萬春紅 錢 瑾 范力棟 段興蓋 張恩壽 楊彩玲 李 潤 莊 園

（1.昆明電器科學(xué)研究所；2.昆鋼推進(jìn)用鋼產(chǎn)業(yè)發(fā)展工作組）

1 引言

熱軋H型鋼側(cè)向剛度強(qiáng)、抗彎強(qiáng)度大，在工業(yè)建筑、石油化工、電力生產(chǎn)、船舶及機(jī)械制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；國內(nèi)有超過2萬家的鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)加工企業(yè)，規(guī)模以上的達(dá)3 000余家，大量采用鉆鋸鎖傳統(tǒng)加工設(shè)備；在《中國制造2025》背景下，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工朝著提高效率和生產(chǎn)管理水平，降低成本和人工勞動強(qiáng)度的方向發(fā)展。

國內(nèi)雖有成熟的鉆、鋸、鎖單機(jī)數(shù)控設(shè)備，尚沒有成套的智能化生產(chǎn)線，傳統(tǒng)生產(chǎn)線的每個工序，均需專人操作，工件在工序間流轉(zhuǎn)均為行車或平車搬運，用人工較多、生產(chǎn)效率低；國外生產(chǎn)線制造廠家，如意大利的FICEP公司，由于起步早，其生產(chǎn)線及設(shè)備智能化相對成熟，可顯著降低勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率，但價格昂貴。

與國外同類設(shè)備相比，國內(nèi)單機(jī)數(shù)控設(shè)備在功能、效率方面存在差距，但具有價格經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，通過開展工藝設(shè)備優(yōu)化及成套組合生產(chǎn)線研究，集成和研發(fā)生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)，實現(xiàn)熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產(chǎn)線的智能化，可有效提升鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)的經(jīng)營效益，減少安全生產(chǎn)事故，對熱軋H型鋼在建筑及裝備制造行業(yè)的推廣應(yīng)用，延伸鋼鐵企業(yè)鋼材的加工配送具有重要的現(xiàn)實意義。

2 傳統(tǒng)生產(chǎn)線與智能生產(chǎn)線的對比

2.1 傳統(tǒng)熱軋H型鋼鉆鋸鎖加工生產(chǎn)線流程

傳統(tǒng)熱軋H型鋼的生產(chǎn)加工可大致分為備料、鋸切、鉆孔、鎖口加工和堆料下移五個步驟。

（1）備料：人工操作橋式起重機(jī)將成捆打包的未加工的熱軋H型鋼放置在備料口，由人工將其打開并通過懸臂吊（或直接）將單根H型鋼放置到數(shù)控帶鋸床口前。

（2）鋸切：夾緊熱軋H型鋼，對其進(jìn)行測量后，移動到需要鋸切的位置進(jìn)行鋸切加工，加工好后，經(jīng)人工控制懸臂吊，把熱軋H型鋼放置到鉆孔加工設(shè)備前。

（3）鉆孔：采用三維數(shù)控鉆孔床，與鋸切加工類似，夾持工件，測量工件、定位、加工，加工好后，繼續(xù)由人工操作送往鎖口加工。

（4）鎖口加工：采用數(shù)控銑削鎖口加工機(jī)床，與鋸切步驟類似。

（5）堆料下移：由人工將加工完成的熱軋H型鋼成捆打包，經(jīng)人工操作橋式起重機(jī)，將其堆放到指定位置。

國內(nèi)幾乎所有鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家均采用傳統(tǒng)加工生產(chǎn)流程，且該生產(chǎn)流程在20年前就已投入使用至今。

2.2 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖加工生產(chǎn)線流程

在熱軋H型鋼智能生產(chǎn)線中，根據(jù)鉆鋸鎖三種單機(jī)設(shè)備的工效匹配和組合，以采用兩鋸、一鉆、兩鎖組成生產(chǎn)線為例，其工藝流程和生產(chǎn)線布置如圖1、圖2所示。

