（材料加工工程专业论文）基于组态技术的立式轧环机测控系统研究.pdf

武汉理工大学硕：上学位论文 摘要 环件轧制是制造各尺寸和形状的高精度无缝环件的先进制造技术，与整体 模锻成形工艺相比，环件轧制具有节能、节材、生产效率高、生产成本低、产 品范围广等主要特点。立式轧环机是生产中小型坏件的常用设备，广泛应用于 外径1 0 0 0 m m 以内环件的生产。 要提高环件产品的产量和质量，离不开轧环过程的可靠高效运行。在实际 生产中，立式轧环主要靠人工控制，对个人经验的依赖性强，效率低下，因此 将p l c 技术与组态控制技术引入环件轧制过程控制十分必要。p l c 构成简单、 配置灵活、编程方便、可靠性好，能适用于不同类型的控制对象和各种复杂的 环境。工业组态软件具有良好的测控功能对轧环过程重要参数进行监测与控制， 能保证环件轧制的安全高效运行；同时组态软件强大的数据处理功能和通信功 能，是实现轧环过程现代化信息管理的必要条件。 本文针对d 5 i 3 5 0 型立式轧环机，采用基于工业自动化组态软件的微机控 制技术，结合p l c 技术与传感器技术构建了立式轧环机测控系统。本系统具有 数据采集、趋势分析、监测报警、系统控制、数据处理、参数设计、报表输出 等功能。在环件轧制过程中，能够将生产现场的数据实时采集到上位机，在趋 势分析界面直观反映整个环件轧制的生产过程情况。控制系统与外部数据库相 连，能实现生产过程所产生的各种数据的在线存储、查找与调用。在实际生产 过程中，相关的轧制工艺参数，操作人员可以手动输入，也可以从数据库中调 用，还能通过参数设计模块直接生成，实现了操作的自动化。系统对整个环件 轧制过程实时监控，一旦出现异常及时报警并采取相关措施，保证了生产的安 全进行。 关键词：立式轧环机；组态；测控；数据库；参数设计 a b s t r a c t r i n gr o l l i n gi st h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fm a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o n s e a m l e s sn n go fv a r i o u ss i z e sa n ds h a p e s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y ，i t h a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss a v i n gf o r m i n gf o r c ea n d p r o d u c t i o nc o s t ，i n c r e a s i n g u t i l i z a t i o nr a t i oo f e n e r g ya n dm a r t i a l ，r i s i n g p r o d u c t i v i t y w i d e n i n gp r o c e s s i n gr a n g e o fn n g p r o d u c te t c v e r t i c a lr i n gr o l l i n gm i l li st h ec o m m o nm a c h i n ef o rp r o d u c i n g s m a l la n dm e d i u ms i z er i n g s ，w h i c hw i d e l yu s e di nt h ep r o d u c t i o no ft h e r i n g sw h i c h o u t s i d ed i a m e t e r1 e s st h a n10 0 0 m m t oi m p r o v et h e y i e l da n dq u a l i t yo fr i n g s ，ar e l i a b l ea n de f f i c i e n tr i n gr o l l i n g p r o c e s si si n d i s p e n s a b l e i nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ，v e r t i c a lr i n gr o l l i n gm a i n l y r e l yo n m a n u a lc o n t r o l ，w h i c h d e p e n d e n c eo np e r s o n a le x p e r i e n c e ，w i t hi n e f f i c i e n t p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y c o n s e q u e n t l y ，t oi n t r o d u c ep l c t e c h n o l o g ya n dc o l l f i g i | r a t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g yt ot h er i n gr o l l i n gp r o c e s sc o n