超大型數(shù)控船用卷板機自動控制系統(tǒng)研究

鄭九華，常 欣，侯加林，錢建新，楊樹田

（1.山東農(nóng)業(yè)大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271018；2.泰安華魯鍛壓機床有限公司，山東 泰安 271000；3.山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院，山東 泰安 271018）

超大型船用卷板機是造船行業(yè)中的高檔數(shù)控設備。隨著造船、石油化工、鍋爐、壓力容器等行業(yè)的發(fā)展，超大型數(shù)控船用卷板機已成為目前卷板機的重要發(fā)展方向之一[1-4]。其控制系統(tǒng)是一個多功能的集成系統(tǒng)，要完成機電液動作控制，實現(xiàn)卷板工藝參數(shù)優(yōu)化、診斷及遠程服務等功能。卷板成形過程是包括輸送架送料、板料對齊、主機工作輥旋轉(zhuǎn)、油缸升降、液壓系統(tǒng)壓力監(jiān)測和床身變形監(jiān)測等運行過程，控制系統(tǒng)的任務就是實現(xiàn)機床集成化、智能化和可視化的自動控制[5-8]。

1超大型數(shù)控船用卷板機工藝系統(tǒng)設計

圖1 超大型數(shù)控船用卷板機工藝系統(tǒng)

超大型數(shù)控船用卷板機工藝系統(tǒng)如圖1所示，要實現(xiàn)快速卷板，要求主油缸運行速度在1000 mm/min以上快速下降，對輸送架送料過程等進行集成控制，以達到高速、同步、精密的要求?？紤]到系統(tǒng)功能擴展和升級換代的需要，采用開放式控制系統(tǒng)，選擇和配置輔助裝置，提高設備的自動化水平、生產(chǎn)效率及系統(tǒng)可靠性。

2 控制系統(tǒng)總體方案設計

根據(jù)超大船用卷板機控制過程需求，設計的控制系統(tǒng)的功能模型如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)分為兩層，上位機實現(xiàn)整機運行控制、工藝參數(shù)智能化、故障診斷和遠程服務；下位機包括機床主機控制器、送料裝置及其他輔助裝置控制器，各控制器除完成各自功能，還需提供各部分狀態(tài)參數(shù)。主機控制器還需采用位移傳感器對油缸位置進行實時檢測，根據(jù)檢測結(jié)果通過液壓系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)，并對整機工作狀態(tài)和安全性進行監(jiān)控等。

圖2 控制系統(tǒng)功能模型圖

上位機采用工業(yè)控制計算機，將機床控制模塊、工藝參數(shù)智能優(yōu)化模塊、故障診斷與預測分析及遠程服務模塊集成于一體。同時與生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行集成，接收生產(chǎn)指令、反饋生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)卷板過程的集中控制和自動化、智能化生產(chǎn)。下位機控制器為PLC，通過現(xiàn)場總線與上位機進行集成，執(zhí)行上位機的控制指令，提供各部件信息反饋，為系統(tǒng)的安全性和狀態(tài)監(jiān)控提供支持?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案圖

3 控制系統(tǒng)分系統(tǒng)設計

超大型船用卷板機控制系統(tǒng)的開發(fā)按照系統(tǒng)數(shù)字化、控制智能化、操作可視化的原則進行，力求技術(shù)先進，功能完善，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)?？刂葡到y(tǒng)主要由超大型船用卷板機工藝參數(shù)智能選擇系統(tǒng)和智能診斷系統(tǒng)組成。設計的具體工作可分為硬件設計和軟件設計兩部分。

3.1 工藝參數(shù)智能選擇系統(tǒng)設計

超大型船用卷板機智能控制技術(shù)主要體現(xiàn)在：加工工藝參數(shù)智能選擇和故障智能診斷與預測。

卷板成形工藝過程的控制涉及到很多參數(shù)，在現(xiàn)有的數(shù)字控制基礎(chǔ)上，通過對卷板加工工藝研究，提出一種與該設備配套的、實用性智能化數(shù)控技術(shù)系統(tǒng)的硬軟件技術(shù)方案。結(jié)合當前網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)和超大型船用卷板機最新發(fā)展趨勢，遵循模塊化、標準化、高可靠性、易擴展、易維護等設計原則，實現(xiàn)工件加工參數(shù)的智能選擇，從而實現(xiàn)工藝優(yōu)化并縮短更換加工產(chǎn)品的時間。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

工藝參數(shù)智能選擇系統(tǒng)設立在設備的工作現(xiàn)場，由傳感器組、監(jiān)控組態(tài)應用程序等部分組成。傳感器負責拾取設備工作過程中的工況參數(shù)，并輸入工控機的實時數(shù)據(jù)庫，然后供監(jiān)控組態(tài)應用程序讀取、處理、分析和顯示，實現(xiàn)對設備狀態(tài)的現(xiàn)場監(jiān)控。其功能模型圖如圖5所示。

圖4 超大型船用卷板機控制系統(tǒng)

圖5 工藝參數(shù)智能選擇系統(tǒng)功能模型

3.2 智能診斷子系統(tǒng)

