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       摘要：介紹某公司80MN 熱模鍛壓力機(jī)的工作原理和工藝流程，詳細(xì)敘述以西門子S7-300 系列PLC為核心的電控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，具體控制功能實(shí)現(xiàn)的過程，闡述該系統(tǒng)人機(jī)界面組態(tài)配置及程序編制主要內(nèi)容，指出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

      熱模鍛壓力機(jī)是借助模具實(shí)現(xiàn)金屬熱成型的鍛壓設(shè)備。它廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)、機(jī)車、石化、軍工等行業(yè)，是進(jìn)行大批量、高精度模鍛件生產(chǎn)的首選設(shè)備。它可以進(jìn)行鐓粗、預(yù)鍛、終鍛、切邊、沖孔等工序。熱模鍛壓力機(jī)的用途非常廣泛，在熱模鍛壓力機(jī)上可以完成開式模鍛、閉式模鍛、擠壓等各種型材的熱模鍛工藝。在熱模鍛壓力機(jī)上進(jìn)行鍛造的典型零件有：

     （1）通過鐓粗形式成型的鍛件，如法蘭盤和齒輪毛坯等。
     （2）通過擠壓方式成型的鍛件如一些筒型零件。
     （3）通過預(yù)先引伸方式成型的鍛件，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、前梁等。

       1 、熱模鍛壓力機(jī)工作原理

      熱模鍛壓力機(jī)主要由壓平機(jī)的主機(jī)本體、輔助設(shè)備、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。壓力機(jī)本體采用整體實(shí)心鑄造機(jī)身， “X”型滑塊導(dǎo)軌，雙點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，具有剛性好、導(dǎo)向精度高、抗偏載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。主電機(jī)拖動(dòng)小飛輪旋轉(zhuǎn)，小飛輪通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)大飛輪，與大飛輪同軸的小齒輪與大齒輪嚙合，而大齒輪最終為滑塊提供動(dòng)力，為了增加慣性，所以大齒輪的尺寸非常大，以保證有足夠的慣性。當(dāng)電機(jī)經(jīng)過四級(jí)啟動(dòng)電阻啟動(dòng)完畢后，此時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，通過離合器與制動(dòng)器的配合，使滑塊上下運(yùn)動(dòng)，滑塊從上死點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至下死點(diǎn)再回到上死點(diǎn)為一個(gè)工作循環(huán)，上死點(diǎn)也就是滑塊的上極限位，下死點(diǎn)既為滑塊下極限位。壓力機(jī)滑塊有兩種工作方式：調(diào)整與單次，調(diào)整工作方式時(shí)，滑塊可以點(diǎn)動(dòng)的停在任何位置；單次工作方式時(shí)，踩下腳踏開關(guān)，滑塊完成一個(gè)工作循環(huán)。由于機(jī)械構(gòu)造的原因，潤(rùn)滑對(duì)熱模鍛壓力機(jī)尤為重要，在壓機(jī)本體上有多處干油及稀油潤(rùn)滑監(jiān)測(cè)點(diǎn)和溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如：曲軸干油潤(rùn)滑、高速軸稀油潤(rùn)滑、曲軸溫度等，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)將開關(guān)量信號(hào)傳入PLC 控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)反映各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)，以防止?jié)櫥坏轿粚?dǎo)致機(jī)械設(shè)備損壞。

       2、 工藝流程

      該熱模鍛壓力機(jī)采用KUKA機(jī)械手上料，棒料經(jīng)過傳送帶進(jìn)入中頻加熱爐進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到900℃左右時(shí)，棒料從加熱爐中送出，此時(shí)上料機(jī)械手抓起熱棒料送入壓力機(jī)第一個(gè)工位，機(jī)械手撤出等待鍛壓，壓力機(jī)滑塊向下動(dòng)作時(shí)，滑塊動(dòng)力是靠電機(jī)的帶動(dòng)，在上下模具接觸到之后，也就是到達(dá)下死點(diǎn)后，滑塊是靠慣性向上動(dòng)作，在向上運(yùn)行的過程中，上下頂料器頂出，將工件頂出模具。第一工位鍛壓結(jié)束后，機(jī)械手伸入壓機(jī)模具中，將工件移至第二工位，機(jī)械手撤出等待，第二工位鍛壓結(jié)束后，如果有第三工位，那么機(jī)械手將重復(fù)上述動(dòng)作，如果沒有第三工位，那么上料機(jī)械手停止工作，出料機(jī)械手將工件取出后送入切邊機(jī)，進(jìn)行切邊，出料機(jī)械手撤出等待，切邊結(jié)束后出料機(jī)械手將工件取出掛在行走鏈條上，行走鏈條將工件運(yùn)輸至下一個(gè)工藝流程。在鍛造過程中，需要機(jī)械手與壓力機(jī)密切配合，動(dòng)作互相銜接好，絕不允許有干涉，以防止損壞設(shè)備，同時(shí)也要做到節(jié)省鍛造時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，這就要求在每個(gè)動(dòng)作節(jié)點(diǎn)，壓力機(jī)與機(jī)械手都要有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