圖1 熱軋H鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線工藝流程圖

圖2 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖加工生產(chǎn)線布置圖

生產(chǎn)線工序加工流程為：

上料工人操作行車把H型鋼工件放置在上料架上→輥道鏈條自動橫向推動H型鋼工件至縱向輥道→輥道自動運輸H型鋼工件至數(shù)控轉(zhuǎn)角帶鋸床，準(zhǔn)備鋸切→數(shù)控轉(zhuǎn)角帶鋸床對H型鋼工件按程序單機(jī)作業(yè)鋸切→輥道自動將鋸切后的H型鋼工件運輸?shù)饺S數(shù)控鉆床，準(zhǔn)備三維鉆孔→三維數(shù)控鉆床對H型鋼工件進(jìn)行三維鉆孔→輥道自動將三維鉆孔后的H型鋼工件運輸?shù)紿型鋼數(shù)控鎖口銑床，準(zhǔn)備鎖口→H型鋼數(shù)控鎖口銑床對H型鋼工件進(jìn)行鎖口→輥道自動把鎖口后的H型鋼運輸至卸料架→卸料工人操作行車將H型鋼卸下。

2.3 傳統(tǒng)加工流程和智能化加工流程對比

國內(nèi)現(xiàn)有傳統(tǒng)的熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產(chǎn)線，每個工序均需有專人操作，工件在工序間流轉(zhuǎn)均為行車或平車搬運，用人工較多（操作工和輔助工），生產(chǎn)效率低；以國產(chǎn)一鋸一鉆一鎖設(shè)備組成的傳統(tǒng)生產(chǎn)線為例，三工序各自分開，設(shè)備投資約300萬元人民幣，產(chǎn)能約10 000 t/年，用工約7人/班。

國外智能化生產(chǎn)線，以中建鋼構(gòu)廣東公司2017年新上的鉆鋸鎖生產(chǎn)線為例，整條生產(chǎn)線包括一鋸一鉆一鎖設(shè)備、全套縱橫傳輸輥道及電控設(shè)備、軟件，總投資約1 300萬人民幣，產(chǎn)能30 000 t/年，除兩端原材料上料、卸料需人工操作外，長度尺寸鋸切、三維鉆孔、機(jī)械鎖口三道工序及工件在工序間流轉(zhuǎn)，均為智能化程序控制，不需人工干預(yù)，用工少（2人/班），生產(chǎn)效率高。

與傳統(tǒng)熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產(chǎn)線相比，智能生產(chǎn)線至少可提高生產(chǎn)效率2.5倍以上，減少用工50 %，預(yù)計增加投資400萬元，遠(yuǎn)低于進(jìn)口設(shè)備價格，在提高工效、降低勞動強(qiáng)度和節(jié)約成本方面具有顯著優(yōu)勢。

3 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主加工設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的集成技術(shù)

三維數(shù)控鉆床、數(shù)控帶鋸床、數(shù)控銑削鎖口機(jī)的電氣控制系統(tǒng)核心是數(shù)控系統(tǒng)，高端數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，多采用國外公司產(chǎn)品，目前主要數(shù)控系統(tǒng)廠商，如FANUC、西門子、華數(shù)8系列、凱恩帝等，以西門子數(shù)控系統(tǒng)為例，整個系統(tǒng)采用PROFIBUS DP現(xiàn)場總線連接。

現(xiàn)場總線抗干擾性強(qiáng)、精度高，控制及反饋等信號均通過總線傳遞，布線簡化、安全可靠、維護(hù)方便，采用全數(shù)字通訊方式，克服了傳統(tǒng)脈沖、模擬量傳遞中易受干擾的缺陷；控制系統(tǒng)支持MODBUS，可通過RS232C在上位計算機(jī)監(jiān)控設(shè)備運行情況。