t r o li sv e r y n e c e s s a r y t h ep l ch a s t h ea d v a n t a g eo fc o n s t i t u t es i m p l e ，c o n f i g u r a t i o n f l e x i b l e ，p r o g r a m m i n gc o n v e n i e m ， o p e r a t i o nr e l i a b l ee t c ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt od i f f e r e n tt y p e so fc o n t r o lo b j e c t sa n d v a r i e t yo fc o m p l e xe n v i r o n m e n t s i n d u s t r i a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ed e p e n d e n c eo n i t7 s m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lf u n c t i o nc a na c q u i r ea n d s u p e r v i s et h ei m p o r t a n t p a r a m e t e r so ft h er i n gr o l l i n gp r o c e s s ，a n de n s u r et h es a f ea n de f f i c i e n to p e r a t i o no f t h er i n gr o l l i n g f u r t h e r m o r e ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eh a st h ep o w e r f u ld a t a p r o c e s s i n g a n dc o m m u n i c a t i o n sf u n c t i o n s ，w h i c h i st h en e c e s s a r yc o n d i t i o nt or e a l i z et h e m a n u f a c t u r i n gm o d e r n i z a t i o na n di n f o r m a t i o n m a n a g e m e n to ft h er i n gr o i l i n g p r o c e s s i nt h i sp a p e r ，b a s e do n c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r em i c r o c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y ， c o m b i n e dw i t hp l c t e c h n o l o g ya n ds e n s o rt e c h n o l o g y ，t h ev e r t i c a lr i n gr o l l i n gm i l l m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mw o r kf o rd 5 1 - 3 5 0w a sb u i l t t h em o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e mh a st h ef u n c t i o no fd a t ac o l l e c t i o n ，t r e n da n a l y s i s ，a l a r m m o n i t o r i n g ， s y s t e mc o n t r o l ，d a t ap r o c e s s i n g ，p a r a m e t e r sd e s i g na n dr e p o r to u t p u te t c i nt h er i n g r o l l i n gp r o c e s s ，t h ep r o d u c t i o ns i t ed a t ac a l lb er e a l t i m ea c q u i r et ot h ep c ，t 0r e f l e c t t h ee n t i r e n n gr o l l i n gp r o d u c t i o np r o c e s s i n t u i t i v e l y i nt h et r e n d a n a l y s i s n 武汉理工大学硕士学位论文 i n t e r f a c e t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mc o n n e c t e dt ot h ee x t e r n a ld a t a b a s e ， t h r o u g hw