基于CC-link/MODBUS網(wǎng)絡(luò)在熱模鍛壓力機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐 麗，馬繼斌，周 鋒

(揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225104)

基于CC-link/MODBUS網(wǎng)絡(luò)在熱模鍛壓力機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐 麗，馬繼斌，周 鋒

(揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225104)

介紹了基于CC-link/MODBUS網(wǎng)絡(luò)在熱模鍛壓力機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。該控制系統(tǒng)應(yīng)用CC-link網(wǎng)絡(luò)，集成高穩(wěn)定性、高性價比、人性化人機(jī)操作等多方面技術(shù)設(shè)計，致力于實(shí)現(xiàn)高精、高效、高環(huán)境友好性的自動化鍛造主機(jī)。

熱模鍛壓力機(jī)；控制系統(tǒng)；CC-link網(wǎng)絡(luò)；MODBUS通訊；抗干擾

近年來，隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，車用小型鍛件需求不斷擴(kuò)大，質(zhì)量要求不斷提高。為此，采用熱模鍛壓力機(jī)，結(jié)合多工位鍛造工藝，配備步進(jìn)式機(jī)械手組成全自動鍛造生產(chǎn)線漸成趨勢。在此形勢下，揚(yáng)力集團(tuán)借鑒國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)市場需求和鍛造行業(yè)現(xiàn)狀，著重研究一種新型熱模鍛壓力機(jī)控制系統(tǒng)，向“精密化、數(shù)字化、高效化、輕量化、低能耗”方向發(fā)展。該控制系統(tǒng)應(yīng)用了CC-link通訊網(wǎng)絡(luò)，集成了高穩(wěn)定性、高性價比、人性化人機(jī)操作等多方面技術(shù)設(shè)計，并可與熱模鍛壓力機(jī)周邊的連線設(shè)備進(jìn)行信號通訊，做到數(shù)據(jù)全面共享。

1 設(shè)計方案

該控制系統(tǒng)采用具有浮點(diǎn)運(yùn)算功能的CPU單元、具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能的工業(yè)人機(jī)界面、高速響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)控制器件、各類高精度溫度傳感器和壓力傳感器、網(wǎng)絡(luò)控制變頻器、網(wǎng)絡(luò)控制器件、帶網(wǎng)絡(luò)通訊的電子凸輪控制系統(tǒng)及封高調(diào)節(jié)顯示裝置，通過CC-link開放式現(xiàn)場總線組建成柔性智能驅(qū)動控制系統(tǒng)。運(yùn)用現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)布線和控制的智能化，充分運(yùn)用集中控制、分散管理理念，并采用傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)的專用傳輸電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信處理，既能大大減低機(jī)床布線的難度，同時提高了數(shù)據(jù)處理速度和整個系統(tǒng)響應(yīng)時間。在柔性智能驅(qū)動系統(tǒng)的控制下，實(shí)現(xiàn)了對潤滑系統(tǒng)的壓力、流量、運(yùn)動副溫度、離合器溫度、主電機(jī)軸承、系統(tǒng)氣壓等關(guān)鍵部位實(shí)現(xiàn)動態(tài)在線監(jiān)控與反饋，智能控制系統(tǒng)能夠及時報警并處置。智能控制系統(tǒng)在控制壓力機(jī)主機(jī)的同時，預(yù)留與周邊設(shè)備如機(jī)械手(或機(jī)器人)、上下料輸送帶、強(qiáng)冷輸送帶、快速換模系統(tǒng)的通信及控制接口，并對模具參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化管理，實(shí)現(xiàn)模具庫管理功能，較大程度地提高整機(jī)生產(chǎn)線自動化水平及工作效率。網(wǎng)絡(luò)控制器件能夠聯(lián)接互聯(lián)網(wǎng)后，提供強(qiáng)大的遠(yuǎn)程故障診斷和維護(hù)功能，使壓力機(jī)的售后服務(wù)更加快捷高效，同時降低了維護(hù)成本。

控制系統(tǒng)包括變頻器、主電機(jī)、Q系列PLC、CC-link主站模塊，MODBUS通訊模塊、RS485通訊模塊，本地輸入模塊、本地輸出模塊、遠(yuǎn)程模擬量模塊，遠(yuǎn)程溫度模塊、遠(yuǎn)程高速計數(shù)模塊、遠(yuǎn)程輸入、輸出模塊。變頻器電源輸出端口與主電機(jī)連接，MODBUS模塊通過專用高速通訊電纜與變頻器、電子凸輪、模高顯示進(jìn)行高速串行通訊，2組遠(yuǎn)程模擬量分別采集3組氣路壓力值及4組噸位值，2組遠(yuǎn)程溫度模擬量模塊分別采集6個通道的溫度值，預(yù)留一組RS485通訊接口，便于客戶進(jìn)行車間智能管理通訊使用。