現(xiàn)場總線控制在歐美非常流行，在國內(nèi)目前還是少數(shù)高端應(yīng)用，總線控制下的每一個數(shù)控軸均采用全數(shù)字通訊傳輸信號，可通過總線任意設(shè)置進(jìn)給速度及目標(biāo)值，也可通過總線監(jiān)控每一個軸的運行狀態(tài)，軸數(shù)越多總線控制優(yōu)勢越明顯。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有開放性，通過編程可實現(xiàn)任意軌跡的控制，可實時修改定位目標(biāo)值，可即時修正腹寬、腹高的實時檢測值；通過現(xiàn)場總線技術(shù)集成數(shù)控鉆鋸鎖設(shè)備，可實現(xiàn)生產(chǎn)線的全自動、智能化和高效運行。

3.2 縱橫向料道輸送系統(tǒng)的伺服控制技術(shù)

縱向料道和橫向料道是熱軋H型鋼二次成套加工生產(chǎn)線中的重要設(shè)備,可減少吊車、行車的使用頻次,提高生產(chǎn)的安全性和效率,集成編碼傳感器和伺服電機(jī)系統(tǒng)，通過熱軋H型鋼輸送控制系統(tǒng)，完成縱向料道和橫向料道的自動控制。

縱向料道安裝在機(jī)床的進(jìn)料端和出料端，用于支撐工件?？v向料道由料道支架、支承輥、側(cè)定位輥等組成。在料道支架定位側(cè)安裝有定位輥，為熱軋H型鋼定位基準(zhǔn)用。縱向料道中含動力料道和非動力料道,動力料道帶有液壓浮動裝置,以便輸送,同時具備工件側(cè)推裝置,自動扶正熱軋H型鋼,所有縱向料道的送料輥都是淬火后磨削加工而成,避免側(cè)推過程中送料輥表面刮傷后形成阻力。

橫向料道具有垂直舉升和橫向移動的功能,多條橫向料道的移動是同步進(jìn)行的,它的作用是解決H型鋼的橫向轉(zhuǎn)移,并在生產(chǎn)線中兼有儲料功能。

由兩種料道動力設(shè)備的自動輸送控制系統(tǒng)受總線控制，可通過系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)料道的傳輸速率，并且主設(shè)備中的傳感器信號接入自動傳輸系統(tǒng)，通過設(shè)備的具體工作狀態(tài)、效率進(jìn)行自動調(diào)整，具體通過PLC、變頻器、伺服電機(jī)等電氣系統(tǒng)實現(xiàn)速率的控制。

3.3 智能生產(chǎn)線參數(shù)信息的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

對熱軋H型鋼鉆鋸鎖數(shù)控設(shè)備、料道輸送系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)和生產(chǎn)信息的數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用，是實現(xiàn)整條智能生產(chǎn)線集中監(jiān)控的前提和基礎(chǔ)。

一般來說，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需采集生產(chǎn)線的“人、機(jī)、料、法、環(huán)”各類數(shù)據(jù)，其中“人、料”的信息采集，采用條碼、RFID等方式來完成，“法”主要采集工藝實現(xiàn)、檢驗檢測等信息，“機(jī)、環(huán)”兩方面的數(shù)據(jù)采集，又以“機(jī)”為重中之重[1]。

熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的參數(shù)包括:鉆鋸鎖數(shù)控設(shè)備參數(shù)、料道輸送系統(tǒng)參數(shù)和生產(chǎn)信息參數(shù)等，具體參數(shù)如表1所示[1][2]。

表1 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的參數(shù)

通過熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線的集中監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA），以現(xiàn)場總線與現(xiàn)場數(shù)控設(shè)備、料道輸送控制系統(tǒng)組網(wǎng)通信，通過工業(yè)以太網(wǎng)與MES系統(tǒng)通信，通過OPC技術(shù)[3]，完成來自三方面數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，一是鉆鋸鎖數(shù)控設(shè)備的內(nèi)部數(shù)據(jù)；二是外加傳感器的外部數(shù)據(jù)；三是MES系統(tǒng)的生產(chǎn)管理信息數(shù)據(jù)。