h i c hv a r i e t yo fd a t ag e n e r a t e di np r o d u c t i o np r o c e s sc a n b eo n l i n ef o u n d ， c a l l e da n ds t o r i e d i nt h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h er o l l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sn o t o n l yc a nb ei n p u t t e dm a n u a l l y ， b u ta l s oc a nb ec a l l e df r o mt h ed a t a b a s eo rg e n e r a t e d d i r e c t l yt h r o u g ht h ep a r a m e t r i cd e s i g nm o d u l e ，w h i c hh e l p st h es y s t e ma c h i e v et h e a u t o m a t i o no p e r a t i o n s t h ee n t i r er i n gr o l l i n gp r o c e s sh a sb e e nm o n i t o r e dr e a l - t i m e ， o n c et h ea b n o r m a li s s u e so c c u r r e ds y s t e mr a i s e dt h ea l a r ma n dt o o km e a s u r e st i m e l y t oe n s u r et h es a f e t yo ft h ep r o d u c t i o n k e y w o r d ：v e r t i c a lr i n gr o l l i n gm i l l ；c o n f i g u r a t i o n ；m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ；d a t a b a s e ；p a r a m e t r i cd e s i g n i i i 1 1 引言 第1 章绪论 环件轧制( 又称环件辗扩、辗环) 是制造各尺寸和形状的高精度无缝环件的 先进制造技术【。环件轧制利用轧环设备使环件壁厚减小、直径扩大、截面 轮廓变形，与传统的环件自由锻工艺、模锻工艺以及火焰切割工艺相比较，具 有以下显著优点【3 5 】： ( 1 ) 大幅降低设备吨位。环件轧制成形过程是局部加压连续小变形的积累， 工件与轧辊的接触面积小，变形工艺力小，因此所需设备吨位小。 ( 2 ) 节材节能。利用环件轧制工艺生产的工件，没有切削去料的过程，截 面形状更接近于成品，与传统加工工艺相比材料利用率提高2 0 以上。而减少 加工工序也减少了加工成本，降低了能源的消耗。 ( 3 ) 产品质量好。环件轧制没有金属纤维的切断，金属纤维沿环件圆周方向 均匀分布，材料内部组织致密，晶粒细化，耐磨性、力学强度和疲劳寿命等都 要明显高于其他加工方法生产的环件。 ( 4 ) 劳动条件好，生产率高。环件轧制过程无冲击、振动小，噪声低，大大 改善了劳动环境。同时，环件轧制劳动强度低，易于机械化和自动化。环件轧 制速度通常为0 4 r r d s 1 6 r n s ，轧制周期为l o s 一3 6 s ，最大生产率1 0 0 0 件1 1 ，大 大高于其他方法加工环件的生产率。 因此环件轧制广泛应用于齿轮环、轴承环、法兰环、燃汽轮机环、火车车 轮及轮箍等各类无缝环件的制造，在机械、汽车、火车、船舶、石油化工、航 空航天、原子能等许多工业领域中发挥着巨大的作用1 1 j 1 。 1 2 轧环机发展历史及现状 轧环机又称辗环机、扩孔机，是加工高质量无缝环件的先进设备，按轧制 力方向分为径向轧环机与轴径向轧环卡几f 1 1 。 轧环机的发明与发展与近代铁路运输的飞速发展密切相关，有着很长的发 展历史。1 8 4 2 年，第一台径向热轧环机诞生于英国；并于1 8 5 0 年制造了径 轴向热轧环机【】。美国m i d v a l e & o r d a r l a n e e 公司在1 9 0 0 年提出了辗环工艺， 1 9 0 6 年制成了s l i c k 辗环机，1 9 2 0 年获美国专利f 8 】。该机可用铸钢坯直接生产 大型车轮坯，并可与其他设备组成车轮半自动生产线。1 9 2 0 年，德国的蒂森机 器公司( 公司始建于1 8 6 5 年) 瓦格纳工厂开始研发制造环件轧制设备并应用于 生产，其开发的c n c 环件轧机具有o c s ( o p e r a t o rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 和 c a r ( c o m p u t e r a i d e dr o l l i n g ) 系统，实现了环件生产过程的计算机自动控制1 9 1 。 截止2 0 0 0 年，瓦格纳公司销往世界各国的轧环机已达4 0 多万台，在轴径向 大型环件轧制设备的研发方面居于世界领先地位。