基于PROFIBUS现场总线技术的锻造生产线自动控制系统

文/姚宏亮，陈贺静·北京机电研究所

基于PROFIBUS现场总线技术的锻造生产线自动控制系统

文/姚宏亮，陈贺静·北京机电研究所

研究背景和问题的提出

“锻造”作为一种金属加工的主要方法和手段，在国民经济中占有举足轻重的地位，是装备制造业(特别是机械、汽车行业)，以及军工、航空航天工业中不可或缺的主要加工工艺。

锻造设备发展趋势是集机械、电子、液压、气动及检测等方面最新技术于一体，自动化程度高、换模快速、工作可靠、噪声低、防护完善、精度高。锻造生产自动化应该包括两个部分，一部分是机器的自动化，主要有压力、能量、行程、温度、润滑、故障监控、安全控制等；第二部分主要是生产线的物流自动化，主要有动作顺序、安全互锁、信号交换、监测报警等。

锻压行业生产的自动化已经由原来的模拟控制逐步转向数字控制，由开环变为闭环，并且越来越多地使用机器人。具有现场总线通信网络、现场设备互联、互动操作性、分散功能模块、开放式互联网络的现场总线技术，是锻造自动化生产线控制技术的主要发展方向。

北京机电研究所在国内首次将PROFIBUS现场总线技术引入到锻压自动化生产线的控制系统中，并在南昌精密锻造自动化生产线中成功得到应用，顺应了自动控制领域的发展趋势。

PROFIBUS现场总线

随着生产工艺对控制要求的提高，控制系统的实时性能要求越来越高。如严密的顺序工艺控制，精密的运动控制，系统异常的及时报警和处理等均需要系统性能的保证。尤其在锻造行业中，设备规模较大在高速、重载的场合下，一旦出现事故，就是严重的事故，现场总线的性能显得格外重要。

PROFIBUS现场总线技术与其他现场总线技术相比，具有它自身独特的优势，具体来说表现在以下几个方面：

⑴PROFIBUS现场总线技术是中国第一个工业通讯领域现场总线技术的国家标准，同时也是国际标准。

⑵PROFIBUS现场总线中的DP部分己经具有非常广泛的应用基础，支持厂商多，用户量大。

⑶PROIBUS配置灵活。根据不同的应用对象，可灵活选取不同规格的总线。如简单设备一级的高速数据传送，可选用PROFIBUS-DP单主站系统；稍微复杂一些的高速数据传送，可选用PROFIBUS-DP多主站系统；比较复杂一些的系统可将PROFIBUS与PROFIBUS-FMS混合选用，两套系统可方便地在同一电缆上同时操作，而无需附加任何转换装置。可以满足多个领域的自动化需求，并提供从工厂级到现场级的全方位解决方案。

⑷本征安全。本征安全性一直是工控网络在工程控制领域首先需要考虑的问题，否则即使网络功能设计得再完善，也无法在工业现场使用。目前各种现场总线技术中考虑本征安全特性的只有PROFIBUS与FF，而FF的部分协议和成套硬件支撑尚未完善，可以说目前过程自动化中现场总线技术的成熟解决方案是PROFIBUS-PA，它只需一条双绞线就可能传送信息又向现场设备供电，由于总线的操作电源来自于单一供电装置，它就不再需要绝缘装置和隔离装置，设备在操作过程中进行的维修、接通或断开，即使在潜在的爆炸区也不会影响到其他点。使用分段式耦合器，PROFIBUS-PA可以很方便的集成到PROFIBUS-DP网络上。

⑸PROFIBUS的协议体系相对简单，同时经过多年的发展，现在已经具有成熟的开发及验证工具可以利用，系统的开发实现比较容易，易于推广。

⑹PROFIBUS在冶金、电力、水处理、化工等行业具有大量的应用案例，具有行业应用优势。正是因为PROFIBUS具有上面的优势，因此它将在相当一段时期内成为锻造生产线自动化系统的主要技术之一。

基于PROFIBUS的精密锻造生产线自动控制系统

系统概述

本文以某锻造厂4000t曲轴精密锻造生产线自动化控制系统作为目标，该自动化物流生产线从原材料加热→辊锻制坯→预锻→终锻→切边整形采用计算机网络技术集中控制，系统由2台中频加热炉，1台φ1000mm辊锻机，1台龙门式辊锻手，1台4000t离合器式高能螺旋压力机，1台2000t切边整形油压机，2台物流传送带，2台KUKA机器人组成，全线长30余米。同时，全线采用了一系列先进的锻造工艺及精密模具，保证了锻件高性能、高精度、高品质的生产，全线平面布置如图1所示。