完成對熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集后，通過數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、特征提取、狀態(tài)識別[2]，完成對生產(chǎn)線設(shè)備的控制，以及與生產(chǎn)任務(wù)、質(zhì)量、生產(chǎn)進(jìn)度等信息相關(guān)的聯(lián)合分析，為生產(chǎn)線全生命周期預(yù)防性維護(hù)提供數(shù)據(jù)信息支持，提升生產(chǎn)線的運行可靠性、可控性和生產(chǎn)效率，保障生產(chǎn)線運行穩(wěn)定、可靠、安全。

3.4 搬運機(jī)器人在智能生產(chǎn)線的應(yīng)用技術(shù)

隨著工廠自動化水平的提高，工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，服務(wù)數(shù)控機(jī)床的工業(yè)機(jī)器人大體上分為：上下料和換刀兩大類。機(jī)床上下料機(jī)器人采用工業(yè)機(jī)器人替代操作工，自動完成在加工過程中工件的自動抓取、上料、下料、裝卡、工件移位翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等一系列上下料工作任務(wù)，能夠極大的節(jié)約人工成本，提高生產(chǎn)效率[4]。

搬運機(jī)器人的實現(xiàn)依賴于強(qiáng)大的單片機(jī)控制技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)主要涉及自動尋跡技術(shù)、自動避障技術(shù)、傳感器識別技術(shù)、遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)等。

自動尋跡主要解決方案有激光導(dǎo)引、磁導(dǎo)引和軌道運行作為搬運機(jī)器人的向?qū)?，指引搬運機(jī)器人的運動；其中軌道運行將機(jī)器人的運行路線固定于軌道上，相比激光導(dǎo)引和磁導(dǎo)引不具靈活性；激光導(dǎo)引利用激光通過發(fā)射板反射回來的信號判斷與反射板的距離，搬運機(jī)器人自動判斷是否到達(dá)預(yù)定位置或需要轉(zhuǎn)向；磁導(dǎo)引主要是通過在搬運機(jī)器人路徑底下埋磁釘，搬運機(jī)器人通過對磁傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷是否到達(dá)或需要轉(zhuǎn)向。

自動避障技術(shù)依賴于自動尋跡技術(shù)和后臺強(qiáng)大的運算分析能力，尋找最優(yōu)的路徑進(jìn)行搬運。后臺通過加持AI算法，持續(xù)對搬運機(jī)器人的狀態(tài)及位置信息進(jìn)行跟蹤，將優(yōu)化好的路徑通過無線通信技術(shù)發(fā)送至搬運機(jī)器人，搬運機(jī)器人按照最優(yōu)化的路勁進(jìn)行搬運，提高效率和減少故障發(fā)生。

傳感器識別技術(shù)是搬運機(jī)器人運行的關(guān)鍵技術(shù)，觸覺傳感器、距離傳感器、磁傳感器等是搬運機(jī)器人必備的傳感器。觸及傳感器多用于軌道式搬運機(jī)器人，用于判斷是否需要轉(zhuǎn)向或脫軌；距離傳感器多用于激光導(dǎo)引搬運機(jī)器人，計算與反射板的距離；磁傳感器多用于磁導(dǎo)引搬運機(jī)器人。

后臺對搬運機(jī)器人的監(jiān)控和通信主要是通過無線通訊實現(xiàn)，利用藍(lán)牙、WiFi等無線通信技術(shù)，實現(xiàn)后臺與搬運機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)傳輸。

在熱軋H型鋼智能生產(chǎn)線工序加工流程中，有人工操作的兩道工序，一是上料工人操作行車把H型鋼工件放置在上料架上，二是卸料工人操作行車將H型鋼卸下，先行嘗試應(yīng)用卸料機(jī)器人代替人工操作，完成卸料工序工作。

3.5 生產(chǎn)線各工藝環(huán)節(jié)的智能化檢測技術(shù)

熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到要求與否，需要每道工藝環(huán)節(jié)的生產(chǎn)均達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求，即生產(chǎn)線中每一臺數(shù)控設(shè)備：三維數(shù)控鉆床、數(shù)控帶鋸床、數(shù)控銑削鎖口機(jī)的加工質(zhì)量和精度，以及縱向料道和橫向料道準(zhǔn)確的物料輸送和定位精度等均達(dá)到要求。

每一臺數(shù)控設(shè)備的加工質(zhì)量和精度取決于設(shè)備本身的制造、裝配精度及數(shù)控系統(tǒng)的控制精度，主要包括幾何精度、定位精度和加工精度。

幾何精度綜合反映了數(shù)控設(shè)備機(jī)械零部件裝配、調(diào)整后的幾何形狀誤差，檢測時所使用的工具及檢測方法類似于普通機(jī)床。數(shù)控設(shè)備的定位精度是指各坐標(biāo)軸在數(shù)控裝置控制下運動所達(dá)到的位置精度，而重復(fù)定位精度是指數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行同一程序代碼時設(shè)備坐標(biāo)軸定位位置的一致程度，定位精度和重復(fù)定位精度綜合反映了數(shù)控設(shè)備的機(jī)械傳動精度和數(shù)控系統(tǒng)的控制精度，決定了數(shù)控設(shè)備所能加工零件的精度。

數(shù)控設(shè)備的加工精度由數(shù)控系統(tǒng)的控制精度和設(shè)備的機(jī)械精度共同組成。數(shù)控系統(tǒng)的精度高低、伺服控制的方法是否調(diào)整到最優(yōu)直接影響數(shù)控設(shè)備的加工精度，而設(shè)備的機(jī)械本體 精度同樣也會制約數(shù)控機(jī)床的加工精度，影響高精度數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)高精度控制。要研究如何提高數(shù)控設(shè)備加工精度，設(shè)備精度的檢測尤為重要。

數(shù)控設(shè)備存在著制造、裝配誤差，還存在數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)進(jìn)給誤差、位置控制誤差、伺服系統(tǒng)誤差等各種非機(jī)械原因造成的誤差，實際使用中，這些誤差并不可能完全消除。

隨著使用時間的增加，數(shù)控設(shè)備工作時的綜合運動誤差會變得越來越大，直接影響到設(shè)備的加工精度，相應(yīng)地實時檢測、控制其綜合運動誤差，并適時地給以補(bǔ)償，可保證設(shè)備使用時的正常精度達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求，延長設(shè)備的使用年限；通過分析數(shù)控設(shè)備的綜合運動誤差和精度，對查尋數(shù)控設(shè)備故障原因，分析工件加工誤差產(chǎn)生原因具有重要意義[5]。

為使熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線數(shù)控設(shè)備和輸送設(shè)備的加工質(zhì)量和精度達(dá)到要求，既需要針對單臺數(shù)控設(shè)備的檢測技術(shù)和手段為保障，又需要集數(shù)控設(shè)備、測頭系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)及在線檢測軟件等為一體的在線檢測系統(tǒng)，通過在線檢測功能與數(shù)控系統(tǒng)的高度集成，實時檢測和控制生產(chǎn)線的質(zhì)量達(dá)到要求，熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線檢測技術(shù)如表2所示。

表2 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線檢測技術(shù)

4 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線控制系統(tǒng)構(gòu)建

4.1 智能生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的需求分析和特征

（1）熱軋H型鋼鉆鋸鎖單機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，備料、存料、輥道輸送系統(tǒng)與生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)的集成。

熱軋H型鋼鉆鋸鎖智能生產(chǎn)線，不只是單機(jī)數(shù)控設(shè)備和備料、存料、輥道輸送等設(shè)備的功能一體化，更重要的是按照智能生產(chǎn)線管控的系統(tǒng)需求，滿足智能生產(chǎn)線的特征而設(shè)計、集成和制造；智能管控系統(tǒng)也不只是傳統(tǒng)的單機(jī)數(shù)控設(shè)備控制，增加備料、存料和輥道輸送等系統(tǒng)的組合控制，而是整條智能生產(chǎn)線的集中協(xié)調(diào)智能管控，實現(xiàn)單機(jī)數(shù)控化和智能生產(chǎn)線的全局協(xié)調(diào)管控。

