基于PROFIBUS現場總線技術的鍛造生產線自動控制系統

文/姚宏亮，陳賀靜·北京機電研究所

基于PROFIBUS現場總線技術的鍛造生產線自動控制系統

文/姚宏亮，陳賀靜·北京機電研究所

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，在國民經濟中占有舉足輕重的地位，是裝備制造業(特別是機械、汽車行業)，以及軍工、航空航天工業中不可或缺的主要加工工藝。

鍛造設備發展趨勢是集機械、電子、液壓、氣動及檢測等方面最新技術于一體，自動化程度高、換模快速、工作可靠、噪聲低、防護完善、精度高。鍛造生產自動化應該包括兩個部分，一部分是機器的自動化，主要有壓力、能量、行程、溫度、潤滑、故障監控、安全控制等；第二部分主要是生產線的物流自動化，主要有動作順序、安全互鎖、信號交換、監測報警等。

鍛壓行業生產的自動化已經由原來的模擬控制逐步轉向數字控制，由開環變為閉環，并且越來越多地使用機器人。具有現場總線通信網絡、現場設備互聯、互動操作性、分散功能模塊、開放式互聯網絡的現場總線技術，是鍛造自動化生產線控制技術的主要發展方向。

北京機電研究所在國內首次將PROFIBUS現場總線技術引入到鍛壓自動化生產線的控制系統中，并在南昌精密鍛造自動化生產線中成功得到應用，順應了自動控制領域的發展趨勢。

PROFIBUS現場總線

隨著生產工藝對控制要求的提高，控制系統的實時性能要求越來越高。如嚴密的順序工藝控制，精密的運動控制，系統異常的及時報警和處理等均需要系統性能的保證。尤其在鍛造行業中，設備規模較大在高速、重載的場合下，一旦出現事故，就是嚴重的事故，現場總線的性能顯得格外重要。

PROFIBUS現場總線技術與其他現場總線技術相比，具有它自身獨特的優勢，具體來說表現在以下幾個方面：

⑴PROFIBUS現場總線技術是中國第一個工業通訊領域現場總線技術的國家標準，同時也是國際標準。

⑵PROFIBUS現場總線中的DP部分己經具有非常廣泛的應用基礎，支持廠商多，用戶量大。

⑶PROIBUS配置靈活。根據不同的應用對象，可靈活選取不同規格的總線。如簡單設備一級的高速數據傳送，可選用PROFIBUS-DP單主站系統；稍微復雜一些的高速數據傳送，可選用PROFIBUS-DP多主站系統；比較復雜一些的系統可將PROFIBUS與PROFIBUS-FMS混合選用，兩套系統可方便地在同一電纜上同時操作，而無需附加任何轉換裝置。可以滿足多個領域的自動化需求，并提供從工廠級到現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絡在工程控制領域首先需要考慮的問題，否則即使網絡功能設計得再完善，也無法在工業現場使用。目前各種現場總線技術中考慮本征安全特性的只有PROFIBUS與FF，而FF的部分協議和成套硬件支撐尚未完善，可以說目前過程自動化中現場總線技術的成熟解決方案是PROFIBUS-PA，它只需一條雙絞線就可能傳送信息又向現場設備供電，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，設備在操作過程中進行的維修、接通或斷開，即使在潛在的爆炸區也不會影響到其他點。使用分段式耦合器，PROFIBUS-PA可以很方便的集成到PROFIBUS-DP網絡上。

⑸PROFIBUS的協議體系相對簡單，同時經過多年的發展，現在已經具有成熟的開發及驗證工具可以利用，系統的開發實現比較容易，易于推廣。

⑹PROFIBUS在冶金、電力、水處理、化工等行業具有大量的應用案例，具有行業應用優勢。正是因為PROFIBUS具有上面的優勢，因此它將在相當一段時期內成為鍛造生產線自動化系統的主要技術之一。

基于PROFIBUS的精密鍛造生產線自動控制系統

系統概述

本文以某鍛造廠4000t曲軸精密鍛造生產線自動化控制系統作為目標，該自動化物流生產線從原材料加熱→輥鍛制坯→預鍛→終鍛→切邊整形采用計算機網絡技術集中控制，系統由2臺中頻加熱爐，1臺φ1000mm輥鍛機，1臺龍門式輥鍛手，1臺4000t離合器式高能螺旋壓力機，1臺2000t切邊整形油壓機，2臺物流傳送帶，2臺KUKA機器人組成，全線長30余米。同時，全線采用了一系列先進的鍛造工藝及精密模具，保證了鍛件高性能、高精度、高品質的生產，全線平面布置如圖1所示。

自動化精密鍛造生產線特點

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

精密鍛造自動化生產線有以下特點：

⑴提高了產品的精度和質量。傳統的鍛造生產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確，從而引起鍛件尺寸不合適，降低了鍛件的品質，影響了產品的合格率，增加了企業成本。自動化鍛造線大大降低了人的參與因素，穩定了鍛件的品質。

⑵提高了生產效率。生產效率就是企業的生命，提高了生產效率就提高了企業的市場競爭力，大大增強了企業的活力。未形成全線自動化生產的企業每分鐘合格產品件數僅為20～30件，自動化生產狀態下將合格產品提高了近一倍，約為50～60件。

⑶改善了作業環境。鍛造生產中工作環境比較惡劣，現場中含有多種污染源，如熱輻射、噪聲污染和粉塵污染等。工人勞動強度很大，致使造成勞動生產率較低。自動鍛造生產線采用鍛造機器人、機械手代替了勞動者，大大降低了勞動者的勞動強度，也避免了勞動者直接與污染源接觸，改善了勞動者的作業環境。

