鑄造機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚勁夫

（廣東天洋電機(jī)有限公司，佛山 528231）

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，鑄造機(jī)械設(shè)備作為重要的生產(chǎn)工具已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在汽車制造領(lǐng)域，鑄造機(jī)械設(shè)備常用于制造汽車零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、車輪等。在航空航天領(lǐng)域，鑄造機(jī)械設(shè)備用于生產(chǎn)飛機(jī)引擎的各種部件。在船舶建造領(lǐng)域，鑄造機(jī)械設(shè)備用于制造船舶的船體、螺旋槳等部件。在機(jī)械制造領(lǐng)域，鑄造機(jī)械設(shè)備用于生產(chǎn)各種機(jī)械設(shè)備的零部件。在建筑業(yè)中，鑄造機(jī)械設(shè)備用于生產(chǎn)建筑結(jié)構(gòu)件，如樓梯、護(hù)欄等。

隨著科技的不斷進(jìn)步和市場需求的不斷增長，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展需求[1]。因此，研究鑄造機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制技術(shù)顯得尤為重要。鑄造機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制技術(shù)，是將信息技術(shù)和控制技術(shù)應(yīng)用于鑄造機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化、智能化和高效化。應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)，可以提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)企業(yè)在市場競爭中的優(yōu)勢[2-3]。

1 鑄造機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

鑄造機(jī)械設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)框架主要由現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控層、傳輸層、客戶應(yīng)用層構(gòu)成。現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控層以鑄造機(jī)械生產(chǎn)過程控分站為核心，布置在鑄造機(jī)械生產(chǎn)線開關(guān)列車處，通過監(jiān)控設(shè)備供電開關(guān)建立通信，監(jiān)測鑄造機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，內(nèi)容包括電流、電壓、起停狀態(tài)以及故障狀態(tài)等。傳輸層將運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控分站，建立監(jiān)控分站與各設(shè)備間的通信，并將數(shù)據(jù)上傳至環(huán)網(wǎng)?？蛻魬?yīng)用層將運(yùn)行數(shù)據(jù)采集到地面后，經(jīng)過上位機(jī)處理，將數(shù)據(jù)與算法結(jié)合，通過預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行異常設(shè)備的預(yù)警，提高設(shè)備檢修效率，降低故障率[4]。

1.2 自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸通道

鑄造機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)線選用星型網(wǎng)絡(luò)接線，而主干網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形布置，與星型網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，更加穩(wěn)定可靠。目前，現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)和光纖通信是主流的工業(yè)通信方式。其中，現(xiàn)場總線通信在工業(yè)現(xiàn)場中較為普及，且穩(wěn)定性較好，典型的通信方式包括PROFIBUS、控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)（Controller Area Network bus，CANbus）和RS-485 通信。文章采用RS-485 通信建立監(jiān)控分站與供電開關(guān)的通信。RS-485 是一種用于工業(yè)控制系統(tǒng)和其他數(shù)字通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，也是一種串行通信協(xié)議，可以在長距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)。RS-485 通信的優(yōu)點(diǎn)在于長距離傳輸、多節(jié)點(diǎn)通信、高速數(shù)據(jù)傳輸和強(qiáng)抗干擾能力等。采用光纖作為監(jiān)控分站與上位機(jī)的通信方式。

1.3 鑄造機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控分站設(shè)計(jì)

1.3.1 CPU 模塊設(shè)計(jì)

目前，應(yīng)用于工控領(lǐng)域的控制核心種類繁多，如可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和單片機(jī)。PLC 是一種專門用于工業(yè)控制的微型計(jì)算機(jī)，具有高穩(wěn)定性、高可靠性和高效率的特點(diǎn)。PLC 在工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集等功能[5]。而單片機(jī)是一種包含中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、存儲器、輸入/輸出端口和其他組件的集成電路芯片，通常應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，控制各種電子設(shè)備和產(chǎn)品的功能。

綜上所述，鑒于CPU 模塊工作環(huán)境惡劣、空間狹窄，從穩(wěn)定性和可靠性的角度來考慮，監(jiān)控分站的CPU 選用PLC 作為控制核心。目前，應(yīng)用較為廣泛的PLC 品牌有西門子、三菱、歐姆龍和ABB 等。其中，與其他品牌的PLC 相比，西門子的PLC 具有更高的可靠性和可維護(hù)性，因此文章遵循實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的原則，選擇西門子S7-1200 系列PLC 作為監(jiān)控分站的控制核心。

1.3.2 通信模塊的選擇

分析發(fā)現(xiàn)，RS-485 通信協(xié)議是所有供電開關(guān)共同采用的通信協(xié)議，但各設(shè)備的通信參數(shù)設(shè)置不盡相同，因此在建立通信時(shí)應(yīng)正確設(shè)置通信參數(shù)。與西門子S7-1200 PLC 相配套的通信模塊為CM1241 通信模塊，該模塊遵循Modbus RTU 通信協(xié)議，主要用于執(zhí)行強(qiáng)大的點(diǎn)到點(diǎn)高速串行通信，也可以裝載其他通信協(xié)議。

1.3.3 電源模塊的選擇

監(jiān)控分站需要有可靠設(shè)備為PLC 提供工作電源。西門子的PM1207 電源模塊是專為西門子PLCS7-1200 PLC 設(shè)計(jì)的供電電源，輸入為85～132 V 或176～264 V 交流電，同時(shí)兼容50 Hz 或60 Hz 的頻率，輸出為24 V 直流電。

