（材料加工工程专业论文）基于组态技术的板材液压成形监控系统研究.pdf

摘要 摘要 板材液压成形是一种仍处于探索阶段、近年来得到大力发展的先进板材成形 工艺，广泛应用于汽车、航空航天、厨卫用具等制造领域。该工艺具有成本低、 周期短、成形极限高等特点；与传统工艺相比，成形精度高、表面质量好，适合 于复杂、难成形、精度高的薄板零件拉深成形。无论在理论上还是实践上，液压 成形工艺都还是一项处于探索阶段的技术。如何在板材液压成形工艺理论与实验 研究成果的基础上，进一步研发高性价比的板材液压成形计算机监控系统，从而 促进板材液压成形装备在制造领域的广泛应用，是当前国内外专家学者的研究难 点和热点之一。 本文分析了当前国内外液压成形技术研究应用现状与发展趋势，针对板材液 压成形工艺，首次提出了将现代最新的组态软件技术应用于板材液压成形计算机 监控系统的设计思想；研发了一套以p c 机作为上位机、三菱f x 2 n 系列p l c 作为 下位机的板材液压成形监控系统；该系统具有分散控制，集中管理的优点。且性 价比高，界面友好，操作简单，使用方便，具有经济、实用、先进、可靠的特 点。 文章从结构和功能两方面对液压监控系统的软件总体方案进行了分析，基于 组态软件技术针对板材液压成形工艺提出了其监控系统的软件结构，该系统具有 工艺参数动态显示、工艺过程控制功能，并具有数据管理能力，可生成实时数据 报表和历史数据报表、实时趋势曲线和历史趋势曲线，并且还具有报警功能。该 系统的p l c 通过r s - 2 3 2 串行通讯电缆连接到计算机的串口，从而实现p l c 与上 位p c 机的串行通讯。在此基础上，通过分析了p c 机与p l c 联网的条件、结构形 式及各种通信模式的特性，得出集成监控的实现方法( 由一台p c 机监控多台设 备) 。 利用组态技术来对板材液压成形进行监控的研发是对板材液压成形监控管理 的改善和促进，基于组态的监控系统有助于实现板材液压成形过程的智能化、信 息化和柔性化。 关键词：液压成形，监控系统，组态技术，串行通讯 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi saa d v a n c e dm e t a lf o r m i n gt e c h n o l o g y , b u ts t i l li nt h e s t a t eo fe x p l o r a t i o n i ti sa p p l i e dw i d e l yi na u t o m o b i l e ，a e r o s p a c ea n dk i t c h e nh e a l t h e q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gf i e l d se t ci nr e c e n ty e a r s i th a sl o t so fc h a r a c t e r i s t i c ss u c h a sl o wc o s t ，s h o r tm a n u f a c t u r i n gc y c l ea n dh i g hf o r m i n gl i m i t c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lt e c h n o l o g i e s ，i th a sh i g hp r e c i s i o na n dg o o ds u r f a c eq u a l i t y , s oi ti ss u i t a b l e t o p r o c e s ss h e e tp a r t sw i t hc o m p l e xs h a p e a n dh i g h p r e c i s i o n b a s e d o nt h e t e c h n o l o g i e st h e o r ya n de x p e r i m e n tr e s e a r c hp r o d u c t i o no fs h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n g ， h o wt or e s e a r c hac o m p u t e rm o n i t o rs y s t e mo fs h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gw i t hh i g h c a p a b i l i t y - p r i c er a t e ，i no r d e rt op r o m o t ea p p l i e dw i d e l yo fs h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n g e q u i p m e n ti nt h ea r e ao fm a n u f a c t u r i n g ，i ti sa r e s e a r c hd i f f i c u l t ya n dh o t s p o tf o rm a n y e x p e r t so f d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l