圖1 4000t曲軸精密鍛造自動化生產線平面布置

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活動，擯棄了人為判斷設備狀態、安全條件等的不安全現象。從日常的生產活動中，充分降低了安全事故的發生，體現出以人為本的人文理念。

控制系統

根據該生產線“全線自動”的技術要求，擬定4000t曲軸精密鍛造自動化生產線控制系統，監控層采用POWERVIEW工控機與控制層的德國WAGO公司750-870/000-001控制器通過工業以太網交換機以MODBUS/TCP現場總線形式相連來交換數據、實時通訊，實現對控制層的控制監視、數據采集、物流生產顯示、故障報警、報表打印等多種功能。

控制層的750-870/000-001控制器通過PROFIBUS-DP現場總線與同是控制層的西門子PLC S7-300、S7-200實時通信，并組成主從關系，控制層主要作為系統的現場數據處理。此外控制層上的兩個750-870/000-001控制器之間通過工業以太網MODBUS/TCP總線進行數據交換。設備層中的伺服控制器、變頻器等執行器同樣通過PROFIBUS-DP總線與設備層中的S7-300、S7-200進行實時通信，并形成主從關系。設備層主要是 對過程信號進行監控，對設備生產過程中的工藝參數進行自動檢測及自動調節，并能在線監控工藝參數，進行調節狀態的顯示和報警顯示，以保證生產處于工藝要求的最佳狀態。

⑴總線結構。控制系統的總線結構如圖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、輥鍛手、1＃傳送帶和4000t離合器式高能螺旋壓力機。1#KUKA機器人的地位比較特殊，它通過DEVICENET總線擴展的遠程I/O與1＃主控制器相通信，與主控制器地位相當。

圖2 WAGO IPC整體結構示意圖

圖3 1#主控制器配置結構圖

圖4 2#主控制器配置結構

中頻加熱爐從站主要是實現對圓棒料的加熱溫度、前進速度、電流和電壓等參數的采集和控制。輥鍛機、輥鍛手、1＃傳送帶由同一個S7-300負責，主要是對輥鍛機的動作、輥鍛手的速度和位置、力矩、傳送帶的速度和位置等參數進行采集和控制。4000t離合器式高能螺旋壓力機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，2#KUKA地位如同1＃KUKA。

2＃傳送帶由一個S7-200負責，主要是對傳送帶的速度、位置等參數進行采集和控制。2000t切邊整形油壓機從站主要是對滑塊的位置、速度和頂出的高度等參數的采集和控制。

⑵系統組成。控制系統由上至下分別是監控層、控制層和設備層三層。

監控系統運行在WINDOWS-NT環境下，采用易控(INSPEC)組態系統。所有數據和過程功能全部通過畫面來顯示，監控人員可以很容易監控整個生產過程以及完成設定值的設定。易控(INSPEC)組態軟件具有與外部系統進行數據交換的接口，可以和其他連接的計算機以及PLC進行通訊。通過工業以太網交換機可以與工廠的局域網絡直接連接傳遞相關的數據，管理者可以輕松的獲得現場第一手資料，使工廠經理與職員之間方便地交換生產管理數據信息等，完成傳統意義上的監控、計劃、調度CAD/CAM等MES (Manufacturing Execution System)功能。本系統已經預留了與LAN的接口。

出于工藝流程和設備安全性考慮將4000t壓力機與1＃KUKA機器人之前的部分設備和2000t壓力機與2＃KUKA機器人之后的設備劃分為兩個工藝段，分別在控制層采用兩個WAGO IPC主控制器來控制，這樣避免了采用單獨IPC數據處理量過大、時延過長等缺點。控制層IPC與從站PLC的連接均采用PROFIBUS-DP，與機器人的連接出于工程成本的考慮采用串口通訊與機器人的擴展遠程I/O相通訊。

設備層主要是負責生產過程中單機設備的控制單元。所有PLC均為從站，從站由西門子S7-300、S7-200來擔任。PLC主要功能是采集現場操作，檢測元件發來的設備運行狀態信息，并根據要求對信息進行記錄處理，一方面將監控層和控制層需要的數據和信息傳送過去，另一方面接收監控層的設定值和控制層發出的控制指令完成對所用機械設備的傳動控制及過程控制。

⑶總線控制系統設備信號。

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

圖5 R1機器人和4000t壓力機采用的現場總線連接信號

圖6 R2機器人和2000t壓機采用的現場總線連接信號

生產線配置的機器人需要在壓力機給出上死點信號，確認壓機在上死點停止狀態，上下頂出器均發出頂出完成信號后，才進入壓機模腔進行夾取工件操作。在機器人進入壓機時，給出一個信號，不允許壓機動作，當機器人完成在模腔內的夾持操作并退出到安全位置后，再給出一個安全信號給壓機，壓機才可以進行打擊動作。

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

生產線配置的機器人需要在壓力機給出上死點信號，確認壓機在上死點停止狀態，上下頂出器均發出頂出完成信號后，才進入壓機模腔進行夾取工件操作。在機器人進入壓機時，給出一個信號，不允許壓機動作，當機器人完成在模腔內的夾持操作并退出到安全位置后，再將一個安全信號輸出給壓機，壓機才可以進行打擊動作。

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

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

結束語

本條生產線運行兩年多來得到了用戶的滿意認可。生產線自動化控制系統僅以幾十萬元的低投入，卻提升近2倍的生產效率，企業得到了豐厚的回報；同時，由于自動化程度的提升，避免了以往人為過多參與生產活動的現象，保證了鍛件產品的一致性，確保了生產活動中人的安全。可見基于PROFIBUS現場總線技術的精密鍛造生產線是鍛造自動化未來發展的必然趨勢。