系統(tǒng)傳遞棒料溫度、超溫棒料數(shù)量、欠溫棒料數(shù)量、合格棒料數(shù)量等信號；中頻爐通過總線控制系統(tǒng)傳遞給輥鍛機(jī)輥鍛手中頻送料到位信號（來料信號）；輥鍛機(jī)輥鍛手通過總線控制系統(tǒng)傳遞給中頻爐允許中頻送料信號。

輥鍛手行進(jìn)到取料位并張開夾鉗，向中頻爐發(fā)出允許中頻送料信號，中頻爐將合格棒料輸送到位，向輥鍛手發(fā)出中頻送料到位信號。輥鍛手夾鉗夾緊棒料，行進(jìn)到輥鍛工位進(jìn)行輥鍛。

結(jié)束語

本條生產(chǎn)線運(yùn)行兩年多來得到了用戶的滿意認(rèn)可。生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)僅以幾十萬元的低投入，卻提升近2倍的生產(chǎn)效率，企業(yè)得到了豐厚的回報(bào)；同時(shí)，由于自動化程度的提升，避免了以往人為過多參與生產(chǎn)活動的現(xiàn)象，保證了鍛件產(chǎn)品的一致性，確保了生產(chǎn)活動中人的安全?？梢娀赑ROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)的精密鍛造生產(chǎn)線是鍛造自動化未來發(fā)展的必然趨勢。