陳 浩，董必輝，趙喜才

（1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州巧捷鑄造設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213164）

0 引言

由于鑄造生產(chǎn)存在溫度高、勞動強度大、污染嚴(yán)重等問題，該行業(yè)招工越來越難，給企業(yè)帶來了諸多問題，正常的產(chǎn)量難以保證，質(zhì)量也很難控制。為了解決上述問題，同時降低勞動力成本、提高生產(chǎn)效率、實時掌握生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、及時發(fā)現(xiàn)并處理生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，智能化是鑄造業(yè)發(fā)展的必然方向。

造型線是鑄造生產(chǎn)的核心，造型線的智能化程度直接決定了鑄造行業(yè)的智能化水平。近年來諸多學(xué)者對于造型線的控制技術(shù)進(jìn)行了深入的研究[1-2]。王智明[3]基于西門子PLC 順序控制功能塊使用結(jié)構(gòu)化編程技術(shù)完成了KW 造型線的控制系統(tǒng)開發(fā)。張少芳等[4]給出了一種利用分布式I/O ET 200和PROFIBUS總線對現(xiàn)有過程控制的方法，實現(xiàn)了造型、推送及其輔助機構(gòu)的流程化控制，大幅度提高了砂型鑄造過程中各個工藝之間互相協(xié)作的能力。臧千強等[5]在分析了YJZ51.108 靜壓造型線的組成與工藝流程的基礎(chǔ)上，以西門子S7-1500 系列CPU 作為處理器、ET200S 模塊作為I/O 從站，開發(fā)了該造型線的數(shù)字化、智能化的電控系統(tǒng)。閆新飛等[6]在分析了智能制造發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上研究了智能制造重塑鑄造企業(yè)設(shè)備管理，探索研究新模式下的管理思路。常濤等[7]從橫向架構(gòu)（MES、物聯(lián)網(wǎng)信息采集平臺和人機共事層3 層）與縱向架構(gòu)（人、專家系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)）兩個方面闡述了鑄造行業(yè)智能制造系統(tǒng)的實施過程。上述研究多停留在自動化的層面上，還沒有達(dá)到智能化的程度。

本文首先介紹了造型線的組成與工藝流程，然后設(shè)計了造型線控制系統(tǒng)的架構(gòu)，搭建了硬件平臺，最后編制了控制系統(tǒng)的PLC控制程序、人機界面和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

1 造型線的組成與工藝流程

1.1 造型線的組成

本文研究對象為某型靜壓造型線，該造型線主要包含加砂機、造型主機、下芯機、輸送機、冷卻機、落砂機、液壓泵站、電控柜等。造型機采用上、下氣流加砂射砂，充砂快速、無虛角，通過液壓壓實，實現(xiàn)砂型成型，同時完成起模、合型、推型動作。加砂機按需向主機進(jìn)行加砂，保證主機砂量充足。下芯機實現(xiàn)同步下芯，提高了工作效率。輸送機與主機同步完成澆注、鑄型輸送、冷卻。同步皮帶冷卻機給鑄件足夠的冷卻時間，避免因冷卻時間不足引起產(chǎn)品變形。

1.2 造型線的工藝流程

靜壓造型線的工藝流程如圖1 所示。該造型線工藝主要由造型、下芯、上箱、澆注、冷卻和返回等6 個部分構(gòu)成[8]。

圖1 造型工藝流程

（1）造型。該部分主要包括了造型機、分箱機、內(nèi)部清理機、轉(zhuǎn)運車等機械裝置。先進(jìn)行分箱、清理，然后將上、下砂箱按順序推入造型機；造型機完成加砂、壓實和起模等加工工藝；造型后的砂箱被推出，再進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、移箱。