t h ep a p e ra n a l y s e dt h er e s e a r c ha p p l i c a t i o ns t a t u sa n dd e v e l o pt r e n do fd o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a l ，f i r s t l yp u tf o r w a r dad e s i g ni d e at h a tt a k et h el a t e s tc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r et e c h n o l o g ya p p l yt ot h ec o m p u t e rm o n i t o rs y s t e mo fs h e e tm e t a lh y d r o f o m i n g ， d e s i g n e dac o m p u t e rm o n i t o rs y s t e mw h i c ht a k et h ep ca su p p e r - m a c h i n ea n d m i t s u b i s h ip l ct h a ts e r i e so ff x 2 na sd o w n m a c h i n e t h es y s t e mh a ss t r o n g p o i n to f d e c e n t r a l i z e dc o n t r o la n dc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t ，b e s i d e s ，w i t hh i g hc a p a b i l i t y p r i c e r a t e ，k i n d l yi n t e r f a c e ，e a s i l yo p e r a t i o n ，c o n v e n i e n tu s e ，a n dh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ， s u c ha s ：e c o n o m y , u t i l i t y , a d v a n c e m e n ta n dr e l i a b i l i t y t h ep a p e ra n a l y s e dt h ec o l l e c t i v i t yp r o je c to fh y d r a u l i cm o n i t o rs y s t e mt h r o u g h i t ss t r u c t u r ea n df u n c t i o n ，b a s e do nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et e c h n o l o g yt h ep a p e rp u t f o r w a r dt h es o f ts t r u c t u r eo fm o n i t o rs y s t e ma i m e da ts h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n g t e c h n i c s t h es y s t e mc a nd y n a m i cd i s p l a yt h et e c h n i c sp a r a m e t e r s 、c o n t r o lt h e t e c h n i c a lp r o c e s s ，a n dc a nm a n a g ed a t a 、c r e a t ed a t ar e p o r tf o r m s & c u r v e sa n d a l a r m t h es y s t e m sp l cc o n n e c tt ot h ec o m p u t e r si n t e r f a c et h r o u g hr s 一2 3 2s e r i e s c o m m u n i c a t i o nc a b l e ，s oa c t u a l i z e dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n dp c b a s e do ni t ，t h ep a p e ra n a l y s e dt h ec o n d i t i o na n ds t r u c t u r eo fp ca n dp l c so n l i n e ， a n dc h a r a c t e r i s t i c so fa l lk i n d so fc o m m u n i c a t i o nm o d e g e tt h ew a yh o wt oa c t u a l i z e i i a b s t r a c t c o m p o s i t i v em o n i t o r ( o n ep cc o n t r o ls e v e r a le q u i p m e n t ) a n y w a y , t h e r e s e a r c ho fm o n i t o rs h e e tm e t a l h y d r o f o r m i n g b a s e do n c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y i st h e i m p r o v e m e n ta n da c c e l e r a t i o n t om o n i t o ra n d m a n a g e m e n to fh y d r o f o r m i n g r e a l i z e di n t e l l e c t u a l i z a t i o n ，i n f o r m a t i o n l i z a t i o na n d f l e x i b i l i t yi nt h eh y d r o f o r m i n g c o m m u n i c a t i o n h y d r o f o r m i n g ，m o n i t o rs y s t e m ，c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y , s e r i a l i i i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含 本人或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明，并表示谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与材料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签字： 一移书卜 、 i 论文作者签字： 织茳 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 液压成形技术概述 第一章绪论 近年来，现代工业产品都由大批量向多品种和小批量方向发展。对于批量 小、尺寸多变的复杂形状的板材零件，采用传统冲压方法成形时，模具设计、制 造与调试需要消耗大量的人力、物力与时间，很难适应现代化发展的需要。这就 迫切需要研究一种新的柔性生产方法，达到既降低成本又缩短制造周期的目的。 液压成形技术正是在这种背景下提出来的。 所谓液压成形技术就是采用水、油或其它液体介质传递压力，使坯料在液体 介质压力作用下紧贴刚性凸模或凹模成形。液压成形属于特种成形工艺，与传统 板材成形加工相比，液压成形技术具有以下特点及优点n 2 3 ： ( 1 ) 液压成形仅仅需要一个凸模或凹模，另一半被液体介质所代替，减少 了模具成本，一般模具费用可降低3 0 以上。另一方面液压成形的模具可以用便 宜的材料来加工，不同厚度和不同材料的零件可以在一个模具上生产。因采用液 压加载，模具不易损坏，寿命提高。 ( 2 ) 液压成形能显著改善产品的质量和性能，产品与模具贴合程度好，零 件冻结性好，通过高压塑性变形使残余应力大大降低，板材成形极限可明显超过 拉深工艺和纯液压胀形工艺。液压成形零件有高的尺寸精度、好的表面质量、少 的回弹和显著降低的残余应力。 ( 3 ) 液压成形可以成形一些形状非常复杂的零件，尤其适用于尺寸多变、 批量不大的大型板料零件的生产。而用传统的冲压成形是非常困难的。前者能大 量减少成形工序和焊接零件的数量。 ( 4 ) 液压成形特别适合于成形性能差或高强度的材料成形，如铝合金、镁 合金、钛合金、不锈钢和高强度的低合金钢，它还能成形复合材料，这对于减轻 零件重量是非常有帮助的。 随着成形设备和相关控制技术的发展，以流体为传力介质的板材液压成形技 术在国外迅速发展起来，广泛应用于汽车制造业，并且开始在许多其它工业领域 广东工业大学工学硕七学位论文 引起人们的重视，应用前景十分广阔。液压成形技术按照加工对象的不同可以分 为管材液压成形、板材液压成形以及液压胀球。板材液压成形按照液压取代形式 的不同又可分为两大类型：液体代替凹模( 如图1 1 ( a ) ) 和液体代替凸模 ( 如图1 1 ( b ) ) 。液体代替凹模时，刚性凸模将板材压入液压室，板材在液压 的作用下紧贴凸模而成形；液体代替凸模时，则是板材在液压的作用下直接被压 入凹模，并紧贴凹模而成形。近年，国内外研究者又在软凸模技术基础上提出了 成对液压成形，其原理如图1 1 ( c ) 所示。在板材液压成形技术中，成对液压 成形具有更好的柔性，一次成形可生产一对产品，减少了模具数量。使复杂形状 板材零件的生产简单化。与常规板材成形工艺相比。模具费用可降低3 0 以上。 尤其对于由上下壳体构成的零件，这种成形方法的意义更为明显。 一一一 ( a ) 液体代替凹模( b ) 液体代替凸模( c ) 板材成对液压成形 图卜1 板材液压成形示意图 f i g 1 - 1s k e t c hm a po fs h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n g 1 1 2 国内外液压成形技术研究现状 板料的液压成形是从管件液压胀形的基础上发展起来的一种新工艺p 1 。日本 和前苏联起步较早，日本于上世纪六十年代中期已能将钢管坯通过液压胀形获得 小型三通管，到七十年代，已能用液压胀形批量生产直径达3 0 5 m m 的大型钢质 管件。