2 0 世纪8 0 年代，日本的共 荣精工公司和德国p r o f i r o l lt e c h n o l o g i e s 公司先后开发了c r f 型和u r w a 型 冷轧环机【3 1 ，成为国际冷轧环机市场的主要生产厂商。日本共荣精工的c r f 型 冷辗扩设备采用液压驱动，卧式布局，结构紧凑。其加工工艺分为“先辗后车” 和“先车后辗”两种f 1 0 】，即“热锻一退火一喷丸冷辗扩一车加工”和“热锻一退火 一喷丸一车加工一冷辗扩”。成型后经过整径工艺，换件尺寸精度较高 i h 4 】。 u r w a 系列冷轧环机【1 5 1 结构采用对称设计，各部件立式安排，最大限度的节约 了空间。采用c n c 控制并装备有程序化的操作者提示功能和机械上下料系统， 可实现环件的自动生产，下辖5 个型号，可生产最大直径8 0 m m 3 5 0 m m 的冷 轧环件。 我国在2 0 世纪5 0 年代开始应用环件轧制技术生产轴承环，1 9 5 9 年在上 海建立了空气锤压力机- 车l 环机的热轧轴承环生产线1 3 】。现在，环件轧制技术 已经成为机械零件生产的高效、先进和主要的工艺方法之一，受到越来越广泛 的认识。2 0 世纪8 0 年代以来，武汉理工大学、济南铸锻研究所、洛阳轴承研 究所等单位先后开始研制计算机控制的先进轧环机1 1 5 - 1 9 1 。洛阳轴承研究所、洛 阳国投精密机械有限公司在d 5 5 m 型的基础上，先后开发出了d 5 6 g 系列共4 个品种的数控精密冷轧环机1 1 5 - 1 7 】，采用开式辗扩、水平布置的形式，通过多辊 支撑保证辗扩刚性。用一对小滑块引导芯辊的运动，带有圆度控制辊以利于辗 扩过程的稳定进行和圆度的控制。可以轧制最大外径外径为5 2 n 1 1 i n 1 2 0 m m 的 轴承环，产品达到国内领先水平。济南铸造锻压机械研究所有限公司研制的 d 5 3 k 型径轴向卧式数控轧环机获得成功，标志着我国开始拥有大型卧式数控 热轧环装备的制造能力【1 8 i 。五洲精密冷成型技术有限公司与武汉理工大学联合 开发了c r m 2 2 0 冷轧环机f 19 1 ，该设备采用伺服电机强力滚珠丝杠精密进给装 置和轧环过程在线测量进给系统，可以实现外径为2 2 0m m 的轴承环的精密轧 制成形。 1 3 轧环微机控制技术发展现状及存在的问题 环轧设备微机控制的研究始于8 0 年代初期1 2 们，其坏轧过程的所有动作可 2 由计算机控制完成，并能通过压力信号的在线检测实现径向和轴向轧制运动的 伺服进给，计算机控制的全自动轧机包括模具选择、工艺分析、过程自动控制 与优化、数据记录与处理等。 为了提高环件轧制生产的自动化程度与所加工环件质量，d y y a n g 等人【2 l l 采用单台微机，开发出轧制c a m 系统，可实现过程设计、过程控制与自动上 下料的自动化；t n o d a 2 2 】等人用两台微机控制生产线，一台用于压机制坯控制， 另一台用于环轧机的自动控制；h d c h o i 2 3 j 等人采用自适应的控制方法对径轴 向轧环机* l n 过程中的几何参量的控制进行了研究，为环件轧制过程参量的设 置提出了自适应优化方法；日本学者k t a k a a k i l 2 4 】对轧环机芯辊的控制方法和 控制策略进行了研究，对芯辊进给速度的快速响应和换挡提出了解决方法。此 外，在德国钢铁工程师协会环件轧制委员会以及生产厂家的大力支持下， r k o p p t 2 5 - 2 8 1 等人在环件轧制的在线控制方面也进行了大量的研究。 国内武汉理工大学的华林、朱春东、黄尚宇等学者1 3 1 - 3 5 】研究了0 5 0 0 型辗 扩机测控系统中进行尺寸数字控制的方法，使该机在汽车后桥伞齿轮生产中， 尺寸精度误差达到o - a ：l m m 。蒋日东等人【3 6 l 对环件轧制的变形几何区进行了 定性及定量分析，推导了诸过程参数之间的运动学关系对过程控制中液压伺服 系统与电机伺服系统的动力学方程及相应的控制策略进行了分析讨论，在进行 数值计算的同时，能进行过程数据与图形的动态显示。武汉理工大学的华林、 汪小凯【1 8 l 建立了d 5 1 - 3 5 0 立式热轧环机在线测量的数学模型，开发了立式热轧 环机的数控系统，使该机主滑块定位精度控制在士o 2 m m 以内，环件尺寸精 度误差达到o d ：l m m 。 近年来随着国内外的众多学者将有限元法应用于环件* l n 的过程中，这些 工作为开发出集变形分析与工艺计算和过程控制于一体的环件轧制计算机辅 助分析系统打下了坚实基础。国内学者解春雷等人【3 7 1 提出基于宏观量与分布量 结合的最优环轧过程控制策略，采用刚粘塑性动力有限元模拟环轧动态过程， 获得轧制过程中的分布量计算结果，结合环轧的运动关系和动力学方程等宏观 量模型，确定最合理的轧制规程，将模拟的最佳* l s j 力曲线转换为压力辊运动 的等效速度曲线，控制压力辊使其按预定的速度曲线运动，从而提出环轧过程 最优控制器的设计方法。英国剑桥大学的j m a l l w o o d 教授等人1 3 s - 3 9 】从环件轧 制设备开发、实验研究、理论研究和数值模拟多个方面对环件轧制工艺进行了 总结和分析，近年来提出采用柔性化制造技术应用到环件轧制过程中，制造虚 拟轧制平台，从而实现对轧环机和轧制工艺的改造和优化。 