1.4 供電開關(guān)及傳感器

供電開關(guān)選擇安全型多回路真空電磁啟動(dòng)器，即組合開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)、絕緣閉鎖保護(hù)、欠電壓過電壓保護(hù)等功能[6]。它能夠解決三相異步電機(jī)在重載情況下的軟啟停問題，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，從而達(dá)到節(jié)能和減少機(jī)器磨損的目的。

組合開關(guān)內(nèi)部包括變壓器模塊、隔離開關(guān)模塊、互感器模塊以及PLC 模塊，如圖1 所示。其中：變壓器模塊主要負(fù)責(zé)將外部電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻M合開關(guān)內(nèi)部各模塊的額定工作電壓；隔離開關(guān)模塊負(fù)責(zé)隔離高電壓，保證內(nèi)部安全；PLC 模塊負(fù)責(zé)控制組合開關(guān)運(yùn)行，能夠采集各回路的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸出去。

圖1 組合開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PLC 控制模塊是由模擬/數(shù)字（Analog/Digital，A/D）轉(zhuǎn)換模塊、輸入/輸出（Input/Output，I/O）模塊、CPU 模塊、電源模塊以及通信模塊構(gòu)成的PLC系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控各路驅(qū)動(dòng)單元的參數(shù)。采用XGB 系列的標(biāo)準(zhǔn)型PLC 作為組合開關(guān)的PLC 控制模塊。該型號PLC 最主要的特點(diǎn)是通信功能得到加強(qiáng)，可以為用戶提供完善的自定義整合控制，滿足供電開關(guān)的使用需求，且性價(jià)比高。I/O 模塊主要用于采集啟動(dòng)器各回路的電流、電壓等參數(shù)，起到實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用，通過電壓、電流互感器將大電流、大電壓按一定比例轉(zhuǎn)換為小電壓、小電流并采集到PLC。應(yīng)用在此組合開關(guān)的電壓互感器的變比是220 ∶12，電流互感器的變比是400 ∶0.1。

2 鑄造機(jī)械設(shè)備監(jiān)控分站程序設(shè)計(jì)

確定監(jiān)控分站各模塊選型后，對監(jiān)控分站程序部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，使用西門子博途軟件對硬件進(jìn)行組態(tài)，并編寫梯形圖實(shí)現(xiàn)對變頻器、組合開關(guān)和控制系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。

2.1 Modbus 通信

Modbus 通信技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的通信協(xié)議，用于不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。Modbus協(xié)議包含3 個(gè)版本，即Modbus-RTU、Modbus-ASCII和Modbus-TCP/IP。Modbus-RTU 使用二進(jìn)制編碼，Modbus-ASCII 使用ASCII 字符編碼，而Modbus-TCP/IP則常用于以太網(wǎng)通信。目前，在工業(yè)通信中最常用的是Modbus-RTU。

Modbus 通信協(xié)議通常使用RS-485 作為物理層接口。RS-485 是一種串行通信協(xié)議，遵循的標(biāo)準(zhǔn)是Modbus-RTU 協(xié)議，支持多點(diǎn)通信，可以將多個(gè)設(shè)備連接在同一總線上進(jìn)行通信。通過使用RS-485 作為物理層接口，Modbus 通信可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和可靠性的提高。在RS-485 總線上，每個(gè)設(shè)備通過一個(gè)獨(dú)立的串行通信口連接到總線上，并通過一個(gè)終端電阻器消除總線的反射。RS-485 總線支持最多128 個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過獨(dú)立的地址進(jìn)行識別和通信，可以連接多個(gè)設(shè)備，形成復(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

在Modbus 通信協(xié)議中，數(shù)據(jù)校驗(yàn)通常采用循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check，CRC）算法。CRC 校驗(yàn)算法是一種廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的校驗(yàn)方法，能夠有效檢測多種錯(cuò)誤。因此，在Modbus 通信中使用CRC 校驗(yàn)，能夠有效保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

2.2 整體程序框架設(shè)計(jì)

圖2 為設(shè)計(jì)的程序框架，主程序是框架的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊間的流程控制，通信程序負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和通信，統(tǒng)計(jì)程序則負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)采集到的數(shù)據(jù)，以供后續(xù)使用。

圖2 程序框架

2.3 通信程序設(shè)計(jì)

通信程序是設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，使用Modbus通信協(xié)議進(jìn)行通信，并利用博圖軟件提供的通信程序塊編寫通信程序，主要流程包括串口初始化、檢測通信是否正常以及數(shù)據(jù)處理。在設(shè)計(jì)通信程序采集數(shù)據(jù)時(shí)，需要對每個(gè)設(shè)備的地址單獨(dú)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這一步驟可以借助MB_COMM_LOAD 程序塊實(shí)現(xiàn)，EV 為使能端，REQ 為上升沿觸發(fā)，PORT 為硬件標(biāo)識符端，BAUD 為波特率端，PARITY 為奇偶校驗(yàn)端，MB_DB為被通信數(shù)據(jù)地址端。借助MB_MASTER 程序塊可以對通信設(shè)備進(jìn)行讀寫操作，當(dāng)MODE 端為0 時(shí)表示程序塊為讀模式，當(dāng)MODE 端為1 時(shí)表示程序塊為寫模式，DATA_ADDR 表示從站中的起始地址，DATA_LEN、DATA_PTR 分別表示數(shù)據(jù)長度和存儲地址。

3 結(jié)語

研究鑄造機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制技術(shù)，為相關(guān)企業(yè)提供改進(jìn)生產(chǎn)方式的思路和方法，有助于提高企業(yè)的競爭力和市場占有率。希望本研究可以對鑄造機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制的發(fā)展起到一定推動(dòng)作用。