      3 、電氣控制系統(tǒng)概述

      熱模鍛壓力機(jī)要與輔助機(jī)械設(shè)備良好配合，實(shí)現(xiàn)鍛壓工藝流程，就需要有控制單元及檢測(cè)元件，另外根據(jù)工藝要求，還必須做好機(jī)械、液壓、電氣間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和邏輯連鎖條件，因此，為了保證該系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行，該控制系統(tǒng)由一個(gè)西門子S7-300 系列CPU 模塊、數(shù)字量輸入和輸出模塊、電源模塊和位置輸入模塊、模擬量輸入輸出模塊等組成，所有開關(guān)量和模擬量信號(hào)均由CPU 進(jìn)行處理，由CPU 完成對(duì)熱模鍛壓力機(jī)工藝流程的邏輯控制，并與系統(tǒng)人機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。PLC的中央處理模塊選用CPU315-2 DP 型，它可適應(yīng)復(fù)雜的大量編程和高速指令處理的要求，該CPU 執(zhí)行一條二進(jìn)制指令僅需0.1 ms，具有128 kB RAM，I/O 擴(kuò)展能力可達(dá)16 K 數(shù)字量或1K 模擬量I/O。CPU 模塊內(nèi)置的遠(yuǎn)程DP接口可通過PROFIBUS DP 電纜直接聯(lián)接遠(yuǎn)程I/O 站ET200M 及觸摸屏，組成分布式現(xiàn)場(chǎng)總線，總線的最大傳輸速率是12 Mbps。該總線結(jié)構(gòu)遵循PROFIBUS DP 協(xié)議，即設(shè)備旁邊的遠(yuǎn)程I/O 從站及觸摸屏到PLC 柜的CPU 之間采用PROFIBUS 通訊電纜連接，這種連接方式的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)電氣元件的電纜就近進(jìn)入從站的I/O 模塊，現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O 從站到電氣室的PLC 柜之間只需連接一根通訊電纜，而不是將所有現(xiàn)場(chǎng)電纜都接入PLC 柜，這樣不僅節(jié)省了大量的電纜，降低工程造價(jià)，而且還減少了故障點(diǎn)，從而降低了設(shè)備運(yùn)行的安全隱患。

      3.1 電氣控制系統(tǒng)組成

                                                 圖 1：PLC 系統(tǒng)硬件配置

  
      3.2 PLC系統(tǒng)控制介紹

     （1）對(duì)壓機(jī)本體上的電磁閥，液壓站閥組，稀油站、干油站電磁閥，離合器與制動(dòng)器的控制，都是由CPU 通過PLC 輸出模塊控制相應(yīng)的繼電器回路，再由繼電器的輔助觸點(diǎn)去控制相應(yīng)的電磁閥通、斷電來完成。操作箱上的數(shù)顯表能夠直接明了的顯示出曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)及下頂料調(diào)整高度。

      （2）主傳動(dòng)電機(jī)、封閉高度調(diào)整電機(jī)、液壓泵電機(jī)、稀油潤(rùn)滑泵電機(jī)、干油潤(rùn)滑泵電機(jī)、循環(huán)泵電機(jī)、模座拖動(dòng)電機(jī)、空壓機(jī)電機(jī)、加熱器的啟動(dòng)停止是通過操作箱上的選擇開關(guān)、操作按鈕等相應(yīng)的元器件，將對(duì)應(yīng)的信號(hào)傳輸給相關(guān)的數(shù)字量輸入模塊，然后由CPU 通過數(shù)字量輸出模塊控制相應(yīng)的繼電器回路，由繼電器的輔助觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)設(shè)備的啟停控制。

