高速車軸熱加工生產(chǎn)線鋼坯信息管理系統(tǒng)

謝 鑫，劉德榮，陳 楠，鄧通通

（中國聯(lián)合工程公司，浙江杭州310052）

本項目高速車軸生產(chǎn)線年產(chǎn)車軸約4萬根，產(chǎn)品覆蓋客貨車車軸、城軌/地鐵車軸、高速車軸。生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備主要為環(huán)形加熱爐、快鍛液壓機(jī)組、連續(xù)式熱處理線。高速車軸熱加工生產(chǎn)線工藝流程如圖1所示：

圖1 車軸熱加工生產(chǎn)線工藝流程圖

車軸生產(chǎn)線鋼坯信息管理及跟蹤系統(tǒng)主要涉及到MES系統(tǒng)、環(huán)形加熱爐系統(tǒng)（含入爐讀碼裝置）、快鍛機(jī)組（含鍛后矯直）、鍛后連續(xù)熱處理系統(tǒng)（含鍛后冷床及上料掃碼裝置）之間的信息交互及跟蹤。在線采集單件車軸產(chǎn)品在加熱、鍛造、熱處理和成品檢驗環(huán)節(jié)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車軸產(chǎn)品全生命周期跟蹤。

1 系統(tǒng)設(shè)計及硬件的架設(shè)

車軸生產(chǎn)線MES管理服務(wù)器設(shè)置在工廠的自動化信息部機(jī)房，在環(huán)形爐控制室（與鍛機(jī)共用）、連續(xù)熱處理線控制室分別設(shè)置了MES管理工程師站，環(huán)形爐系統(tǒng)設(shè)置信息管理工控機(jī)、入爐讀碼信息管理上位機(jī)、環(huán)形爐PLC，快鍛機(jī)組設(shè)置信息管理服務(wù)器、鍛機(jī)PLC，熱處理線設(shè)置自動貼標(biāo)及掃碼工控機(jī)、熱處理控制PLC。它們之間采用超五類UTP或光纜連接，構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)，在同一網(wǎng)段給每個站點分配獨立的IP地址，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。總體架構(gòu)如圖2所示。

2 各工序之間的數(shù)據(jù)通信及相互約定

2.1 各工序與MES系統(tǒng)的通信

2.1.1 環(huán)形爐與MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信

（1）生產(chǎn)換批時下發(fā)計劃：生產(chǎn)換批時，MES系統(tǒng)下發(fā)生產(chǎn)批信息到環(huán)形爐工控機(jī)，工控機(jī)收到數(shù)據(jù)后存儲在本地生產(chǎn)任務(wù)數(shù)據(jù)庫中。

（2）生產(chǎn)數(shù)據(jù)的讀?。涸谏a(chǎn)過程中，MES系統(tǒng)每隔十分鐘要讀取環(huán)形爐的爐溫、壓力、流量、裝爐支數(shù)、出爐支數(shù)等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，環(huán)形爐的這些生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲在環(huán)形爐PLC中，建立對應(yīng)的DB塊，并實時刷新，由MES系統(tǒng)根據(jù)需要直接讀取即可。

（3）鋼坯信息的讀?。涸诃h(huán)形爐PLC中，針對出爐鋼坯建立獨立的DB塊，當(dāng)對應(yīng)的鋼坯出爐后，環(huán)形爐PLC更新對應(yīng)的DB塊內(nèi)鋼坯信息，并發(fā)送出料信號給MES系統(tǒng)，當(dāng)MES系統(tǒng)收到出爐完成信號，立即到環(huán)形爐相應(yīng)的DB塊中讀取正在出爐的鋼坯的信息。

（4）生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理及報表生成：環(huán)形爐把生產(chǎn)信息及出爐鋼坯信息實時發(fā)送給MES系統(tǒng)，同時，這些信息在環(huán)形爐工控機(jī)上也必須至少保留3個月，本地生成班報表、日報表，而月報表、年報表由MES系統(tǒng)整理生成。

2.1.2 鍛機(jī)與MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信

鍛機(jī)從環(huán)形爐獲取鋼坯件次號以后，利用件次號從MES數(shù)據(jù)庫的計劃列表中讀取計劃信息。待鍛壓完成后，形成鍛壓工序的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，存儲在鍛機(jī)的管理服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，MES系統(tǒng)定時來讀取這些生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以供分析、統(tǒng)計，并形成報表。

2.1.3 連續(xù)熱處理與MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信

（1）熱處理準(zhǔn)備時，操作工在MES工程師站畫面上選擇熱處理批號，同時MES將該批熱處理的設(shè)定代碼發(fā)送給熱處理PLC。當(dāng)上料處工人掛好料以后，掃碼發(fā)送給MES系統(tǒng)，MES校驗該軸是否屬于該熱處理批號，并發(fā)送判斷信號給熱處理。

（2）熱處理掃碼上料時，掃碼機(jī)將車軸號傳輸?shù)絇LC的DB塊中，同時激活MES系統(tǒng)。MES利用車軸號從計劃表中獲取熱處理批號、工藝路徑編號等信息，把這些信息寫入熱處理PLC提供的DB塊中，形成生產(chǎn)工藝。

（3）MES系統(tǒng)根據(jù)熱處理PLC半小時采樣信號及下線信號，從熱處理PLC中讀取半小時爐溫記錄與工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)。其中，進(jìn)出冷床時間記錄與熱處理的時間記錄獨立采集，這些數(shù)據(jù)傳送到MES系統(tǒng)中以后合并成一張表單。