八十年代初，前苏联通过挤压胀形和在支管端施加反向平衡力，使三通、 四通支管长度大为增加，到了九十年代，俄国发展到能够对铝合金、钛合金及耐 腐蚀高强度钢管件进行液压胀形。九十年代末，美国、德国等采用长形管料通过 液压胀形、压扁和弯曲等复合变形工艺，获得大型复杂薄壁管件。如美国通用汽 车公司研制出2 5 0 0 k n 专用压力机，采用超高压( 2 0 0 0 m p a ) 液压胀形和压扁、 弯曲复合成形工艺，生产轿车车架、散热器、废气管、发动机支架、凸轮轴、轿 车驱动轴等中空零件。根据工艺特点，美国研究出一种流体胀形介质，既便于密 第一章绪论 封，又便于清型4 1 ，为进一步推广与发展此类工艺提供了有效工具。 国内于上世纪九十年代才开始管件液压胀形方面的研究，先后有哈尔滨工业 大学、北京钢铁研究总院、燕山大学、西安重机研究所、华中科技大学等主要进 行了应用基础和关键技术的实验与理论研究，部分成果得到了应用p 1 。其中，华 中科技大学对管接件液压胀形技术进行了系统研究，使得胀形支管长径比提高到 3 5 以上3 ；哈尔滨工业大学王仲仁教授，在大型薄壳球体和空心环的液压胀形 技术上取得重要成果儿引。 在板料液压成形的研究方面，八十年代中，日本采用带液压反向作用的拉深 和底部冲孔外翻边复合成形工艺获得带法兰的无底深筒件；采用液压反向作用并 将工件底部凹模腔中的压力油通过侧通道引向法兰周边产生径向压力，从而获得 大长径比的带法兰的深筒件( 圆形和方形) 。哈尔滨工业大学王仲仁教授，对带 液压反向作用的方盒深拉深过程进行了实验研究和有限元模拟分析p 1 。 近几年来，日本、德国等又开展了板料液压成形新工艺的研究，如日本的研 究成果已用于运动型轿车部分覆盖件的生产。目前国外已有此类薄板件液压成形 的压力机和工艺装备，但造价较高，如日本a m i n o 公司研制的5 0 0 0 k n 宽台面专 用压力机价格1 0 0 万美元，极为昂贵，非国内一般企业所能承受。 图卜2 液压成形加工的前档板和防泥板 f i g 1 2f r o n tb o a r da n df l a s hb o a r dp r o c e s s e db yh y d r o f o r m i n g 汽车工业是国民经济的支柱产业之一，目前我国正在加大发展，汽车的产值 可以上千亿，而汽车行业整车产值与零部件产值的比例可达1 ：1 7 左右，因而 汽车零部件产业的市场非常巨大。汽车覆盖件、摩托车油箱等复杂薄板零件是汽 车中的关键部件，其成形难度大h 2 。5 1 。由此可见，板料液压成形工艺的应用前景 是非常广阔的。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 组态软件概述、发展及国内外主要产品介绍 1 2 1 组态软件概述 在使用工控软件中，经常提到组态一词，组态的英文是“c o n f i g u r a t i o n ”， 简单的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务 的过程p 1 。 与硬件生产相对照，组态与组装相类似。如要组装一台电脑，事先提供了各 种型号的主板、机箱、电源、c p u 、显示器、硬盘及光驱等，组态的工作就是用 这些部件拼凑成自己需要的电脑。当然软件中的组态要比硬件中的组装要有更大 的发挥空间，因为他一般要比硬件中的“部件 更多，而且每个“部件 都很灵 活，因为软件都有内部属性，通过改变属性可以改变其规格( 如大小、形状、颜 色等) 。 在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序( 如使用 b a s i c 、c 、f o r t r a n 等) 来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且 容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要 几个月的工作，通过组态几周就可以完成。 组态软件一般英文简称有三种，分别为h m i m m i s c a d a ，对应全称为 h u m a na n dm a c h i n ei n t e r f a c e | m a na n dm a c h i n ei n t e r f a c e | s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n 。h m i m m i 翻译为人机接i s l 软件，s c a d a 翻译为监视控制和 采集软件。目前组态软件的发展迅猛，已经扩展到企业信息管理系统，管理和控 制一体化，远程诊断和维护以及在互联网上的一系列的数据整合。 “组态 的概念是伴随着集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简 称d c s ) 的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟悉的。在工业控 制技术的不断发展和应用过程中，p c ( 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 相关技术成熟；由p c 构建的工业控制系统具有相对较低的成本；p c 的软件资 源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强；基于p c 的控制系统易于学习和使 用，可以容易的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。 