经过近3 0 年的发展用于轧环设备的控制系统已经逐步成熟，功能也越来 越强大，但是各种控制系统依然存在着一些缺陷与不足。武汉理工大学的华林、 朱春东、黄尚宇等开发的用于 5 0 0 齿轮毛坯辗扩机的微机控制系统采用富士 的n b l p 5 6 型p l c 作为主控单元能够实现毛坯辗扩机的包括快进、工进以及 回程等各种动作。但仅使用了p l c 与控制按钮接线以实现其具体的控制动作， 而没有使用上位机，开放性较差，并不具备以后升级和兼容的能力。所编写的 p l c 控制程序只适用于一种类型的环件。因此若需要更改环件的加工工艺参数 或者对加工另一型号尺寸的环件，则需修改p l c 的程序，这会造成时间巨大 的浪费。同时没有人机界面，系统和操作人员的交互性也较差；没有显示屏， 无法实时观察环件轧制过程；对相关操作人员的专业知识也要求较高。d 5 1 3 5 0 立式热轧环机控制系统增加了人机界面，使用三菱专用的触摸屏程序。操作人 员可以在人机界面中进行工艺参数的设定，并能实时显示各轧辊位置和环件当 前外径等信息。但在将上位机引入轧环设备的控制系统仅做了初步的尝试，所 开发的上位机控制软件功能也还不十分成熟。 1 4 本文主要研究工作 1 4 1 研究目的与意义 随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业控制领域广泛应用。凭借 丰富的软件资源和硬件资源，工业p c 相比以前的专用系统具有的优势日趋明 显。作为通用的监控软件，组态软件都能提供对工业自动化系统进行监视、控 制、管理和集成等一系列功能。因此将组态控制技术引入环件轧制过程控制， 利用工业组态软件良好的监控功能对轧环过程重要参数进行监控，能保证环件 轧制的安全高效运行；同时组态软件强大的数据处理功能和通信功能，是实现 轧环过程现代化信息管理的必要条件。 1 4 2 研究目标 本论文的主要研究工作是利用p l c 和组态控制技术，设计并建立一个立式 轧环机的监控系统。使用可编程控制器作为下位机，对现场轧环生产过程进行 逻辑和运动控制，在上位机中利用组态软件监控设备运行状态和报警，设置、 跟踪和管理工艺参数，以提高环件轧制生产率。该系统具有以下的功能和特点： ( 1 ) 人机操作界面友好，方便使用人员操作。 4 ( 2 ) 3 3 艺流程与运行参数实时显示。 ( 3 ) 在线监控与报警。 ( 4 ) 实时历史数据采集。 ( 5 ) 3 3 艺参数储存与调用。 ( 6 ) 轧环工艺参数设计。 1 4 3 研究内容 ( 1 ) 实现p l c 与控制系统之间的通信，利用组态王6 5 1 编辑人机界面，实 现环件轧制过程的控制。在系统操作界面中，操作人员可在上位机上输入相关 的轧制工艺参数，实现对轧制过程的控制。 ( 2 ) 利用组态王强大的i o 功能，将在轧环设备上采集到的信息送入计算 机中，对轧制过程进行检测。在线显示轧环过程实时曲线，为技术人员提供详 实的数据研究环件变形规律与加工工艺。 ( 3 ) 对组态王进行二次开发，完成系统与o c b d 数据库的连接，实现轧制 工艺参数数据的输入与输出、各种监控参数的动态存储等。 ( 4 ) 建立轧环工艺参数设计模块，输入环件尺寸，系统能自动生成环件毛坯 几何尺寸，并设置各工艺参数。 1 5 本章小结 本章概述了环件轧制原理及优点，并就目前环件轧制设备与控制系统的现 状、存在的问题做了阐述。说明了本文研究课题的来源、目的和意义以及本文 的主要研究内容。 第2 章组态下的在线控制与实时监测 2 1 基于工业组态p l c 控制系统的概念与特点 2 1 1p l c 控制技术 可编程序控制器( p l c ) t 4 叫2 】是2 0 世纪6 0 年代以来在继电器的基础上，结 合计算机技术快速发展并得到广泛应用的新型工业自动化控制装置。p l c 利用 内部集成的c p u 板，实现对系统进行诸如计数刷新、信息传送时钟、查错、 自诊断等管理，并根据写入的程序执行相应的操作。利用i o 接口，p l c 同现 场i o 设备或其他外部设备相连接。通过输入端口将外部设备的状态或信息读 入p l c ，经过程序运算后，再将结果由输出端口传递n ； i - 部的执行机构。一般 的p l c 控制图如图所示： 图2 1 一般的p l c 控制系统 伴随半导体芯片技术、计算机技术和数字化控制技术的不断发展，p l c 技 术日益成熟，功能日益强大，可靠性不断提高。由p l c 进行分散控制、计算 机进行集中管理的方式，能够完成较大规模的复杂控制，甚至实现整个工厂自 动化。由于p l c 构成简单、配置灵活、编程方便、可靠性好，能适用于不同 类型的控制对象和各种复杂的环境；完美的人机界面、完备的通信设备会更好 地适应各种工业控制场合的需求，基于p l c 的控制系统将在国内外的工业控 制领域的很多企业中得到更广泛的应用。 2 1 2 组态监控技术 随着计算机在工业控制领域的不断发展和广泛应用，p c 机( 包括工控机) 相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：p c 技术保 持了较快的发展速度，各种相关技术己经成熟：由p c 构建的工业控制系统具 有相对较低的拥有成本；p c 的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作 6 性强；基于p c 的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。 