自动化精密锻造生产线特点

精密锻造生产线通常由完成下料、加热、制坯、预锻、终锻、切边、扭拐、校正或精整等多道工步的设备组成，还包括一些锻造生产线中的辅助设备，如锻造机器人、移料机械手和快速换模小车等。

精密锻造自动化生产线有以下特点：

⑴提高了产品的精度和质量。传统的锻造生产线绝大部分靠人工完成，常常会由于人的因素造成锻件料温不准确，从而引起锻件尺寸不合适，降低了锻件的品质，影响了产品的合格率，增加了企业成本。自动化锻造线大大降低了人的参与因素，稳定了锻件的品质。

⑵提高了生产效率。生产效率就是企业的生命，提高了生产效率就提高了企业的市场竞争力，大大增强了企业的活力。未形成全线自动化生产的企业每分钟合格产品件数仅为20～30件，自动化生产状态下将合格产品提高了近一倍，约为50～60件。

⑶改善了作业环境。锻造生产中工作环境比较恶劣，现场中含有多种污染源，如热辐射、噪声污染和粉尘污染等。工人劳动强度很大，致使造成劳动生产率较低。自动锻造生产线采用锻造机器人、机械手代替了劳动者，大大降低了劳动者的劳动强度，也避免了劳动者直接与污染源接触，改善了劳动者的作业环境。

图1 4000t曲轴精密锻造自动化生产线平面布置

⑷确保了劳动者的安全。通过PROFIBUS安全可靠的传递信号，避免了人工过多的参加生产活动，摈弃了人为判断设备状态、安全条件等的不安全现象。从日常的生产活动中，充分降低了安全事故的发生，体现出以人为本的人文理念。

控制系统

根据该生产线“全线自动”的技术要求，拟定4000t曲轴精密锻造自动化生产线控制系统，监控层采用POWERVIEW工控机与控制层的德国WAGO公司750-870/000-001控制器通过工业以太网交换机以MODBUS/TCP现场总线形式相连来交换数据、实时通讯，实现对控制层的控制监视、数据采集、物流生产显示、故障报警、报表打印等多种功能。

控制层的750-870/000-001控制器通过PROFIBUS-DP现场总线与同是控制层的西门子PLC S7-300、S7-200实时通信，并组成主从关系，控制层主要作为系统的现场数据处理。此外控制层上的两个750-870/000-001控制器之间通过工业以太网MODBUS/TCP总线进行数据交换。设备层中的伺服控制器、变频器等执行器同样通过PROFIBUS-DP总线与设备层中的S7-300、S7-200进行实时通信，并形成主从关系。设备层主要是 对过程信号进行监控，对设备生产过程中的工艺参数进行自动检测及自动调节，并能在线监控工艺参数，进行调节状态的显示和报警显示，以保证生产处于工艺要求的最佳状态。

⑴总线结构。控制系统的总线结构如图2、3、4所示。

1＃WAGO IPC(750-870)主控制器的从站包括中频加热炉、辊锻机、辊锻手、1＃传送带和4000t离合器式高能螺旋压力机。1#KUKA机器人的地位比较特殊，它通过DEVICENET总线扩展的远程I/O与1＃主控制器相通信，与主控制器地位相当。

图2 WAGO IPC整体结构示意图

图3 1#主控制器配置结构图

图4 2#主控制器配置结构

中频加热炉从站主要是实现对圆棒料的加热温度、前进速度、电流和电压等参数的采集和控制。辊锻机、辊锻手、1＃传送带由同一个S7-300负责，主要是对辊锻机的动作、辊锻手的速度和位置、力矩、传送带的速度和位置等参数进行采集和控制。4000t离合器式高能螺旋压力机从站主要是对滑块的位置、打击力、打击能量和顶出高度等参数的采集和控制。

2＃WAGO IPC(750-870)主控制器的从站包括2＃传送带、2000t切边整形油压机，2#KUKA地位如同1＃KUKA。

2＃传送带由一个S7-200负责，主要是对传送带的速度、位置等参数进行采集和控制。2000t切边整形油压机从站主要是对滑块的位置、速度和顶出的高度等参数的采集和控制。

