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

      熱模鍛壓力機是借助模具實現(xiàn)金屬熱成型的鍛壓設備。它廣泛應用于汽車、拖拉機、機車、石化、軍工等行業(yè)，是進行大批量、高精度模鍛件生產(chǎn)的首選設備。它可以進行鐓粗、預鍛、終鍛、切邊、沖孔等工序。熱模鍛壓力機的用途非常廣泛，在熱模鍛壓力機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。在熱模鍛壓力機上進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）通過預先引伸方式成型的鍛件，如汽車發(fā)動機的曲軸、前梁等。

       1 、熱模鍛壓力機工作原理

      熱模鍛壓力機主要由壓平機的主機本體、輔助設備、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。壓力機本體采用整體實心鑄造機身， “X”型滑塊導軌，雙點支撐結構，具有剛性好、導向精度高、抗偏載能力強等特點。主電機拖動小飛輪旋轉(zhuǎn)，小飛輪通過皮帶傳動帶動大飛輪，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。當電機經(jīng)過四級啟動電阻啟動完畢后，此時轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速，通過離合器與制動器的配合，使滑塊上下運動，滑塊從上死點運動至下死點再回到上死點為一個工作循環(huán)，上死點也就是滑塊的上極限位，下死點既為滑塊下極限位。壓力機滑塊有兩種工作方式：調(diào)整與單次，調(diào)整工作方式時，滑塊可以點動的停在任何位置；單次工作方式時，踩下腳踏開關，滑塊完成一個工作循環(huán)。由于機械構造的原因，潤滑對熱模鍛壓力機尤為重要，在壓機本體上有多處干油及稀油潤滑監(jiān)測點和溫度監(jiān)測點，如：曲軸干油潤滑、高速軸稀油潤滑、曲軸溫度等，這些監(jiān)測點將開關量信號傳入PLC 控制系統(tǒng)，實時反映各個監(jiān)測點的狀態(tài)，以防止?jié)櫥坏轿粚е聶C械設備損壞。

       2、 工藝流程

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

      3 、電氣控制系統(tǒng)概述

      熱模鍛壓力機要與輔助機械設備良好配合，實現(xiàn)鍛壓工藝流程，就需要有控制單元及檢測元件，另外根據(jù)工藝要求，還必須做好機械、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)能夠長期可靠的運行，該控制系統(tǒng)由一個西門子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，所有開關量和模擬量信號均由CPU 進行處理，由CPU 完成對熱模鍛壓力機工藝流程的邏輯控制，并與系統(tǒng)人機界面進行數(shù)據(jù)通訊。PLC的中央處理模塊選用CPU315-2 DP 型，它可適應復雜的大量編程和高速指令處理的要求，該CPU 執(zhí)行一條二進制指令僅需0.1 ms，具有128 kB RAM，I/O 擴展能力可達16 K 數(shù)字量或1K 模擬量I/O。CPU 模塊內(nèi)置的遠程DP接口可通過PROFIBUS DP 電纜直接聯(lián)接遠程I/O 站ET200M 及觸摸屏，組成分布式現(xiàn)場總線，總線的最大傳輸速率是12 Mbps。該總線結構遵循PROFIBUS DP 協(xié)議，即設備旁邊的遠程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)點是現(xiàn)場電氣元件的電纜就近進入從站的I/O 模塊，現(xiàn)場遠程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，而且還減少了故障點，從而降低了設備運行的安全隱患。

      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）對壓機本體上的電磁閥，液壓站閥組，稀油站、干油站電磁閥，離合器與制動器的控制，都是由CPU 通過PLC 輸出模塊控制相應的繼電器回路，再由繼電器的輔助觸點去控制相應的電磁閥通、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）主傳動電機、封閉高度調(diào)整電機、液壓泵電機、稀油潤滑泵電機、干油潤滑泵電機、循環(huán)泵電機、模座拖動電機、空壓機電機、加熱器的啟動停止是通過操作箱上的選擇開關、操作按鈕等相應的元器件，將對應的信號傳輸給相關的數(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的繼電器回路，由繼電器的輔助觸點實現(xiàn)對相應設備的啟停控制。

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

      （4）壓機本體及液壓站有較多的監(jiān)測點，這些檢測點將溫度信號、壓力信號、流量信號、液位信號送到模擬量輸入模塊，有4-20mA 的電流信號、0-10V 的電壓信號及PT100 等，通過編程計算后在觸摸屏上反映出各個監(jiān)測點的實時狀態(tài)。如果檢測到的實際數(shù)值超過了設定值，那么將觸發(fā)故障報警停機條件，以保護機械設備不受損壞。比如：曲軸溫度檢測點溫度達到71 度，超過設定的70 度，那么機旁操作箱上的蜂鳴器響起，報故障的同時壓力機停止一切動作。
 

      （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，從而實現(xiàn)對速度和方向的控制，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較高的比例閥控制。

      （6）安裝在壓力機本體上的噸位儀用來監(jiān)控設備的受力情況，在四個立柱的上面安裝有四個電阻式應力貼片，這四塊貼片在受力不同的情況下產(chǎn)生變形不同，導致電阻阻值不同，通過特殊導線連接到噸位儀上，噸位儀顯示出每次鍛造時四個立柱的受力情況，如果出現(xiàn)四個立柱受力不平均的嚴重偏載情況，噸位儀輸出信號給PLC，觸發(fā)故障報警條件，壓力機停止工作。
 

      3.3 人機界面系統(tǒng)

      本壓力機在機旁操作箱上設有一臺12 英寸的觸摸屏，由操作人員對機組生產(chǎn)工藝參數(shù)進行設定、對設備狀態(tài)進行實施監(jiān)控及診斷。畫面內(nèi)容包括：熱模鍛壓力機主監(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，液壓潤滑畫面及換模畫面等。本觸摸屏選用西門子MP 系列，人機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)控和控制自動化過程等功能，并有中文操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)全中文操作畫面，便于工作人員使用和維護。

      4 、軟件編程內(nèi)容

                                       圖 2：壓力機本體S7-300 程序結構圖
 

      5 、結束語

     該熱模鍛壓力機的電控系統(tǒng)以可編程序控制器為核心，硬件配置合理、軟件功能強大，完全實現(xiàn)了對熱模鍛壓力機工作過程的控制，極大的保證了設備加工對象的多樣性、生產(chǎn)節(jié)奏的快速性、運行的可靠性。通過實踐證明，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、維護簡單方便，設備使用效果良好，產(chǎn)品質(zhì)量達到了指定要求。