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统 第一章绪论 监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建 工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。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 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，往往不能满足要求，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，用户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 、通信 及联网、开放数据接口、对i o 设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技 术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。 1 2 2 组态软件在我国的发展 组态软件产品与2 0 世纪8 0 年代初出现，并在2 0 世纪8 0 年代末期进入我国 1 0 0 但在2 0 世纪9 0 年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。究其原 因，大致有以下几点1 。 国内用户还缺乏对组态软件的认识，项目中没有组态软件的预算，因此 宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机的编程开发，也不采用 组态软件。 在很长时间里，国内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件 ( 早期的组态软件多为国外厂家开发) ，很少有用户去购买正版。 当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了 对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所 需要的数据的功能，国内的这些需求并未完全形成。 随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统 时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式，对项目来说是费时费力、得 不偿失的，同时，m i s ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，管理信息系统) 和 c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，计算机集成制造系统) 的大 量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以 便优化企业生产经营中的各个环节。因此，在1 9 9 5 年以后，组态软件在国内的 广东工业大学工学硕士学位论文 应用逐渐得到了普及。 1 2 3 国内外主要产品介绍 i n t o u c h - w o n d e r w a r e 的i n t o u c h 软件是最早进入我国的组态软件。在 2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初，基于w i n d o w s3 1 的i n t o u c h 软件曾让我们耳目 一新，并且i n t o u c h 提供了丰富的图库。但是，早期的i n t o u c h 软件采用了d d e 方式与驱动程序通信，性能较差，最新的i n t o u c h7 0 版已经完全基于3 2 位的 w i n d o w s 平台，并且提供了o p c 支持。 f i x ：i n t e l l u t i o n 公司以f i x 组态软件起家，1 9 9 5 年被爱默生收购，现在 是爱默生集团的全资子公司，f i x 6 x 软件提供了工控人员熟悉的概念和操作界 面，并提供完备的驱动程序( 需单独购买) 。i n t e l l u t i o n 将自己最新的产品系列命 名为i f i x ，在i f i x 中，i n t e l l u t i o n 提供了强大的组态功能，但新版本与以往的 6 x 版本并不完全兼容。在i f i x 中，i n t e l l u t i o n 的产品与m i c r o s o f t 的操作系统、 网络进行的紧密的集成。i n t e l l u t i o n 也是o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 组织的 发起成员之一。i f i x 的o p c 组件和驱动程序同样需要单独购买。 c i t e c h ：c i t 公司的c i t e c h 是较早进入中国的产品。