（2）熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產(chǎn)線工藝設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)過程參數(shù)檢測、數(shù)據(jù)采集及信息交互。

要實現(xiàn)熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產(chǎn)線的智能管控，在工藝設(shè)備組成生產(chǎn)線的幾個環(huán)節(jié)，需要具備與智能管控系統(tǒng)之間的傳感器檢測、數(shù)據(jù)采集、通信和信息交互，包括：數(shù)控鉆鋸鎖單機(jī)系統(tǒng)與智能管控系統(tǒng)之間；數(shù)控鉆鋸鎖單機(jī)系統(tǒng)之間；備料系統(tǒng)與數(shù)控鋸切工序之間；數(shù)控鎖扣工序與存料系統(tǒng)之間等，形成信息驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)化集成控制的智能化模式[5]。

（3）熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產(chǎn)線工藝知識數(shù)據(jù)庫及工藝知識模型的建立，根據(jù)實時采集的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)和信息，經(jīng)工藝模型的計算和分析，提供最優(yōu)的工藝路線及參數(shù)，對熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行智能管控。

根據(jù)已有的熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產(chǎn)線工藝知識，建立工藝知識數(shù)據(jù)庫和工藝知識模型，在生產(chǎn)中學(xué)習(xí)并獲取新的工藝知識，智能維護(hù)工藝知識數(shù)據(jù)庫；采集生產(chǎn)線信息，通過工藝知識數(shù)據(jù)庫和工藝模型，對信息進(jìn)行加工、計算和分析，為生產(chǎn)線智能管控提供最優(yōu)工藝路線和參數(shù)。

4.2 智能生產(chǎn)線控制系統(tǒng)架構(gòu)

以兩鋸、一鉆、兩鎖組成的生產(chǎn)線為例，熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用三層架構(gòu)，分別為現(xiàn)場控制層、SCADA集中監(jiān)控層和MES管理層，現(xiàn)場控制層與SCADA集中監(jiān)控層采用現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)，集中監(jiān)控層與MES管理層采用以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)；卸料機(jī)器人與卸料工作站采用無線WiFi通信，如圖3所示。

圖3 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線控制系統(tǒng)架構(gòu)

（1）現(xiàn)場控制層

現(xiàn)場控制層設(shè)有單機(jī)系統(tǒng)控制站5臺，分別為控制站1至5，完成鉆鋸鎖設(shè)備的單機(jī)控制；在生產(chǎn)線上料口附近，設(shè)控制站1臺，在生產(chǎn)線卸料口附近，設(shè)遠(yuǎn)程站1臺，完成對物料輸送系統(tǒng)（包括上料、輥道輸送和卸料）的控制；各單機(jī)系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線形成總線控制網(wǎng)絡(luò)；各控制站完成對各自伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)的控制；生產(chǎn)線卸料工序流程中，卸料機(jī)器人完成熱軋H型鋼加工成品的卸料。

（2）SCADA集中監(jiān)控層

SCADA集中監(jiān)控層設(shè)工作站計算機(jī)，通過現(xiàn)場總線通信模塊接入現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，連接各個控制站；通過工業(yè)以太網(wǎng)通信接口，與MES管理系統(tǒng)連接?？刂撇僮髡局苯涌刂粕a(chǎn)線輸送系統(tǒng)的PLC，同時通過總線網(wǎng)絡(luò)，完成對各單機(jī)控制系統(tǒng)的信號交互，完成對生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)集中控制，接收MES管理系統(tǒng)的最優(yōu)工藝路線和參數(shù)的指令。