智能診斷子系統(tǒng)能夠?qū)C床出現(xiàn)的故障進實時報警，并對故障出現(xiàn)的時間及次數(shù)進行存儲，根據(jù)故障類型，向用戶提供故障原因以及維修方法，一些簡單故障，用戶可自行排除，縮短了維修時間。另外，系統(tǒng)還可根據(jù)設備的使用情況，向用戶提供關(guān)鍵部件的維護信息，指導用戶及時對機床進行維護保養(yǎng)。

智能診斷子系統(tǒng)的設計采用基于結(jié)構(gòu)樹的方法，將要進行診斷的設備按組成結(jié)構(gòu)進行逐層分解，直至零件層，形成一棵倒置故障樹。零部件檢測信息構(gòu)成樹上的節(jié)點，賦給每個節(jié)點一定的知識內(nèi)容，例如名稱、型號、參數(shù)、功能以及可能發(fā)生的故障、解決方法等，構(gòu)成知識庫；下一層零部件的故障將導致上一層零部件的不正常工作。根據(jù)這些關(guān)系建立相應的規(guī)則，寫入規(guī)則庫中。系統(tǒng)根據(jù)檢測的故障信息，自動搜索現(xiàn)場規(guī)則庫和知識庫或遠程協(xié)助進行故障診斷，自動提供故障可能的原因與解決辦法。

3.3 控制系統(tǒng)硬件設計

硬件主要是指智能前端和設備控制器。智能前端是運行監(jiān)控軟件的載體，負責機床的狀態(tài)檢測、智能控制和故障診斷任務的執(zhí)行；設備控制器是智能前端與車間設備的通訊模塊，用于提取機床信息、對機床傳達控制命令。

智能前端用工控機，以RS-485標準接口與設備相連，負責與設備的信息交換。智能前端由顯示、鍵盤、電子硬盤、通訊接口、電源等組成。

顯示和鍵盤：考慮到機床的振動對器件的影響，以及車間內(nèi)空間的限制，采用觸摸屏，既可以顯示又可以操作。

電子硬盤：保證數(shù)據(jù)的安全可靠，能夠克服普通硬盤抗振性能差的缺點。

通訊接口：與監(jiān)控系統(tǒng)連接的通訊接口為RS485接口，另外還備有以太網(wǎng)接口，實現(xiàn)與遠程計算機通訊。

電源：電源電壓為24VDC。

設備控制器采用西門子PLC，考慮到組態(tài)的需要，建議同時建立MCGS開發(fā)環(huán)境。采用梯形圖和代碼語言結(jié)合的方式編制PLC用戶軟件。軟件采用兩層結(jié)構(gòu)：底層包括CPU及各功能模塊的程序，底層軟件與上層通訊接口是通信適配器RS485通訊接口，通過這個接口與觸摸屏或工業(yè)PC交換數(shù)據(jù)。

在本方案中PLC通過485接口與觸摸屏工控機通信，工控機完成數(shù)據(jù)采集、控制，監(jiān)視及程序上傳和下載等工作。觸摸屏工控機通過以太網(wǎng)接口與遠程計算機通信，完成機床的遠程監(jiān)控及程序的遠程上傳和下載等工作。

S7-200的具體組成模塊為：中央處理單元CPU、I/O模塊、電源模塊、計數(shù)模塊等。

根據(jù)卷板機控制系統(tǒng)的技術(shù)指標，對各個模塊進行了選擇，如下所述：

基本單元

內(nèi)置存儲容量是8000步RAM，用存儲盒可擴展到16000步；運算處理指令基本指令處理時間是0.08微秒，應用指令處理時間是1.5-數(shù)百微秒。

數(shù)字量輸入/輸出模塊（I/O模塊）。

通信用特殊適配器。PLC以RS-485通訊時要用通訊適配器。

通訊適配器要安裝在特定的通訊功能擴展板上。

電源模塊。

高速計數(shù)模塊。

3.4 控制系統(tǒng)軟件設計

控制軟件采用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)。MCGS組態(tài)軟件是一類專門針對工業(yè)自動化系統(tǒng)及過程的實時監(jiān)視與控制軟件，其應用對象和所執(zhí)行的任務相對固定?？刂栖浖捎媚K化設計，按照功能劃分為：控制邏輯模塊、自診斷模塊和通訊模塊。

控制邏輯模塊是系統(tǒng)軟件的主要框架，由輸入口掃描、控制邏輯處理和輸出口刷新等三大部分組成，實現(xiàn)通信口沖洗、障礙檢測、報警等功能；機床監(jiān)控系統(tǒng)中的核心診斷單元依賴于子系統(tǒng)提供的診斷性數(shù)據(jù)，出現(xiàn)的故障信息被存儲在機床監(jiān)控系統(tǒng)中，這樣，維護人員根據(jù)故障信息可以查出故障成因。當查尋故障時，一個附加的手段是車間監(jiān)控系統(tǒng)顯示系統(tǒng)所有重要信號的狀態(tài)，從而說明了系統(tǒng)在瞬間的操作狀態(tài)和每一步驟的工作狀態(tài)。