在p c 技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地 位。 组态软件 4 2 - , 1 8 是面向工业自动化的通用数据采集与监控软件，即 s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 软件。“组态( c o n f i g u r e ) ”的 含义是“配置”、“设定”，用户通过类似搭积木的方法来实现自己所需要的功 能，而不必编写计算机程序，组态软件也就相当于一个“二次开发”的平台。“监 控( s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 ) ，是指通过计算机信号，组态软件能对自动化设备或 过程进行监视、控制和管理；能从自动化的过程与装备中采集各种信息，并将 信息以各种手段执行必要的分析与储存，发出控制命令等。 图2 2 一般的组态控制系统 它具有丰富的设置项目，使用方法灵活，功能强大，是在自动控制系统监 控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非 常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机 和i 0 设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提 供软、硬件的全部接口，进行系统集成。 组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分 布式数据管理和网络功能。对应于原有的h m i ( 人机接1 3 软件，h u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ) 的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的h m i 的软件 工具，或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第 三方编写h m i 应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控 系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行 数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这 些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系 统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、s c a d a 、通讯及联网、开 放数据接口、对i o 设备的广泛支持己经成为它的主要内容，随着技术的发展， 工控组态软件将会不断被赋予新的内容。 2 2 组态测控系统的现实意义和应用前景 作为通用的测控软件，组态软件都能提供对工业自动化系统进行监测、控 制、管理和集成等一系列功能。同时也为用户实现这些功能的组态过程提供了 丰富和易于使用的手段和工具。利用组态软件，可以完成的常见功能包括： 1 可以读写各种p l c 、d c g 、仪表、板卡和智能模块等，采集工业现场的 各种信号，从而对工业现场进行监视和控制。 2 可以用动画与图形的方式直观的呈现工业现场的信息，以方便对控制流 程的监视；同时，也可以直接对控制系统发出指令，设置参数干预工业现场的 控制流程。 3 可以将工业现场的紧急工况( 报警) 通过声光、计算机提示语音、电子邮件、 手机短信等方式及时通知相关人员，使他们及时掌握自动化系统的运行状况。 4 可以将从控制系统中得到的以及自己产生的数据进行存储和记录，可以 将工程运行的实时数据、历史数据以及外部数据库中的数据制作成报表，提供 管理人员参考。 5 可以向其他应用软件提供数据或接收数据，从而使不同的系统相互管理 整合。多个组态系统还可以相互联系，生成客户端和服务器架构，通过网络的 分布式控制实现复杂的大型控制系统。 相对于传统的工业控制系统，使用组态控制的主要优点有： 1 良好的可扩展性和延续性。使用组态软件开发控制系统，当硬件设备升 级或用户需求发生改变时，能很方便的完成监控系统的升级和更新，而不需要 太多的修改。 2 通过组态软件搭建控制系统，相对于用户并不需要掌握太过专业的编程 语言技术，就能相对容易的完成一个复杂的控制系统所要求的全部功能。 3 通用性。根据工程的实际情况，用户利用组态软件提供的底层设备( p l c 、 板卡、智能仪表、变频器等) 的i o 驱动、界面制作工具和开放式的数据库，就 能够完成一个具有动画效果、实时和历史数据处理以及网络功能的工程。 4 实时多任务。数据的采集和输出、数据的处理和算法的实现、图形显示 和人机对话、实时数据的存储和检索管理、实时通信等多个任务同时在一台计 算机上运行。组态控制技术是自动化控制技术发展的结果，采用组态控制技术 的控制系统最大的特点是从硬件到软件开发都具有组态性，使得整个系统的可 靠性和开发速率都大大的提高。 基于工业组态软件的p l c 控制系统的研究具有很大的现实意义，环件轧制 技术作为一种先进的无缝环形零件先进制造技术，在机械、交通运输、冶金、 能源、航空航天等许多工业领域中应用。