c i t e c h 具备简洁的操 作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。c i t e c h 提供了类 似c 语言的脚本语言进行二次开发，但与i f i x 不同的是，c i t e c h 的脚步语言并 非是面向对象的，而是类似于c 语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难 度。 w i n c c ：s i e m e n s 的w i n c c 是一套完备的组态开发环境，s i e m e n s 提供 类c 语言的脚本，包括一个调试环境。w i n c c 内嵌o p c 支持，并可对分布式系 统进行组态。但w i n c c 的结构较复杂，用户最好经过s i e m e n s e 的培训以掌握 w i n c c 的应用。 组态王：组态王是国内一家较有影响的组态软件开发公司开发的。组态 王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言 支持。组态王也提供了多种硬件驱动程序。随着i n t e m e t 技术日益渗透到生产、 生活的各个领域，自动化软件的e 趋势已发展成为整合i t 与工厂自动化的关 键。组态王6 5 的i n t e r n e t 版本立足于门户概念，采用最新的j a v a 2 核心技术， 功能更丰富，操作更简单。整个企业的自动化监控将以一个门户网站的形式呈现 第一章绪论 给使用者，并且不同工作职责的使用者使用各自的授权口令完成操作，这包括现 场的操作者可以完成设备的起停，中控室的工程师可以完成工艺参数的整定，办 公室的决策者可以实时掌握生产成本、设备利用率及产量等数据。组态王6 5 的 i n t e m e t 功能逼真再现现场画面，使用户在任何时间、任何地点均可实时掌握企 业的每一个生产细节，现场的流程画面、过程数据、趋势曲线、生产报表( 支持 报表打印和数据下载) 、操作记录和报警等均可轻松浏览。当然，用户要有授权 口令才能完成这些。用户还可以自己编辑发布的网站首页信息和图标，成为真正 企业信息化的i n t e m e t 门户。 c o n t r o x ( 开物) ：华富计算机公司的c o n t r o x 2 0 0 0 是全3 2 位的组态开发 平台，为工控用户提供了强大的实时曲线、历史曲线、报警、数据报表及报告功 能。作为国内较早加入o p c 组织的软件开发商，c o n t r o x 内建o p c 支持，并提 供数十种高性能驱动程序。提供面向对象的脚本语言编译器，支持a c t i v e x 组件 和插件的即插即用，并支持通过o d b c 连接外部数据库。c o n t r o x 同时提供网络 支持和w e b s e r v e r 功能。 f o r c e c o n t r o l ( 力控) ：大庆三维公司的f o r c e c o n t r o l ( 力控) 是国内较早 就已经出现的组态软件之一。随着w i n d o w s3 1 的流行，三维公司开发了1 6 位 w i n d o w s 版的力控，主要用于公司内部的一些项目。3 2 位的1 0 版本的力控， 在体系结构上就已经具备了较为明显的先进性，其最大特征之一是基于真正意义 的分布式实时数据库的三层结构，而且实时数据库结构为可组态的活结构。最新 推出的2 0 版在功能的丰富特性、易用性、开放性和i o 驱动数量方面，都得到 了很大的提高。在很多环节的设计上，能从国内用户的角度出发，即注重实用 性，又不失大软件的规范。 m c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ) ：为用户提供了解决实际 工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实施和历史数据处 理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控 网络等功能。使用m c g s ，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间 内轻而易举的完成一个运行稳定、功能成熟、维护量小并且具备专业水准的计算 机监控系统的开发工作。良好的体系结构、合理的程序设计、周到的用户理念使 m c g s 成功的度过开发期，也使北京昆仑通态快速的成为工控行业的佼佼者。 其他常见的组态软件还有g e 的c i m p l i c i t y 、r o c k w e l l 的r s v i e w 、n i 的 广东工业大学工学硕上学位论文 l o o k o u t 、p c s o f t 的w i z c o n ，它们也都各有特色。 1 3 研究的意义及主要内容 1 3 1 研究的意义 利用组态技术来开发监控系统，能够减少开发时间、效率高、可靠性好。基 于组态技术的板材液压成形监控是对液压成形监控管理的改善和促进。组态软件 应用于板材液压成形，能够使液压机按照液压成形技术要求去动作，改变手动操 作的盲目性；能够监测和控制成形过程；能够自动记录试验过程中产生的数据并 生成图表和曲线，为实验后的研究提供了直接的保证。再者，组态软件应用于液 压成形，能够实现对整个生产的全面监控、集中管理。总之，利用组态软件对板 材液压成形进行监控实现了液压成形过程的柔性化和信息化。 