陳殿領(lǐng)

(唐山齒輪集團有限公司技術(shù)中心，河北唐山063020)

1 原有設(shè)備改造前的狀態(tài)

精鍛機以其獨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。不論是鍛造材質(zhì)內(nèi)外部質(zhì)量、成材率、尺寸精度、自動化程度、經(jīng)濟性和對環(huán)境保護及對操縱者衛(wèi)生安全等各個方面均有明顯提高，是替代汽錘、快鍛機等開坯和鍛造粗加工成形機械的更新?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)的型號為SX-45臥式四錘頭精鍛機，設(shè)備的機械部分還能正常使用，但是電氣系統(tǒng)已經(jīng)嚴重老化，故障率高，關(guān)鍵控制元件沒有備件來源，致使該設(shè)備的電氣故障停機時間非常長。

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)，同時還要兼顧原來設(shè)備大部分驅(qū)動元件是采用液壓伺服控制的這個前提。

2 技術(shù)方案實施的指導(dǎo)思想

(1)數(shù)控系統(tǒng)模塊化設(shè)計有:界面顯示控制模塊、控制臺控制及智能故障檢測模塊、數(shù)控驅(qū)動模塊、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，分布式PLC模塊與CPU之間及CPU與工控機之間的信號傳遞全部采用PROFIBUS現(xiàn)場總線，提高設(shè)備的穩(wěn)定性，同時減少設(shè)備的信號線數(shù)量，從而減少設(shè)備的故障點。(3)控制軟件智能化設(shè)計，人性化、智能化的控制軟件，使操作變得非常簡單。(4)硬件平臺先進性設(shè)計，采用西門子SIMOTION C這個新的硬件平臺，為之后的設(shè)備功能擴展和設(shè)備硬件長時間使用提供條件。(5)故障判斷直觀化設(shè)計，采用圖形化顯示界面。(6)故障修復(fù)智能化設(shè)計，設(shè)備軟件能準確地指示出設(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，同時使設(shè)備備件的更換盡可能簡單。

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

SIMOTION C是一款高性能的運動控制器，可以充分用于數(shù)控系統(tǒng)的NC控制、伺服軸運動控制和邏輯控制。SIMOTION C的使用在該方案中主要存在以下幾點突出的優(yōu)勢:(1)通訊優(yōu)勢，采用西門子工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS(圖1)與各個部件之間進行通訊，通訊速度快、傳輸容量大、反應(yīng)快和抗干擾能力強，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，使得實時監(jiān)控時間縮短，提高了設(shè)備的可靠程度。(2)控制優(yōu)勢，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的報文結(jié)構(gòu)，通過了RPOFIDRIVE行規(guī)的V3認證，用于直接連接驅(qū)動系統(tǒng)，組成分布式的運動控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的接線非常簡單;從而使得軸的運動控制與PLC的邏輯動作控制之間實現(xiàn)了真正的無間隙連接，軸運動和機床的邏輯動作之間采用控制變量共享的信息傳遞方式，實現(xiàn)了真正的實時控制，使設(shè)備的效率有了極大的提高;另一方面，軸運動控制條件和結(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/輸出點和模擬量控制點及其相對應(yīng)的外部接線，使機床的電器控制系統(tǒng)變得更加簡潔可靠。(3)算法優(yōu)勢，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的模塊遠程控制，根據(jù)被控制對象的空間分布特點來近距離布置PLC的輸入/輸出點，最大限度地縮短由PLC輸入/輸出點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)場總線、西門子專門的液壓軸控制模塊、西門子工業(yè)控制計算機、西門子ET200擴展遠程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)實現(xiàn)設(shè)備遠程監(jiān)控和遠程診斷功能。電氣系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。

3.3 各個電氣模塊的改造

(1)液壓軸驅(qū)動模塊

SIMOTION C內(nèi)集成了液壓軸驅(qū)動模塊，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，也是各輔助動作的邏輯控制核心。我們首先對這部分進行了改造，改造的主要內(nèi)容包括:液壓軸控制，夾頭A、B的進給軸速度和位置控制，左、右錘頭的進給軸速度和位置控制;振動制動器的控制，實現(xiàn)175 Hz的頻率控制，提供伺服閥的優(yōu)化控制功能;邏輯動作的控制，實現(xiàn)對各部位狀態(tài)信號的輸入接收、輸出控制以及對各輔助功能繼電器、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運動控制器實現(xiàn)液壓軸全閉環(huán)插補控制的A、B夾頭進給軸的改造效果: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到理想。③改造前后的定位運動效果比較:改造前，軸在低速時有振動，在高速時超調(diào)的現(xiàn)象嚴重，定位精度為5 mm/1 000 mm;改造后，運動平穩(wěn)、滑順、無振動，定位精度可以達到0.10 mm/1 000 mm。