（3）MES管理層

整條生產(chǎn)線設(shè)管理工作站，利用MES管理軟件，集中管理生產(chǎn)線工藝設(shè)備及生產(chǎn)計劃，在生產(chǎn)現(xiàn)場只需少量操作人員甚至無人化，熱軋H型鋼從程序啟動開始，通過物料輸送系統(tǒng)，將工件輸送至各個加工單元，按照工藝路線和參數(shù)要求生產(chǎn)加工，完畢后繼續(xù)執(zhí)行其他排產(chǎn)計劃。

4.3 智能生產(chǎn)線SCADA集中監(jiān)控系統(tǒng)

熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線SCADA集中監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成四大任務(wù)：一是對物料輸送系統(tǒng)的控制，二是對各單機(jī)數(shù)控設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交互，三是對生產(chǎn)線工藝設(shè)備的集中監(jiān)視和協(xié)調(diào)控制，四是與MES管理系統(tǒng)的管控功能集成，同時，SCADA系統(tǒng)與卸料機(jī)器人工作站之間，以通信方式建立信息交互，如圖4所示。

圖4 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線SCADA集中監(jiān)控系統(tǒng)

4.4 MES管理系統(tǒng)

將MES管理系統(tǒng)集成到生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中，即實現(xiàn)對熱軋H型鋼鉆鋸鎖加工生產(chǎn)過程的智能管控，包括收集生產(chǎn)線生產(chǎn)信息，包括設(shè)備、安全、質(zhì)量、產(chǎn)量等信息，對生產(chǎn)情況進(jìn)行全方位跟蹤，并出具各生產(chǎn)情況報表。

成本管控：按工藝環(huán)節(jié)收集生產(chǎn)線消耗原料信息，并通過原料價格、計劃原料消耗等系統(tǒng)計算和分析后，得出各設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的計劃生產(chǎn)成本，實際消耗成本信息，掌握并監(jiān)控生產(chǎn)成本情況。

工藝質(zhì)量管控：智能維護(hù)生產(chǎn)線工藝知識庫的參數(shù) ,采集現(xiàn)場實際使用參數(shù)，經(jīng)工藝模型計算、分析和比較 ,發(fā)現(xiàn)并調(diào)整生產(chǎn)環(huán)節(jié)各工藝參數(shù)和加工路線，對設(shè)備、原料出人庫加工進(jìn)行管理，包括庫存管理，跟蹤設(shè)備及物料庫存情況 ,制定設(shè)備檢修計劃，記錄設(shè)備故障及維修記錄等[6]。

4.5 智能生產(chǎn)線系統(tǒng)控制程序策略

熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線系統(tǒng)控制程序策略如圖5所示。

圖5 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖智能生產(chǎn)線系統(tǒng)控制程序策略

智能生產(chǎn)線系統(tǒng)控制程序策略包括三個方面：一是采用生產(chǎn)線工序加工流程為主控流程順序；二是主控流程每一步執(zhí)行的條件，依據(jù)生產(chǎn)線全局實時數(shù)據(jù)，經(jīng)分析判斷算法，確定執(zhí)行對應(yīng)的子程序和步數(shù)，實現(xiàn)單機(jī)數(shù)控和智能生產(chǎn)線的全局協(xié)調(diào)運行；三是基于MES管理系統(tǒng)的工藝知識數(shù)據(jù)庫和工藝模型，對生產(chǎn)線實時數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、計算和分析，為主控流程順序確定最優(yōu)工藝路線和技術(shù)參數(shù)，實現(xiàn)信息驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)集成智能管控模式。

5 結(jié)語

通過對熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線的研究，分析了國產(chǎn)智能化鉆鋸鎖生產(chǎn)線研發(fā)的必要性和重要性，比較了傳統(tǒng)生產(chǎn)線與智能化生產(chǎn)線的差異和特點，分析了智能生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、控制需求和特征，提出了智能生產(chǎn)線總體架構(gòu)和控制系統(tǒng)程序策略，為研發(fā)熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產(chǎn)線做好前期準(zhǔn)備。