自診斷模塊就是根據(jù)當前系統(tǒng)的操作狀態(tài)和工作狀態(tài)，判斷是否存在故障，并顯示診斷性數(shù)據(jù)，再經(jīng)通訊模塊將診斷性數(shù)據(jù)傳送給上位機；通訊模塊負責從站、主站的內(nèi)部通訊及外部通訊。

4 超大型船用卷板機操作可視化技術(shù)研究

隨著控制系統(tǒng)和計算機技術(shù)的發(fā)展，我國工業(yè)的自動化水平有了顯著提高，操作可視化技術(shù)已廣泛應用于工業(yè)控制。

超大船用卷板機系統(tǒng)技術(shù)水平不僅取決于功能的擴展、自動化和智能化水平的提高，簡單快捷而又可靠的操作方式也是機床技術(shù)水平提高的體現(xiàn)。課題新開發(fā)的控制系統(tǒng)參照現(xiàn)代機床控制系統(tǒng)的模式，采用全LED監(jiān)視和鍵盤操作，甩掉傳統(tǒng)的控制按鈕手動操作，采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，開發(fā)基于Windows平臺的控制系統(tǒng)圖形組態(tài)系統(tǒng)，對船卷自動卷板過程實現(xiàn)可視化控制。

超大船用卷板機系統(tǒng)操作包括工藝參數(shù)的設置、各執(zhí)行部分的控制、系統(tǒng)各部分的監(jiān)控、故障診斷與系統(tǒng)維護等。正常工作時類似流程控制，為全自動化方式，可顯示各部分的監(jiān)控狀態(tài)，通過全LED仿真監(jiān)控，使送料卷板過程“看得見”。

5 卷制工藝試驗與數(shù)據(jù)庫的建立

超大船用卷板機的控制系統(tǒng)是一個多功能的集成系統(tǒng)，主要完成主機機電液動作控制，實現(xiàn)卷板工實現(xiàn)工藝優(yōu)化并縮短加工產(chǎn)品的時間，提高加工精度。

圖6 卷制工藝實驗總體方案圖

通過人機對話功能，根據(jù)理論計算結(jié)合數(shù)據(jù)庫，由微控系統(tǒng)自動計算出位移值、壓力值，并找出修正值，實現(xiàn)高精度，高效率的微控卷板功能，實現(xiàn)卷板工藝智能化，達到快速準確卷板。藝參數(shù)優(yōu)化功能。采用工業(yè)控制計算機，將機床控制模塊、工藝參數(shù)智能優(yōu)化模塊等集成于一體，完成理論數(shù)據(jù)的計算，但由于板材非理想化的差別，理論和實際現(xiàn)場數(shù)據(jù)難免有偏差，這就影響智能算法的正確性，影響設備精度和工作效率，要實現(xiàn)設備快速有效的工作要求，必須將理論計算和現(xiàn)場實踐數(shù)據(jù)相結(jié)合，使智能控制算法更接近于使用性，以提高設備的自動化水平、生產(chǎn)效率及系統(tǒng)可靠性。

5.1 卷制工藝試驗總體方案

通過板材實驗機和船用卷板機，對板材進行實驗，建立數(shù)據(jù)庫。圖6為卷制工藝實驗總體方案圖。

5.2 實驗過程

超大型船用卷板機卷制工藝操作智能化，力求技術(shù)先進，功能完善，根據(jù)項目實驗要求，卷制工藝實驗的具體工作可分為板材實驗機實驗和船用卷板機實驗兩部分。根據(jù)項目實驗要求，我們進行了現(xiàn)場實驗，建立了相關(guān)工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。試驗現(xiàn)場圖如圖7、圖8所示，工藝參數(shù)如表1～表3所示。

通過以上卷板加工工藝研究，積累實踐經(jīng)驗，建立相應的數(shù)據(jù)庫，結(jié)合在現(xiàn)有的數(shù)字控制基礎(chǔ)上，遵循模塊化、標準化、高可靠性、易擴展、易維護等設計原則，實現(xiàn)工件加工參數(shù)的智能選擇，從而

圖7 板材實驗機試驗現(xiàn)場

圖8 卷板實驗現(xiàn)場

表1 實測不同半徑參數(shù)變化

表2 板材16 mm試驗實測參數(shù)

表3 板材40 mm試驗實測參數(shù)

6 結(jié)論

針對超大型船用卷板機自動控制系統(tǒng)在集成化、智能化和可視化方面的要求，設計了超大型數(shù)控船用卷板機自動控制系統(tǒng)總體方案，主要取得了以下幾方面的成果：

（1）設計了超大船用卷板機卷制過程的自動控制系統(tǒng)，完成了軟硬件系統(tǒng)的開發(fā)。

（2）設計了全LED仿真監(jiān)控系統(tǒng)，使送料卷板過程“看得見”，從而實現(xiàn)了卷板機操作的簡單、快捷、可靠。

（3）通過卷板加工工藝試驗，建立相應卷制工藝數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了工件加工參數(shù)的智能選擇，從而實現(xiàn)工藝優(yōu)化并縮短加工產(chǎn)品的時間，大幅提高了加工精度。

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