（2）下芯。該部分分為兩種方式：人工下芯和機械下芯。主要完成型腔內(nèi)噴涂、安裝砂芯等工作。

（3）上箱。該部分主要由上箱推送缸、銑澆口機、扎氣孔機、鉆氣孔機等組成。主要完成銑澆口、扎氣眼、鉆氣孔、上箱翻轉(zhuǎn)和合箱等工作。

（4）澆注。該部分主要由澆注機、定位機構(gòu)等組成。該段由澆注機將鐵水/鋼水澆注至砂型中。

（5）冷卻。該部分由多條冷卻帶組成。過渡車將澆注了鐵水/鋼水的砂型轉(zhuǎn)移到冷卻帶上，然后返回繼續(xù)轉(zhuǎn)運下一沙箱。

（6）返回。該部分主要由臺面清掃機、落砂機、返回段緩沖缸等機械結(jié)構(gòu)組成。捅箱機提起砂箱，捅出砂胎，空砂箱放置于小車并送回分箱機處，繼續(xù)進(jìn)行下一個造型循環(huán)。

2 造型線控制系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

在分析了造型線的工藝流程基礎(chǔ)上，充分考慮生產(chǎn)管理過程存在的問題和管理者的需求，本文所要設(shè)計的造型線控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下的功能。

（1）設(shè)備運行控制?？刂葡到y(tǒng)最基本的功能是設(shè)備的運行控制。通過預(yù)設(shè)的控制指令能夠控造型線的造型、下芯、上箱、澆注、冷卻和返回6 個工藝過程。另外，可以實現(xiàn)故障緊急停止、遠(yuǎn)程監(jiān)管等功能。

（2）人機交互。為了便于人機信息交換，需要人機交互界面。通過友好、簡潔的人機交互界面設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、發(fā)送控制指令、查看運行參數(shù)等。

（3）運行狀態(tài)信息采集。通過相應(yīng)的傳感器精確采集造型線各類運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為后續(xù)控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并作為故障診斷的依據(jù)。保證了各設(shè)備的可靠運行。

（4）遠(yuǎn)程監(jiān)控。以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行造型線生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程傳輸，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而優(yōu)化生產(chǎn)控制，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷，以提高生產(chǎn)管理效率。

2.2 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

基于設(shè)計目標(biāo)設(shè)計了造型線控制系統(tǒng)的架構(gòu)。該架構(gòu)分為現(xiàn)場執(zhí)行層、現(xiàn)場控制層及遠(yuǎn)程監(jiān)控層3 個層級[9-10]，如圖2所示。

圖2 造型線的控制結(jié)構(gòu)體系

（1）第1 層：設(shè)備層。本層主要包含造型線的執(zhí)行元器件與各類型的傳感器。執(zhí)行器元器件主要包含電機、電磁閥、液壓泵、液壓缸、氣缸等，通過系統(tǒng)的控制器對各執(zhí)行元器件進(jìn)行動作控制，完成造型線各工藝過程。傳感器主要包括編碼器、溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、接近開關(guān)、磁性開關(guān)等，這些傳感器主要用于設(shè)備運行狀態(tài)信息的實時監(jiān)測，并由控制器進(jìn)行處理。

（2）第2 層：現(xiàn)場控制程。本層主要包含控制器與上位機?？刂破魇钦麄€造型線控制系統(tǒng)的核心，控制器與設(shè)備層連接，按照預(yù)設(shè)指令控制設(shè)備的各類動作，控制器與各類傳感器連線，采集并處理造型線運行狀態(tài)信息；控制器與人機交互屏幕相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通訊，通過人機交互界面進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)置、控制指令發(fā)送、運行信息查看等操作。

（2）第3 層：遠(yuǎn)程控制層。本層主要包括數(shù)據(jù)傳輸模塊、云平臺和數(shù)據(jù)終端。云平臺與控制器之間通過數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行通訊，再通過計算機訪問云平臺，進(jìn)行信息的讀取以及控制指令的發(fā)出，實現(xiàn)造型線運行過程的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。

3 控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)造型線的結(jié)構(gòu)與工藝流程特點，其控制系統(tǒng)采用如圖3 所示的控制架構(gòu)。其中PC 終端作為上位機可實現(xiàn)對造型線的在線監(jiān)控、對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制與管理。下位機采用西門子PLC 對現(xiàn)場傳感器信號、電機的轉(zhuǎn)速/電流等狀態(tài)進(jìn)行采集，同時通過已設(shè)定好的程序?qū)Ω鱾€執(zhí)行器的動作進(jìn)行控制。PLC 通過數(shù)據(jù)傳輸模塊ABOX與云平臺進(jìn)行通訊。