企业要提高环件产品的产量和质量， 离不开轧环过程的可靠运行。利用工业组态软件良好的监控功能对轧环过程重 要参数进行监控，能保证环件轧制的安全高效运行；同时组态软件强大的数据 处理功能和通信功能，是实现轧环过程现代化信息管理的必要条件。为企业增 加经济效益，提高竞争力提供了重要保证。 2 3 本章小结 本章分别介绍了p l c 技术和组态监控技术的概念和特点，具体论述了相对 于传统的工业控制系统，使用组态软件作为工具建立控制系统的优势和意义。 使用组态控制具有良好的可扩展性和通用性，为用户提供了丰富和易于使用的 手段和工具。能采集工业现场的各种信号，对工业现场进行监测与控制，并将 生产过程的实时数据、历史数据以及外部数据库中的数据实现存储与调用。基 于工业组态软件开发适用于环件轧制设备的控制系统能提高环件产品的产量 和质量，提升生产过程的自动化程度，为企业增加经济效益，提高竞争力提供 了重要保证。 9 第3 章立式热轧环机测控系统 3 1 立式径向辗环机结构 本控制系统针对d 5 1 3 5 0 型立式轧环机1 1 8 1 设计，d 5 1 - 3 5 0 型立式径向轧环 机结构如图3 1 所示，图中l 为伺服电机2 为减速箱3 为万向节4 为驱动辊5 为芯辊6 为导向辊7 为测量辊。 2 3 4 6 7 图3 1 立式辗环机 其关键部件主要包括以下三个部分： ( 1 ) 主进给机构 主进给系统采用机电伺服进给。以y 系列三相异步电动机为主传动电机驱 动辗压轮旋转运动，主传动电机安装在床身内部与减速器相连，再经联轴器将 动力传递至辗压轮。选用安川交流伺服电机，伺服电机与一对螺旋伞齿轮一斜 齿轮减速器相连，经滚珠丝杠驱动主滑块运动。 ( 2 ) n 量机构 测量机构主体结构包括测量辊、拉杆、顶杆、滑动座、弹簧、导轨和位移 传感器等部件。轧制过程中，环件产生推力作用于测量辊使之后退，利用位移 传感器反应环件半径的增大情况。 l o ( 3 ) 导向机构 导向机构采用单辊导向，导向辊与导向臂相连，一端固定铰链，另一端与 弹簧连接。轧制开始前，可以根据不同环件的尺寸调整导向辊初始位置；在轧 制的前期，导向辊受到环件外壁的推力作用，使得导向辊会向下做弧线运动； 在轧制的中后期，导向辊锁紧使轧制过程平稳进行。 3 2 硬件设备选型 3 2 1 三菱f x 2 n - 4 8 m t 型可编程控制器 本文选用的为三菱f x 2 n 4 8 m t 型可编程控制器，f x 2 n 系列是f x 系列 p l c 家族中最先进的系列。由于f x 2 n 系列具备如下特点：最大范围的包容了 标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以 及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为任何自动化应用提供最大的灵 活性和控制能力。在本文中，主要提供如下功能：l 控制轧环机的启动和停止； 2 向伺服驱动系统传递进给量、进给速度等工艺参数；3 通过滑块位移传感器 与测量辊位移传感器采集辗压轮与测量辊的位移量。 图3 - 2 三菱f x 2 n 4 8 m t 型可编程控制器 3 2 2f x 2 n 10 g m 定位模块 f x 2 n 1 0 g m 型定位模块是日本三菱公司生产的定位用p l c ，内置随机存 取储存器- ( r a m ) 容量为7 8 k 。该型定位模块既可以单独使用，也可作为扩展单 元使用。f x 2 n 1 0 g m 通过专用连接电缆f x 2 n g m 一5 e c 与p l c 连接。 f x 2 n 1 0 g m 定位模块可以根据用户的实际需要，选取相应的命令单位，包括 长度单位( m m 、i n c h ) 、角度单位( d e g ) 和脉冲单位( p l s ) 等三种。选取脉冲单位， 能通过驱动单元对伺服电机步或进电机进行位置控制。在本文中，主要利用 f x 2 n 1 0 g m 定位模块接收p l c 所输出的各种工艺参数与操作命令，转换成运 动脉冲发送给轧环机伺服电机，并接收主滑块的回零信号和上下极限信号。 3 2 3 位移传感器 图3 - 3f x 2 n 10 g m 型定位模块 直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。本文选用 d a 7 5 位移传感器，是将差动变压器( l v d t ) 与变送器电路统一封装在一个 金属壳体里的机电一体化产品。其高导磁性不锈钢外壳有效的使( l v d t ) 内 部形成封闭而均衡的电磁场，对外界各种电磁干扰形成屏蔽。变送器电路与 l v d t 直接在壳体内部连接，避免了交流小信号通过电缆线时的衰减和空间电 磁干扰，变送器电路多样化的输出可以保证端电缆线长距离传输后信号的稳定 性和准确性。 d a 7 5 位移传感器采用五芯屏蔽电缆中的三芯( 正、负、地) 供电，另两芯 为信号输出直接接二次仪表即可。g a 型及m a 型系列传感器则为变送器与传 感器测头分离的产品，变送器为7 0 x 6 0 的长形电路板，带金手指插头。使用时 将传感器壳体固定，测杆与被测物连接，可以刚性连接，也可依靠传感器内置 的复位弹簧项在被测物上。只需通过屏蔽电缆提供直流工作电源，就能获得模 拟量输出，可直接接各类数显或数采设备。 