(2)PLC的模塊控制

采用了非常適合現(xiàn)場應(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潔、可靠的控制單元，實現(xiàn)了模塊化、高性能、高可靠性、柔性強、維護簡單的組件結(jié)構(gòu)。

(3)設(shè)備顯示和監(jiān)視功能改進

此模塊是用于人機交互的功能組件。采用西門子的工控機，利用西門子公司專業(yè)的界面設(shè)計軟件WinCC flexible與VB編程，實現(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統(tǒng)一處理、顯示的功能。

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

故障診斷界面:在上位機上提供通過PROFIBUS對設(shè)備元件和狀態(tài)的實時診斷功能，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，首先看設(shè)備各個元件的動態(tài)顯示界面，確定設(shè)備故障的大致部位，然后再利用這個故障診斷界面對這個出現(xiàn)故障的元件進行進一步的診斷，得出更加詳細的信息。該功能大大縮短了設(shè)備故障的維修時間。

(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，同時也影響到設(shè)備各部件的使用壽命，對設(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。憑借其強大的功能，可以防范，解決多種供電安全問題(例如，電壓波動和電源故障)。通過SITOP獨特的附加模塊，甚至可實現(xiàn)供電的全面保護。其產(chǎn)品中過載保護能力甚至可以給諸如DC/DC轉(zhuǎn)換器和電動機等耗電量大的I/O設(shè)備供電。在5 s內(nèi)即可最高達到額定電流的150%。該電源還可連續(xù)供電:在環(huán)境溫度最高45℃時可實現(xiàn)額定能力的120%。通過使用電位計，可在電源前端很方便地調(diào)節(jié)輸出電壓(22.8～28 V)。

(5)振動控制元件的改造

選用德國伺服閥控制器專業(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制動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一些響應(yīng)做出相應(yīng)的回應(yīng)，同時自身的狀態(tài)也可以在控制屏幕上進行實時顯示。

(6)安全保護措施

為了防止出現(xiàn)意外故障從而導(dǎo)致?lián)p傷或危害，主要從以下幾點考慮設(shè)置了安全防護措施:①主要防護電器元件的選型:安全繼電器使用符合CE安全標準的PILZ安全繼電器。使用PILZ安全繼電器的目的是將人員和機器的危險盡可能地降到最低，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安全保護措施包括:起動電路的保護、停機裝置的保護、正常停機保護、緊急急停保護、自動停機裝置、機械抑制裝置、限制裝置、有限運動控制裝置和阻擋裝置等等，同時對必要的設(shè)備動作設(shè)計出不通過SIMOTION C就可以實現(xiàn)一些簡單的動作的電氣控制通路，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單的操作功能對設(shè)備和工件進行必要的保護和救護措施。

(7)手動和半聯(lián)動操作模式

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)計回路里，我們把自動模式和手動模式的程序控制功能設(shè)計成兩個各自獨立的Function Control模塊，這樣就使得兩個功能模塊之間的運行相互獨立，互不干涉。

4 改造方案的優(yōu)點總結(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，同時大大提高了設(shè)備電氣系統(tǒng)運行的可靠程度。總結(jié)如下:(1)采用非常實用的創(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。(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)濟效益分析

(1)本設(shè)備在改造之前，因為控制系統(tǒng)在國內(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兩三次，平均每次的維修時間在3～4 h，有時甚至需要2～3天的時間。目前該設(shè)備改造后已經(jīng)投入使用1年左右的時間，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保養(yǎng)、機械檢修之外，都在正常運轉(zhuǎn)。增加產(chǎn)能30%。(2)老設(shè)備的電氣控制板在國內(nèi)只有極少數(shù)有經(jīng)驗的維修人員才能維修，并且因為沒有參考的圖紙和電氣參數(shù)等資料，所以維修非常耗時，造成這些控制板的維修費用非常高。改造后的設(shè)備維修費用下降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。此項每年為公司增加經(jīng)濟效益800萬元左右。