⑵系统组成。控制系统由上至下分别是监控层、控制层和设备层三层。

监控系统运行在WINDOWS-NT环境下，采用易控(INSPEC)组态系统。所有数据和过程功能全部通过画面来显示，监控人员可以很容易监控整个生产过程以及完成设定值的设定。易控(INSPEC)组态软件具有与外部系统进行数据交换的接口，可以和其他连接的计算机以及PLC进行通讯。通过工业以太网交换机可以与工厂的局域网络直接连接传递相关的数据，管理者可以轻松的获得现场第一手资料，使工厂经理与职员之间方便地交换生产管理数据信息等，完成传统意义上的监控、计划、调度CAD/CAM等MES (Manufacturing Execution System)功能。本系统已经预留了与LAN的接口。

出于工艺流程和设备安全性考虑将4000t压力机与1＃KUKA机器人之前的部分设备和2000t压力机与2＃KUKA机器人之后的设备划分为两个工艺段，分别在控制层采用两个WAGO IPC主控制器来控制，这样避免了采用单独IPC数据处理量过大、时延过长等缺点。控制层IPC与从站PLC的连接均采用PROFIBUS-DP，与机器人的连接出于工程成本的考虑采用串口通讯与机器人的扩展远程I/O相通讯。

设备层主要是负责生产过程中单机设备的控制单元。所有PLC均为从站，从站由西门子S7-300、S7-200来担任。PLC主要功能是采集现场操作，检测元件发来的设备运行状态信息，并根据要求对信息进行记录处理，一方面将监控层和控制层需要的数据和信息传送过去，另一方面接收监控层的设定值和控制层发出的控制指令完成对所用机械设备的传动控制及过程控制。

⑶总线控制系统设备信号。

机器人R1与4000t压力机之间采用PROFIBUS DP现场总线连接的信号（图5）。4000t压力机通过总线需要传递给机器人的信号包括上死点、机器人可以进入压机、顶料器上位、顶料器下位、工作方式和故障等相关的状态信号。机器人通过总线传递给压机的信号包括机器人工作正常、工作方式、不允许压机动作及动作完成回到安全位置的信号。

图5 R1机器人和4000t压力机采用的现场总线连接信号

图6 R2机器人和2000t压机采用的现场总线连接信号

生产线配置的机器人需要在压力机给出上死点信号，确认压机在上死点停止状态，上下顶出器均发出顶出完成信号后，才进入压机模腔进行夹取工件操作。在机器人进入压机时，给出一个信号，不允许压机动作，当机器人完成在模腔内的夹持操作并退出到安全位置后，再给出一个安全信号给压机，压机才可以进行打击动作。

机器人R2与2000t压力机之间采用PROFIBUS DP现场总线连接的信号（图6）。2000t压力机通过总线需要传递给机器人的信号包括上死点、机器人可以进入压机、顶料器上位、顶料器下位、工作方式和故障等相关的状态信号。机器人通过总线传递给压机的信号包括机器人工作正常、工作方式、不允许压机动作及动作完成回到安全位置的信号。

生产线配置的机器人需要在压力机给出上死点信号，确认压机在上死点停止状态，上下顶出器均发出顶出完成信号后，才进入压机模腔进行夹取工件操作。在机器人进入压机时，给出一个信号，不允许压机动作，当机器人完成在模腔内的夹持操作并退出到安全位置后，再将一个安全信号输出给压机，压机才可以进行打击动作。

中频炉与辊锻机辊锻手之间采用PROFIBUS DP现场总线连接的信号。中频炉向总线控制系统传递棒料温度、超温棒料数量、欠温棒料数量、合格棒料数量等信号；中频炉通过总线控制系统传递给辊锻机辊锻手中频送料到位信号（来料信号）；辊锻机辊锻手通过总线控制系统传递给中频炉允许中频送料信号。

辊锻手行进到取料位并张开夹钳，向中频炉发出允许中频送料信号，中频炉将合格棒料输送到位，向辊锻手发出中频送料到位信号。辊锻手夹钳夹紧棒料，行进到辊锻工位进行辊锻。

结束语

本条生产线运行两年多来得到了用户的满意认可。生产线自动化控制系统仅以几十万元的低投入，却提升近2倍的生产效率，企业得到了丰厚的回报；同时，由于自动化程度的提升，避免了以往人为过多参与生产活动的现象，保证了锻件产品的一致性，确保了生产活动中人的安全。可见基于PROFIBUS现场总线技术的精密锻造生产线是锻造自动化未来发展的必然趋势。