3 2 4 工控机 本文选用研华a w s 8 2 4 8 v 型工控机，它是一款带有1 4 插槽的t f tl c d 工业一体化工作站。铝合金前面板与防水设计，可以防止其受到酸、盐等其他 1 2 成分的侵蚀。采用了带有三个抽屉的模块化设计，允许用户添加维护板卡、硬 盘c d r o m 及电源，在减少停机时间的同时提高了对其维护的效率。前面板 可操作按键包括电源开关键、复位键、o s d 键等3 9 个操作键，f 1 f 1 0 等1 0 个功能键，以及s f l s f l 0 共1 0 个宏功能键，可以根据自己的需要在d o s 状 态下定义宏，实现一键代替组合键的功能，并带有一个3 5 ”1 4 4 m b 软驱。该 工控机具有开放的兼容性，能安装并运行w i n d o w s 等常用操作系统，可以兼 容p c 中能运行的各种软件。 图3 4 研华a w s 8 2 4 8 v 型工控机 3 3 控制系统功能与要求 根据立式轧环机的实际情况和工艺管理要求，拟构建的组态控制系统应具 备以下的功能： 1 数据采集功能，包括：( 1 ) 辗压辊位移量对应的数据的采集；( 2 ) 测量辊 位移量对应的数据的采集。 2 状态数据的分析与处理，包括：( 1 ) 对系统采集来的数据进行存储；( 2 ) 对 监控数据进行趋势分析与预报；( 3 ) 对监控参数的异常状态进行关联分析。 3 报警功能。对采集来的数据加以分析，判断是否达到或超过了报警界限。 如果达到或超过了警界限，则给予报警，并自动记录( 包括记录故障发生的时 间、检测到的参数数据、相关参数数据等) ，自动生成异常状态数据库以备后 用。 4 集中显示功能，在计算机上采用工控软件( 如组态王) 来显示采集来的相关 信息，包括：( 1 ) 主要设备的运行状态显示；( 2 ) 工艺流程的动态显示；( 3 ) 参 数的历史曲线及趋势显示；( 4 ) 历史数据及其他记录显示。 5 存储功能，对轧环过程中产生的各种关键数据进行储存记录，包括：( 1 ) 轧 环工艺参数的动态存储；( 2 ) 各种监控参数的动态存储；( 3 ) 各种各种系统故 障与异常事件的动态存储。 6 、查询功能，包括：( 1 ) 轧环工艺参数的查询；( 2 ) 轧环过程的数据与趋 势曲线查询；( 3 ) 各种监控参数的数据查询；( 4 ) 异常状态查询。 7 报表及打印功能，包括：( 1 ) 各种系统监测参数报表的指定区段数据的自 动生成与打印；( 2 ) 环件加工参数数据的输出与打印；( 3 ) 轧环过程的数据的 输出与打印；( 4 ) 异常状态的报表打印。 3 4 系统开发原则与思路 立式轧环机控制系统的工作环境相对振动较大，其工作性能直接影响到所 测位移参数的不确定度，因而系统在设计时必须要遵循适用、可靠、开放的原 则。 适用性原则。立式轧环机控制系统的控制方式必须从运行安全、操作简化、 实现自动控制的目的出发，能控制驱动辊、测量辊的准确位移，实时记录工作 中的各种参数值与曲线，人机交互功能强，监控程序界面友好。 可靠性原则。在控制系统中所采用的各种设备的耐用是十分重要的，因此 必须选用成熟可靠的控制产品与各类传感器。主要控制设备必须具备防震、防 尘、防干扰的能力。在信号采集、开关确认等方面进行模拟调试，为确保系统 的长期可靠稳定运行，可靠性原则必须要贯穿整个控制系统设计的始终。 开放性原则。控制系统在设计时就要充分考虑到以后足够的升级与扩充的 余地。因此在测控系统软件的选取与设备选型时，要考察软件的兼容性和设备 接口的互连性和通用性，不宜采用自成体系的、封闭式的软件和设备，为日后 系统的功能扩展保留余地。 整个控制系统的设计思路分两个方面考量，具体如下： 1 控制系统的前向通道是指从工业现场到上位机终端的前向通道部分。在 本系统中，位移传感器测得参数变化信号，通过数据采集送入上位机进行实时 显示。被测参数包括驱动辊位移量、测量辊辊位移量、环件直径等参数。 2 上位机实时控制系统程序部分。它实现了对控制系统的实时监控以及通 过设计各种应用功能实现了环件轧制的自动控制与管理，这是实现环件轧制自 动化的重要部分。 1 4 3 5 控制系统方案 系统控制原理图如图3 5 所示，组态程序为用户实施其控制方案，通过建 立一系列用户数据文件，生成最终的控制系统，系统的开发环境由若干个组态 程序组成。控制元件( 如p l c 、开关、轧辊等) 在控制系统中表示为某一控件的 对象，控制元件的数据点的信息表示控制元件的当前状态( 如开启或关闭、静 止或移动等) 。具体的控制动作则由相对应的控件对数据点的采集和控制实现， 其采集或设置数据点信息的接口则由对控件或控制元件设置对应的驱动程序 提供。在控件设计时定义控件的属性，这些属性可以是静态的，也可以是动态 的。静态属性在系统运行后保持不变，与原来的组态时一致。而动态的属性则 与定义的表达式有关。表达式可以是来自i o 设备的变量，也可以是由变量和 运算组成的表达式。这种对象的动态属性随表达式的变化而实时改变。 硬件通信协议 读取数据点的控制信息 设定数据点的控制信息 图3 5 控制原理图 为了进一步的说明系统运行的详细逻辑，用下面的数据通知逻辑图来具体 描述。 1 5 图3 - 6 数据通知逻辑图 图3 6 表述的是系统进入运行模式以后的数据通知逻辑。用户通过程序界 面中的菜单命令或工具条执行某一操作时，系统将此信号发送给对应的组态程 序，