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為核心的電控系統的組成結構，具體控制功能實現的過程，闡述該系統人機界面組態配置及程序編制主要內容，指出系統的設計要點。
熱模鍛壓力機是借助模具實現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，是進行大批量、高精度模鍛件生產的首選設備。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、潤滑系統、氣動系統和電氣控制系統組成。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，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。當電機經過四級啟動電阻啟動完畢后，此時轉速達到額定轉速，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，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：調整與單次，調整工作方式時，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。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測點和溫度監測點，如：曲軸干油潤滑、高速軸稀油潤滑、曲軸溫度等，這些監測點將開關量信號傳入PLC 控制系統，實時反映各個監測點的狀態，以防止潤滑不到位導致機械設備損壞。
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，同時也要做到節省鍛造時間，提高生產效率，這就要求在每個動作節點，壓力機與機械手都要有實時數據交換。
3 、電氣控制系統概述
熱模鍛壓力機要與輔助機械設備良好配合，實現鍛壓工藝流程，就需要有控制單元及檢測元件，另外根據工藝要求，還必須做好機械、液壓、電氣間的狀態轉換和邏輯連鎖條件，因此，為了保證該系統能夠長期可靠的運行，該控制系統由一個西門子S7-300 系列CPU 模塊、數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，并與系統人機界面進行數據通訊。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 數字量或1K 模擬量I/O。CPU 模塊內置的遠程DP接口可通過PROFIBUS DP 電纜直接聯接遠程I/O 站ET200M 及觸摸屏，組成分布式現場總線，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，這種連接方式的優點是現場電氣元件的電纜就近進入從站的I/O 模塊，現場遠程I/O 從站到電氣室的PLC 柜之間只需連接一根通訊電纜，而不是將所有現場電纜都接入PLC 柜，這樣不僅節省了大量的電纜，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 電氣控制系統組成
傳動系統初步設計方案是在滿足鍛件熱處理生產線和設備運轉方案要求、盡量降低工程的一次投資、有效控制運行成本、獲得最好的性價比為目標的前提下做出的。該熱模鍛壓力機的電控系統由一臺1600A 框架斷路器控制提供電源，壓力機主電機為470KW 的三相繞線式電機，采用轉子串接四級啟動電阻，分級切除啟動方式，為了保證電機軟特性及15%的滑差率，轉子常接一級電阻。液壓站的工作泵傳動電機和循環泵電機及加熱器、潤滑站工作泵傳動電機、封閉高度調整電機、模座拖動電機及下頂料高度調整電機均采用交流接觸器控制。壓力機自動化控制系統主要由可編程序控制器（PLC）、工業現場總線（PROFIBUSDP網）、觸摸屏、編程器、壓機上檢測元件及打印機組成。本系統的遠程I/O 站由2 套ET200M 組成，分別放置在PLC 柜及操作箱內，與主站構成基礎自動化系統PROFIBUS-DP 通訊網絡的主干。ET200M 是一個模塊化的I/O站，在它上面可以直接使用S7-300 可編程序控制器主站的輸入輸出信號模塊。由于可接入模塊范圍很廣，因此ET200M 可以完成各種特殊和復雜的任務。PLC 柜內主機架包含一個電源模塊，一個CPU 模塊，六個數字量輸入模塊，兩個位置輸入模塊；遠程機架包括有三個模擬量輸入模塊，四個數字量輸出模塊，一個模擬量輸出模塊，及一個觸摸屏。PLC 柜的模塊主要是對接近開關、限位開關、操作箱上的按鈕及各種開關量檢測元件信號進行處理，同時控制所有電磁閥的開閉，完成各個電機的啟動及壓力機滑塊單次與點動的控制；定位模塊通過接收旋轉編碼器的信號，完成對曲軸角度、頂料高度及高度調整的測量；遠程I/O 站機架模塊主要是對液壓站模擬量的測量，如：油箱液位、油路壓力、油溫信號等，還對壓力機本體上的各個溫度監測點的信號進行測量如：壓力機曲軸溫度、主電機繞組溫度等；觸摸屏與遠程I/O 站通過PROFIBUS DP 連接。壓力機硬件組態如圖1 所示。
圖 1：PLC 系統硬件配置
3.2 PLC系統控制介紹
（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。操作箱上的數顯表能夠直接明了的顯示出曲軸轉角度數及下頂料調整高度。
（2）主傳動電機、封閉高度調整電機、液壓泵電機、稀油潤滑泵電機、干油潤滑泵電機、循環泵電機、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字量輸入模塊，然后由CPU 通過數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對相應設備的啟停控制。
（3）壓機本體曲軸轉角和頂料高度調整的測量與控制是通過絕對值旋轉編碼器，將信號傳給位置輸入模塊，旋轉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編碼器，那么它旋轉360 度就會產生4096 個脈沖，每旋轉一周過后會重新計數，通過記錄的脈沖數，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，來實現壓機滑塊的動作；多圈絕對值式旋轉編碼器是同樣的原理，不同的是在旋轉一周之后不會重新計數，而是不斷的累加脈沖數。
（4）壓機本體及液壓站有較多的監測點，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測點的實時狀態。如果檢測到的實際數值超過了設定值，那么將觸發故障報警停機條件，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，觸發故障報警條件，壓力機停止工作。
3.3 人機界面系統
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工藝參數進行設定、對設備狀態進行實施監控及診斷。畫面內容包括：熱模鍛壓力機主監控畫面，生產工藝參數輸入畫面，調整模式畫面，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，此軟件具有數據采集、監控和控制自動化過程等功能，并有中文操作系統，可實現全中文操作畫面，便于工作人員使用和維護。
4 、軟件編程內容
熱模鍛壓力機電氣控制系統的邏輯控制采用Step 7 5.5 編程軟件進行編程，程序功能塊包括：主電機控制，制動器和離合器控制，干油潤滑站控制，曲軸轉角測量及判斷，鍛件和行程計數，事故報警，故障判定，液壓站控制，稀油潤滑站控制，封閉高度調整及下頂料控制，測溫電阻及其它模擬量，控制投入，傳感器檢測，頂料數據及數顯表，換模裝置及空壓機控制。PLC 通過PROFIBUS DP 電纜與觸摸屏連接，另外當壓力機需要與其他設備聯動時，可以直接采用工業以太網或PROFIBUS 總線來完成數據交換，比如此熱模鍛壓力機要與機械手進行配合聯動，完成工件的鍛造，就可以將機械手的控制器通過PROFIBUS 與壓力機的PLC 系統相連接，通過總線通訊來進行數據的交換。壓機本體程序結構如圖2 所示。
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、生產節奏的快速性、運行的可靠性。通過實踐證明，該控制系統運行穩定可靠、維護簡單方便，設備使用效果良好，產品質量達到了指定要求。
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