1 3 2 研究的主要内容 本研究课题最早来源于广州市重点科技攻关项目“复杂薄板件液压成形新工 艺及新装备”。该项目主要研究复杂薄板零件( 如汽车覆盖件、摩托车油箱等) 液压成形过程的理论分析、成形机理与变形规律及该类形状复杂、变形量大的零 件采用液压成形的成套新工艺，在此基础上研究液压成形工艺参数的控制方法， 并在现有通用液压机上进行改造，增加辅助液压系统和基本的控制系统。 本文选用的液压机为合肥锻压机床总厂的y h 2 8 1 0 0 1 8 0 一s m 双动薄板拉伸液 压机钔，设备如图1 3 。 第一章绪论 图1 - - 3y h 2 8 1 0 0 1 8 0 一s m 双动薄板拉伸液压机 f i g 1 3h y d r a u l i cp r e s so f y h 2 8 1 0 0 18 0 一s m 本文为该课题的后续部分，即开发基于组态技术的板材液压成形监控系统， 主要内容是利用组态软件对液压成形设备进行监控，将计算机和可编程控制器紧 密的联系起来，实现具有较高应用价值的板材液压成形监控系统。其主要功能包 括液压机逻辑动作控制、工艺参数的监测显示、各种报表的生成等，实现设备的 智能化和柔性化。 具体研究内容如下： ( 1 ) 通过分析监控系统的功能要求及结构，从而构建监控系统的软件总体 方案。 ( 2 ) 监控系统软件设计，根据实际需要，选取合适的监控软件，实现监控 液压设备状态和运行参数、接收故障报警信息、趋势曲线显示、数据报表等功 能。 ( 3 ) 上位机与下位机通讯的实现，在开发监控系统的过程中，组态软件的 通信是一个非常重要的模块，使用组态软件设计出显示画面以后，要接收现场的 广东工业大学工学硕上学位论文 采集数据，形成动态工艺参数显示，并能够对现场设备进行控制，这些都依赖于 组态软件的通信。 ( 4 ) 通过分析p c 与p l c 联网的条件及结构形式，来实现液压设备的集成监 控。由位于中央控制室的p c 机监控多台设备。 第二章监控系统总体方案 第二章监控系统总体方案 2 1 监控系统方案设计 在工业控制领域中，p l c 作为一种高效、灵活、可靠的控制器得到了广泛的 应用。以p l c 控制器为核心，上位p c 机为实时监控的控制系统已成为工业自动 化p l c 控制系统的一个发展方向。在整个系统设计过程中，要实现液压设备 的集成监控，由位于中央控制室的p c 机监控车间的多台液压设备。 首先是以一台设备为对象，来实现对液压设备点对点的监控( 即一台p c 机 监控一台液压设备) ，然后，通过分析三菱f x 系统p l c 的通信模式和系统构成， 以及通信联网的条件，来实现集成监控。( 即一台p c 机监控多台液压设备) 单台设备监控系统的软件结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1 方案结构 f i g 2 - 1p r o j e c ts t r u c t u r e 广东工业大学工学硕十学位论文 2 2 监控系统的结构 2 2 1 液压成形设备 本论文的方案是采用一台三菱p l c ( f x 2 n 一8 0 m t ) 作为下位机，根据预先编制 的工艺程序控制液压机的各种动作。液压机基本结构如图2 - 2 所示。该机有独立 的动力机构和电气系统，拉伸油缸采用快速缸，速度可达2 8 0 m m s ，拉伸力可达 1 0 0 0 k n ，压边力可达8 0 0 k n ，速度和压力都可在规定范围内调节。 霞 镧 1 ，一惫 1 1 r p 轻z 霹 镬|瞰 1 - v ：，了j l _ l 羹 。日雌m 争叁 i i i t o 蠢 了17 _ r 口 薹 厂、 l| 弋i trr7 。i 眇 ；多 。，。i k 。 olk 之 ” l jl 茧遴， n够 芗 。 图2 2 液压机结构 f i 9 2 2s t r u c t u r eo fh y d r a u l i cp r e s s 该机的拉伸动作流程如图2 - 3 所示。 第二章监控系统总体方案 图2 - 3 拉伸动作流程图 f i 9 2 。3f l o wc h a r to fh y d r a u l i cp r e s s 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 2 液压控制系统 计算机作为上位机，用来完成管理级别上的数据采集和流程监控。在计算机 上可以动态显示加工过程中现场压力的变化；可以对实验数据进行保存导出以及 查看等管理级别上的操作。控制系统原理如图2 4 所示。 图2 4 控制系统图 f i g 2 - 4s k e t c hm a po fc o n t r o ls y s t e m 该套液压成形装备控制系统图中，p c 机主要作用是对工艺参数进行监控和 数据管理。本文选用的f x 2 n 系列p l c ，其i o 分配表如表2 1 所示。p l c 分别闭 环控制成形液压系统和压边液压系统。图中变频器是用来改变电机的频率，从而 通过改变泵的流量来控制成形力。变频器、电机和p l c 的连接如图2 5 所示。另 外，图中还用到两个传感器，它们用来检测成形力和压边力的大小，分别装在成 形力回路和压边力回路上。 