圖2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2.2 環(huán)形爐與快鍛機(jī)的通信

因為鍛機(jī)處鋼坯為高溫紅料，沒法通過掃碼讀取鋼坯信息，鋼坯的識別只能依靠環(huán)形爐與鍛機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。

2.2.1 環(huán)形爐提供給鍛機(jī)的數(shù)據(jù)

環(huán)形爐提供給鍛機(jī)的數(shù)據(jù)為軸坯輸送到位信號、車軸號。依靠這些數(shù)據(jù)來識別來料鋼坯。

2.2.2 鍛機(jī)提供給環(huán)形爐的數(shù)據(jù)

鍛機(jī)提供給環(huán)形爐的數(shù)據(jù)為要料信號、故障信號。當(dāng)環(huán)形爐收到鍛機(jī)的要料信號后，環(huán)形爐自動出料，并將鋼坯輸送至指定位置。環(huán)形爐信息管理及物料跟蹤界面如圖3所示。

圖3 環(huán)形爐信息管理界面

2.3 快鍛機(jī)與熱處理的通信

軸坯鍛壓完成后，經(jīng)過矯直、冷床后，重新自動貼碼。在重新貼碼之前，矯直、冷床環(huán)節(jié)的來料識別及一些連鎖只能依靠快鍛機(jī)與熱處理的數(shù)據(jù)通信。

2.3.1 鍛機(jī)給熱處理的信號數(shù)據(jù)

（1）看門狗信號；

（2）送料連鎖信號，在收到這個信號之前，禁止送料輥運(yùn)行；

（3）送料完成信號，收到這個信號以后，允許送料輥運(yùn)行；

（4）軸坯長度信號，用于冷床內(nèi)對中控制；

（5）車軸ID號；

（6）取料連鎖信號，表示矯直機(jī)取料中，禁止矯直輥運(yùn)行；

（7）矯直完成取料信號，矯直輥允許運(yùn)行。

2.3.2 熱處理給鍛機(jī)的信號數(shù)據(jù)

（1）看門狗信號；

（2）運(yùn)走完成信號、運(yùn)料連鎖信號：送料輥正在運(yùn)行，禁止送料動作；

（3）車軸到位信號：車軸到矯直機(jī)取料位，允許矯直機(jī)取料，沒收到此信號，則禁止取料。

2.4 環(huán)形爐、熱處理線與識標(biāo)系統(tǒng)（掃碼系統(tǒng)）的通信

在環(huán)形爐進(jìn)料端及連續(xù)熱處理線的上料位置設(shè)置識標(biāo)系統(tǒng)，當(dāng)軸坯到達(dá)工序的入口位置，通過識標(biāo)系統(tǒng)掃碼獲得車軸身份證ID號（車軸號），依據(jù)車軸號檢索出該車軸的相關(guān)信息以備本工序使用。

2.4.1 環(huán)形爐與識標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信

（1）環(huán)行爐入爐時，自動識標(biāo)裝置讀取軸坯二維碼，發(fā)送至環(huán)形爐，匹配出當(dāng)前鋼坯的鋼坯信息，形成識標(biāo)結(jié)果及鋼坯信息，接下來進(jìn)行入爐跟蹤。

（2）環(huán)行爐PLC發(fā)送給識標(biāo)裝置的連鎖信號有鋼坯到位信號、掏爐信號（因為此時掏出來的料為高溫?zé)崃希乐棺R標(biāo)掃碼儀的鏡頭被烤壞，識標(biāo)裝置一旦收到掏料信號，會自動把鏡頭縮回保護(hù)）；識標(biāo)裝置發(fā)送給環(huán)形爐PLC的信號為識標(biāo)成功或識標(biāo)失敗信號。

（3）環(huán)行爐上料時如果識標(biāo)掃碼不成功，由操作工根據(jù)現(xiàn)場標(biāo)識的情況進(jìn)行處理，如果能目視識別內(nèi)容，則人工補(bǔ)錄，如果不能人工識別標(biāo)識內(nèi)容，則當(dāng)前鋼坯做下線處理，不允許入爐。

2.4.2 熱處理與識標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信

熱處理上線時，掃碼槍掃描二維碼信息到熱處理系統(tǒng)的PLC指定的DB數(shù)據(jù)塊，由MES系統(tǒng)根據(jù)掃描到的ID號判斷當(dāng)前軸坯是否屬于本熱處理批次之內(nèi)，如屬于本批次，則下發(fā)熱處理工藝所需要的數(shù)據(jù)至熱處理PLC。如果不屬于本批次，則在熱處理上位機(jī)及現(xiàn)場的掃碼終端同步顯示錯誤信息，不允許當(dāng)前軸坯上線，提醒操作工做下線處理。

3 結(jié)語

熱加工是高速車軸生產(chǎn)線中極為重要的一個環(huán)節(jié)，必須對生產(chǎn)過程信息進(jìn)行采集、記錄及保存，以便追溯。通過以太網(wǎng)把環(huán)形爐、快鍛機(jī)組、熱處理、MES系統(tǒng)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)串接起來，各系統(tǒng)之間進(jìn)行快速而可靠的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)驗收使用至今已有將近一年時間，使用可靠穩(wěn)定，實時自動采集加熱、鍛造、熱處理和成品檢驗關(guān)鍵工序的信息，一方面為全線自動化生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)支撐，大大減少了生產(chǎn)線人工的投入，同時實現(xiàn)了車軸產(chǎn)品信息的可追溯性和全生命周期跟蹤管理，為實現(xiàn)智能制造及智能工廠打下了基礎(chǔ)。