熱模鍛壓力機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。熱模鍛壓力機(jī)控制系統(tǒng)原理線路圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)控制技術(shù)

本系統(tǒng)通過CC-link現(xiàn)場總線將生產(chǎn)線各部分組成系統(tǒng)進(jìn)行集成控制，充分利用集散控制原理和思路，將快速換摸中心、步進(jìn)梁機(jī)械手、自動噴霧潤滑裝置及熱模鍛壓力機(jī)進(jìn)行集中控制，對諸多關(guān)鍵控制對象實(shí)現(xiàn)分散管理，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)三級管理，即操作層管理、車間管理層管理、公司決策層管理。本系統(tǒng)應(yīng)用到的集成控制技術(shù)介紹如下。

2.1 CC-link現(xiàn)場總線技術(shù)

圖1 熱模鍛壓力機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖

CC-link是以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)CC-link網(wǎng)絡(luò)由主站、本地站、遠(yuǎn)程從站組成。主站CC-link通訊具有高速數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)10Mbps，采用瞬時傳送的數(shù)據(jù)通訊方式將控制對象的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳遞。本地站包括有2個本地輸入模塊，主要采集周邊設(shè)備連線輸入信號，例如步進(jìn)梁機(jī)械手的握手信號、自動鍛造中心熱模鍛壓力機(jī)控制裝置或部件的輸入信號、快速換摸中心的握手信號等；1個本地輸出模塊，主要控制周邊設(shè)備連線輸出信號。5個遠(yuǎn)程智能從站有2個遠(yuǎn)程溫度模塊、2個遠(yuǎn)程模擬量模塊、1個遠(yuǎn)程高速計數(shù)模塊、2個遠(yuǎn)程輸入模塊及2個遠(yuǎn)程輸出模塊及組成。2個遠(yuǎn)程溫度模塊接收安裝在熱模鍛壓力機(jī)連桿部位、機(jī)身套、高速軸承部位的6個溫度傳感器，加上主電機(jī)軸承處2個溫度傳感器傳輸信號，實(shí)時讀取上述關(guān)鍵部位的溫度值，通過CC-link網(wǎng)絡(luò)傳送至CPU，CPU與人機(jī)界面通過以太網(wǎng)方式進(jìn)行通訊，在人機(jī)界面實(shí)時顯示，且可以設(shè)置溫度上限報警值，隨時監(jiān)控關(guān)鍵運(yùn)動副的溫度變化情況；2個遠(yuǎn)程模擬量模塊分別接收來自噸位計和壓力傳感器的信號，噸位計通過安裝在熱模鍛壓力機(jī)4個立柱內(nèi)側(cè)的應(yīng)變傳感器將信號傳送給遠(yuǎn)程模擬量模塊，遠(yuǎn)程模擬量模塊通過CC-link網(wǎng)絡(luò)傳送給CPU，在人機(jī)界面實(shí)時顯示，且可以設(shè)置噸位上限報警值，隨時監(jiān)控?zé)崮ｅ憠毫C(jī)實(shí)際沖裁噸位變化情況；安裝在熱模鍛壓力機(jī)離合器、制動器氣缸回路上的壓力傳感器將離合器、制動器氣缸內(nèi)的氣壓變化情況實(shí)時傳輸給遠(yuǎn)程模擬量模塊，再通過CC-link網(wǎng)絡(luò)輸送給CPU，在人機(jī)界面實(shí)時顯示。1個高速計數(shù)模塊將安裝在電機(jī)輸出軸側(cè)的高速計數(shù)傳感器信號實(shí)時輸送至高速計數(shù)模塊，遠(yuǎn)程計數(shù)模塊通過CC-link網(wǎng)絡(luò)傳送給CPU，對電機(jī)轉(zhuǎn)速起到實(shí)時監(jiān)控的目的，當(dāng)電機(jī)失速過大時，啟動保護(hù)程序，確保沖壓能力。10個遠(yuǎn)程I/O從站分別接收來自熱模鍛壓力機(jī)控制輸入信號輸出信號，如各種開關(guān)、按鈕、指示燈、各類氣路壓力開關(guān)輸入信號、電子凸輪角度輸入信號、各類電磁閥、各類油路壓力開關(guān)信號、各類限位傳感器信號等。