第二章监控系统总体方案 表2 - 1i 0 分配表 t a b l e2 1c h a r to fi 0a s s i g n 地址功能地址功能 x 0 0 0压边下行 x 0 2 3 x o o l x 0 2 4卸压 x 0 0 2 取件时间到 x 0 2 5 加压 x 0 0 3 定压压制 x 0 2 6 增压 x 0 0 4 定程压制 x 0 2 7 回油 x 0 0 5拉伸快下y 0 0 0 k a i ( y 1 曲 x 0 0 6y 0 0 1 k a 2 ( y l b ) x 0 0 7拉伸慢下y 0 0 2 k a 3 ( y 3 拉伸快下指示) x 0 1 0 拉伸完成 y 0 0 3 k a 4 ( y 4 拉伸慢下指示) x 0 1 1y 0 0 4 k a s ( y 5 拉伸回程指示) x 0 1 2 保压时间到 y 0 0 5 k a 6 ( y 6 ) x 0 1 3 拉伸上限 y 0 0 6 k a 7 ( y 7 压边下行指示) x 0 1 4 拉伸滑块卸压 y 0 0 7 k a 8 ( y 8 压边回程指示) x 0 1 5 拉伸回程 y 0 1 0 k a 9 ( y 9 ) x 0 1 6压边回程y 0 1 1 k a l 0 ( p c 运行) x 0 1 7 压边滑块上限 y 0 1 2 k t i ( 拉伸时间1 x 0 2 0 防碰限位 y 0 1 3 k t 2 ( 取件时间) x 0 2 1 急停 y 0 1 4 h l 5 ( 压边指示) x 0 2 2 自动 y 0 1 5 h l 6 ( 拉伸指示) y o l 6 k a l l ( y 1 0 a 加压指示) y 0 1 7k a l 2 ( y 10 b 增压指示) - 1 5 广东工业大学工学硕上学位论文 图2 - 5 变频器、电机及p l c 连线连线图 f i 9 2 - 5t h ec o n n e c t i o no ft r a n s d u c e r 、m o t o ra n dp l c 提供成形力的液压系统要求满足液压成形的工艺要求，同时系统不会过于复 杂。其液压系统原理如图2 6 所示。其动作说明如下：电机启动，泵来油经换 向阀中位流回油箱，泵卸荷。当1 d t 通电时，油经过换向阀、单向阀进入注油板 将板料压入凹模而成形。在成形的末期，1 d t 断电，2 d t 通电，油经过增压缸进 入注油板，在超高压的作用下，板料进一步紧贴凹模而成形其小圆角。该液压系 统中的关键是变频器5 与增压缸1 0 。 第二章监控系统总体方案 1 油箱2 过滤器3 油泵4 电机5 变频器6 溢流阀7 压力表 8 换向阀9 单向阀1 0 增压缸 图2 6 成形力液压系统原理图 f i g 2 - 6h y d r a u l i cs y s t e mo ff o r m i n gf o r c e 在液压成形中，根据工艺的需要，液压系统提供给液压室的工作流量和工作 压力应该是不断变化的，因此液压系统所消耗的功率也应该是随着工作流量和工 作压力的变化而不断变化的。液压泵是液压系统的动力源，液压机中的液压泵大 多是定量泵，拉深工序中不同动作所需的液压油工作流量和压力是通过一系列阀 门及相关回路来调节的。由于泵的流量一定，也就意味着在工作周期的各个阶段 其流量均为最大工作流量，在不需最大工作流量的工序上，多余的压力油经溢流 阀回路流回油箱，而驱动液压泵的电机始终保持着维持最大工作流量时的转速， 因此电机所消耗的功率也始终维持在工作周期中的最大功率上，造成了大量的电 能浪费。在液压回路上加装变频器回路，根据工作周期中所需的压力的变化，利 用变频器的变频功能改变驱动电机的电源频率，使周期中的每一个确定的液压工 作流量都对应不同的电机转数( 频率) ，使电机的转数根据工作要求的变化而实时 变化，从而可达到对液压系统的工作流量和工作压力进行实时控制和节约电能的 目的。增压缸是在成形的最后阶段为了成形工件的小圆角而为液压室提供高压的 一种措施。例如，假使零件的最小圆角半径为5 m m ，成形零件采用0 8 a l 钢， 板厚为0 8 m m ，按照液体压力的计算公式：p = 2 t o r ( t 为板料厚度，o 为材 广东工业大学工学硕士学位论文 料屈服应力，1 7 为最小圆角半径) ，算出所需的压强为5 7 6 m p a ，由于所需压强较 高，一般的液压元件难以满足，若整个系统采用超高压泵和耐高压液压元件，势 必会增加制造成本，所以我们在这里采用了增压缸来满足成形后期所需的高压。 2 3 监控系统的功能要求 液压机的监控系统要求能在中央控制室实现对各台液压设备的监测、控制 功能，具体要实现的功能如下： ( 1 ) 工艺参数采集功能： 能动态采集液压成形的两个重要的工艺参数，成形力和压边力。 ( 2 ) 状态数据的处理与分析 能对采集数据进行存储。 ( 3 ) 报警功能 对监控参数能实施报警功能，并能进行记录( 包括发生日期、时间、监测参 数数据，相关信息等) 。 ( 4 ) 集中显示功能 监控参数的动态显示；主要参数的实时曲线及历史曲线显示；实时 数据和历史数据记录显示。 ( 5 ) 查询功能 监控参数的历史数据查询；监控参数的曲线查询；报警查询。 ( 6 ) 报表及打印功能 数据报表的生成；数据报表和趋势曲线的打印； 2 4 组态软件在系统中的应用 监控系统软件设计好后，要和实际中的下位机联系起来，就必须设置相关的 设备连接，组态王设备管理中的逻辑设备分为d d e 设备、板卡类设备( 即总线型 设备) 、串口类设备、人机界面卡、网络模块，工程人员可以根据自己的实际情 况通过组态王的设备管理功能来配置定义这些逻辑设备，本系统中采用的是串口 类设备。 串口类逻辑设备实际上是组态王内嵌的串口驱动程序的逻辑名称，内嵌的串 口