圖3 基于工控機與PLC的控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

4 控制系統(tǒng)程序編制

首先，針對造型機、澆注機、轉(zhuǎn)運線等底層設(shè)備編制相應(yīng)的控制模塊，控制模塊主要是基于西門子PLC 控制技術(shù)[11]，部分控制程序如圖4所示。

圖4 PLC控制程序

然后，在上述控制模塊的基礎(chǔ)上編制人機交互界面，該界面有手動控制界面、自動控制界面、狀態(tài)監(jiān)測界面等[12]，如圖5所示。

圖5 人機交互界面

最后，在企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺的基礎(chǔ)上設(shè)計了造型線智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)界面如圖6 所示。該統(tǒng)能夠?qū)υ煨途€實時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，并能查看歷史數(shù)據(jù)，另外還具有遠(yuǎn)程故障診斷等功能。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)云平臺監(jiān)控界面

5 控制系統(tǒng)調(diào)試

以某公司的造型線為對象進(jìn)行系統(tǒng)的總體運行調(diào)試，調(diào)試現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 造型線調(diào)試現(xiàn)場

硬件調(diào)試：先進(jìn)行線路檢查，確認(rèn)無誤后進(jìn)行控制系統(tǒng)電路通電；然后逐一測試各設(shè)備的PLC 輸入、輸出接口確保連接正確；再確認(rèn)各按鈕、限位開關(guān)、電磁閥等設(shè)備與PLC 之間的通訊正常。控制系統(tǒng)調(diào)試：系統(tǒng)上電初始化，確定設(shè)備的初始化動作正常；然后采用手動方式，對造型機等造型動作、澆注機的澆注動作以及轉(zhuǎn)運線的輸送作業(yè)動作進(jìn)行控制，確保各設(shè)備能夠正常運行和各傳感器能夠正常工作；手動控制調(diào)試完成后，開啟單步運行模式，根據(jù)運行狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整；單步調(diào)試完成后，開啟自動運行模式，按照造型工藝進(jìn)行造型作業(yè)生產(chǎn)。最后，在云平臺查看設(shè)備狀態(tài)、報警信息、歷史數(shù)據(jù)等信息，并進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷。調(diào)試結(jié)果表明，所研發(fā)的造型線控制系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計目標(biāo)。

6 結(jié)束語

本文以某型造型線為研究對象，將工業(yè)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)有機結(jié)合，設(shè)計了造型線智能控制系統(tǒng)，主要研究內(nèi)容如下。

（1）通過現(xiàn)場調(diào)研、文獻(xiàn)搜集等手段，詳細(xì)介紹了造型線的組成與工藝流程。

（2）為實現(xiàn)造型線生產(chǎn)過程的自動化、智能化運行，設(shè)計了造型線智能控制方案：以PLC 為控制系統(tǒng)的主要控制器實現(xiàn)電機、電磁閥、變頻器等執(zhí)行元器件的控制，通過傳感器采集造型線各設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；通過人機交互界面，實現(xiàn)對系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、控制操作、運轉(zhuǎn)狀態(tài)顯示等功能；利用智能數(shù)據(jù)傳輸終端與PLC 通信，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場與物聯(lián)網(wǎng)云平臺的連接，從而構(gòu)建成造型線的自動控制以及遠(yuǎn)程監(jiān)控的控制系統(tǒng)。

（3）為實現(xiàn)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)方案，進(jìn)行了人機交互界面、智能數(shù)據(jù)傳輸終端、執(zhí)行器、PLC 等硬件的選型。同時根據(jù)造型線控制需求，完成了現(xiàn)場人機交互界面、底層PLC控制程序以及遠(yuǎn)程監(jiān)控界面的設(shè)計。

（4）以某型造型線為對象進(jìn)行了整個系統(tǒng)的調(diào)試，實現(xiàn)了造型線自動化運行，以及運行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。