圖2 熱模鍛壓力機(jī)控制系統(tǒng)原理線路圖

2.2 MODBUS通訊技術(shù)

MODBUS協(xié)議具有偵錯能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸量大、實(shí)時性好等特點(diǎn),因而成為目前自控領(lǐng)域使用非常廣泛的通訊語言。本系統(tǒng)MODBUS通訊協(xié)議主要用于變頻器、電子凸輪控制裝置及模高顯示裝置與系統(tǒng)CPU的通訊。變頻器裝置主要改變電動機(jī)的頻率，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的無級變速，從而達(dá)到熱模鍛壓力機(jī)的行程次數(shù)可調(diào)。CPU可實(shí)時讀取變頻器內(nèi)電壓、電流、頻率、故障等重要參數(shù)，也可以在人機(jī)界面中實(shí)時設(shè)置變頻器的運(yùn)行頻率。電子凸輪控制裝置主要通過旋轉(zhuǎn)編碼器采集熱模鍛壓力機(jī)偏心軸的角度位置，該裝置具有實(shí)時監(jiān)控和計算功能，能將熱模鍛壓力機(jī)離合/制動角進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控并計算提前角度，實(shí)現(xiàn)熱模鍛壓力機(jī)自動停上死點(diǎn)功能。將角度信號實(shí)時傳送至系統(tǒng)CPU，并實(shí)現(xiàn)角度值在線讀取功能。模高顯示裝置通過編碼器與熱模鍛壓力機(jī)裝模高度調(diào)節(jié)裝置連接，實(shí)時采集裝模高度變化值并反饋給系統(tǒng)CPU。

2.3 工業(yè)以太網(wǎng)組態(tài)技術(shù)

以太網(wǎng)具有成本低、用戶多、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn),這使得工業(yè)以太網(wǎng)成為控制系統(tǒng)中受歡迎和支持的通信方式。本系統(tǒng)采用Ethernet/IP以太網(wǎng)形式用以人機(jī)界面與熱模鍛壓力機(jī)CPU的通訊，能快速、實(shí)時讀取和設(shè)定CPU內(nèi)部寄存器值。例如：顯示電動機(jī)運(yùn)行頻率、電壓、電流、溫度、噸位、氣壓等模擬量值，設(shè)定電動機(jī)工作頻率、溫度報警值、噸位報警值等。

2.4 PLC與變頻器采用雙回路控制

PLC與變頻器采用了雙回路控制，1回路為外部控制，通過PLC的輸出模塊給變頻器發(fā)出正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動、停止信號，電機(jī)可以勻速工作；2回路為通訊控制，基于以太網(wǎng)通訊，將人機(jī)界面與PLC連接；基于MODBUS通訊，PLC與變頻器連接，在人機(jī)界面中可以根據(jù)工況需要設(shè)定變頻器頻率，精度高達(dá)0.1Hz，主電機(jī)無級調(diào)速工作。單1外部控制，變頻器工作頻率為模擬量輸入，設(shè)定不精確；單2通訊控制，當(dāng)通訊受到干擾時，變頻器工作不穩(wěn)定，外部操作無法控制，存在安全隱患。上述方案既解決了變頻器設(shè)定的精確性又保證了外部操作的安全性。

3 結(jié)束語

至此，一種新型熱模鍛壓力機(jī)的控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。后期研發(fā)中將人機(jī)界面的人機(jī)對話可做得更加柔性,例如潤滑設(shè)定界面、潤滑各分油點(diǎn)監(jiān)控畫面、模具存儲功能等，方便客戶操作與維修,交、直流接地隔離，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

[1] 李忠民.熱模鍛壓力機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[2] 廖常初.PLC編程與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3] 劉沛津，谷立臣，韓 行，等.基于MODBUS/TCP的火電廠實(shí)時數(shù)據(jù)集成及網(wǎng)絡(luò)通信控制器研制[J].電力自動化設(shè)備，2009，29(8)：128-131.

[4]Q系列CC-Link網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[Z].三菱電機(jī)自動化有限公司，2014.

[5]Q系列微型可編程控制器用戶手冊 [Z].三菱電機(jī)自動化有限公司，2014.

[6]Q系列微型可編程控制器用戶手冊 [Z].三菱電機(jī)自動化有限公司，2014.

[7]電子凸輪MODBUS通訊協(xié)議 [Z].揚(yáng)州大祺自動化有限公司，2016.

The application of CC-link/MODBUS web in control system of hot forging press

XU Li,MA Jibin,ZHOU Feng
(Jiangsu Yangli Group Co.,Ltd.,Yangzhou 225104,Jiangsu China)

In combination with the market demand and forging industry status,the development of automatic forging mainframe with high precision,high efficiency and high environmental friendliness has been paid attention to.The CC-link web has been applied into the control system.The high stability,high performanceto-priceratio and human-oriented operation have been designed.

Hot forging press;Control system;CC-link web;MODBUS communication;High anti-interference

TG315.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.010

1672-0121(2017)05-0034-04

2017-04-08；

2017-05-15

徐 麗(1980-)，女，電氣工程師，從事壓力機(jī)電氣設(shè)計。E-mail：yanglixuli@163.com