      （3）壓機(jī)本體曲軸轉(zhuǎn)角和頂料高度調(diào)整的測(cè)量與控制是通過絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器，將信號(hào)傳給位置輸入模塊，旋轉(zhuǎn)編碼器分別采用單圈絕對(duì)值式和多圈絕對(duì)值式，如果選擇12 位的單圈絕對(duì)值式旋轉(zhuǎn)編碼器，那么它旋轉(zhuǎn)360 度就會(huì)產(chǎn)生4096 個(gè)脈沖，每旋轉(zhuǎn)一周過后會(huì)重新計(jì)數(shù)，通過記錄的脈沖數(shù)，就可以算出當(dāng)前的角度是多少，從而來控制離合器與制動(dòng)器的動(dòng)作，來實(shí)現(xiàn)壓機(jī)滑塊的動(dòng)作；多圈絕對(duì)值式旋轉(zhuǎn)編碼器是同樣的原理，不同的是在旋轉(zhuǎn)一周之后不會(huì)重新計(jì)數(shù)，而是不斷的累加脈沖數(shù)。

      （4）壓機(jī)本體及液壓站有較多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這些檢測(cè)點(diǎn)將溫度信號(hào)、壓力信號(hào)、流量信號(hào)、液位信號(hào)送到模擬量輸入模塊，有4-20mA 的電流信號(hào)、0-10V 的電壓信號(hào)及PT100 等，通過編程計(jì)算后在觸摸屏上反映出各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。如果檢測(cè)到的實(shí)際數(shù)值超過了設(shè)定值，那么將觸發(fā)故障報(bào)警停機(jī)條件，以保護(hù)機(jī)械設(shè)備不受損壞。比如：曲軸溫度檢測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到71 度，超過設(shè)定的70 度，那么機(jī)旁操作箱上的蜂鳴器響起，報(bào)故障的同時(shí)壓力機(jī)停止一切動(dòng)作。
 

      （5）下頂料器的頂出速度如果可調(diào)整，那么將通過PLC 的模擬量輸出模塊，控制比例閥的輸入電壓或電流，來改變比例閥的開口度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度和方向的控制，此功能是可選擇的，一般情況下頂出速度無需調(diào)整，所以大多不選用造價(jià)較高的比例閥控制。

      （6）安裝在壓力機(jī)本體上的噸位儀用來監(jiān)控設(shè)備的受力情況，在四個(gè)立柱的上面安裝有四個(gè)電阻式應(yīng)力貼片，這四塊貼片在受力不同的情況下產(chǎn)生變形不同，導(dǎo)致電阻阻值不同，通過特殊導(dǎo)線連接到噸位儀上，噸位儀顯示出每次鍛造時(shí)四個(gè)立柱的受力情況，如果出現(xiàn)四個(gè)立柱受力不平均的嚴(yán)重偏載情況，噸位儀輸出信號(hào)給PLC，觸發(fā)故障報(bào)警條件，壓力機(jī)停止工作。
 

      3.3 人機(jī)界面系統(tǒng)

      本壓力機(jī)在機(jī)旁操作箱上設(shè)有一臺(tái)12 英寸的觸摸屏，由操作人員對(duì)機(jī)組生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控及診斷。畫面內(nèi)容包括：熱模鍛壓力機(jī)主監(jiān)控畫面，生產(chǎn)工藝參數(shù)輸入畫面，調(diào)整模式畫面，單次模式畫面，故障顯示畫面，故障分類畫面，溫度顯示畫面，曲軸轉(zhuǎn)角畫面，液壓潤(rùn)滑畫面及換模畫面等。本觸摸屏選用西門子MP 系列，人機(jī)界面所采用的軟件是WINCC FLEXIBLE2008 SP2，此軟件具有數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和控制自動(dòng)化過程等功能，并有中文操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全中文操作畫面，便于工作人員使用和維護(hù)。

      4 、軟件編程內(nèi)容

                                       圖 2：壓力機(jī)本體S7-300 程序結(jié)構(gòu)圖
 

      5 、結(jié)束語

     該熱模鍛壓力機(jī)的電控系統(tǒng)以可編程序控制器為核心，硬件配置合理、軟件功能強(qiáng)大，完全實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱模鍛壓力機(jī)工作過程的控制，極大的保證了設(shè)備加工對(duì)象的多樣性、生產(chǎn)節(jié)奏的快速性、運(yùn)行的可靠性。通過實(shí)踐證明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單方便，設(shè)備使用效果良好，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了指定要求。