一、前言

   某汽車廠多條生產線的壓機是德國SCHULER壓力機公司于九十年代制造的設備， 采用SIEMENS公司的S5系列PLC實現沖壓機床的核心控制和危急保護，從投入使用到現在已連續生產了十多年，目前它所使用的西門子S5控制系統已存在較嚴重的老化現象，故障率上升，且很多電氣控制設備由于年限太久，西門子已不生產和供應，備件供應存在很大風險，這種狀況如不及時改變，將壓機維護以及正常高效生產帶來很大的隱患，為解決壓機所面臨的維護問題，將目前所使用的西門子S5控制系統升級到目前廣泛使用的西門子S7控制系統，充分保障沖壓機床的正常高效運行。

二、系統概況

隨著中國WTO的加入，國外汽車大廠紛紛在中國投資建廠，汽車種類繁多，款式各異，沖壓生產企業的發展與汽車工業越來越緊密地聯系在一起。本次改造對象是600噸位閉式沖壓機，系統控制原理圖如下所示。沖壓機床工作時，由電動機通過皮帶輪驅動飛輪，經過齒輪副和離合器帶動曲柄滑塊機構，將飛輪的旋轉運動轉換為滑塊的上下運動從而完成對工件的沖壓?；瑝K從最高點開始運動，運動到最低點完成對工件沖壓，然后又回到最高點斷開離合器，完成一個工作循環。為了調節滑塊作用在工件上的大小以便更好地完成對工件地沖壓，在移動工作臺下面安裝有氣墊，通過調節氣墊內部壓縮空氣的壓力保證壓機以規定的壓力進行沖壓。在沖壓過程中由于滑塊的重量將對整個系統的運動產生重要影響，故采用一套平衡裝置，用壓縮空氣托住滑塊，使得在工作中滑塊的重量為零，滑塊運動的動力完全由飛輪提供。從而避免了滑塊自重對系統的影響。每臺壓機可以更換不同的模具沖壓不同的工件，在更換模具時將氣墊放下，將安裝于滑塊上的凸模解鎖，放置于移動工作臺的凹模上面，滑塊開到最高點，然后通過移動工作臺將模具開出，將新模具開入。

圖1 壓機工作原理

系統由以下幾個部分組成：
　　1. 由S5-155U構成沖壓機床核心控制系統

2. 由S5 I/O驅動外圍設備

3. 由WF470構成上位監控和數據管理系統

4. 由并行編碼器監測系統滑塊，氣墊高度，凸輪角度

5. WF715構成凸輪安全控制系統

三、系統要求

1）延長機器的使用壽命――――由于壓力機為汽車生產線上的關鍵設備，該設備的正常與否直接關系到整個汽車生產線的運行效率，而且單臺壓機的設備造價昂貴。由于壓機機械部分的壽命大約在50年左右，而電氣部分的壽命一般只有15年左右，因此在壓機的使用年限里大約要對電氣設備進行三次改造。

2）減少備件成本，良好的可維護性――——為了實現系統改造后具有良好的可維護性，各種硬件模塊選用標準化系列，所選用的應是具有良好發展前景技術的產品，這樣才能夠保證將來長遠的備件供應。軟件方面在原有S5程序的基礎上修改，既保證了改造后系統的一致性，同時根據用戶需求定制控制功能，并加入必要的注釋，保證程序代碼的可讀性，所以維護方面不存在問題，保存好各種開發文檔資料并及時規范化入檔，確保軟件的可維護性；

3）快速更換減少停機時間，只需4周――——為了能做到現場施工省時省力，縮短停機時間，減少對生產的影響。改造前做好準備工作：對系統中哪些需要改造替換、哪些繼續保留,進行合理的安排劃分，防止盲目擴大改造范圍和遺漏改造項目情況的發生。所有的接線以及程序中的控制點都保證完全一樣。

4）全中文操作界面，強大的診斷系統――全漢化的操作界面，方便操作人員了解設備狀況，修改工藝參數、提供產量查詢，便于生產調度。同時在上位機以圖形方式直觀顯示故障、報警信息，顯示系統中各節點通訊狀態。

5）根據用戶需求定制控制功能――――在保持原有操作模式不變的同時，根據現場實際需要，增加相應的監控功能。

四、系統設計

1、設計方案

由于壓力機為汽車生產線上的關鍵設備，該設備的正常與否直接關系到整個汽車生產線的運行效率，而且單臺壓機的設備造價昂貴。因此改造過程中要求的是100%安全，100%的成功率。鑒于上述情況，在整個項目改造的過程中采用如下的方案：

1）在整個系統改造的過程中，先調試軟件，然后再進行電氣設備的改造

為了降低整個項目的改造風險，在整個項目調試時先不進行電氣設備的改造，所有的S5設備全部不動，在S5 系統里添加一塊PROFIBUS通訊卡，將S5系統里所有的設備信號通過PROFIBUS通訊傳輸給S7 400的CPU，由S7 400 CPU取代S5的控制CPU，整個設備的控制程序在S7 400中運行，外部控制信號全部由S5的模板驅動。

在整個項目實施的過程中，通過在S5中增加一段切換程序，只需修改參數即可實現自由切換S7，S5系統來對機器進行控制，而且整個系統的更換過程可以在3個小時以內完成，做到了無風險改造。

2）整個電氣設備改造遵循系統化升級改造的原則，根據壓機控制工藝要求，將S5控制器升級為S7－400F控制器，增加安全保護功能。

安全控制系統是專門用于危險場所聯鎖和緊急事故停車的控制系統。它與用于普通工藝過程控制的PLC的本質區別在于，其功能是在事故和故障狀態下（包括裝置事故和控制系統本身發生故障時），使裝置能夠安全停車，避免對裝置人員的傷害和對環境造成惡劣的影響等。如果有臨界應用情形發生，控制器能夠進入到用戶定義的安全狀態，以便按照預定的順序執行停機程序，隨后就可以向用戶提供診斷數據信息報告。

為了用戶對設備維護的方便，改造過程保證所有的程序結構，電氣接線，以及說明文檔都和原有系統大體一致，所有改動過的地方都有詳細的說明以及標注。此外，所有程序，變量表均加中文注釋，為維護人員帶來方便。

3）監控畫面采用一臺WINCC數據監控服務器作為整個系統的主監控計算機，采用一臺安裝電子盤的觸摸屏作為機器監控界面。

由于壓機工作時的震動會對電腦的硬盤造成非常嚴重的損害，故要求在機械上安裝的監控計算機不能有硬盤，而整個生產線的控制工藝又要求所有的數據管理必須由計算機來統一管理。為了解決上述矛盾整個系統采用兩臺計算機來進行管理。一臺安裝于電氣控制柜內的BOX PC來實現整個系統的數據管理，管理軟件采用西門子的監控軟件WINCC來實現，操作系統采用穩定可靠的WINDOWS 2000。另外一臺電腦采用微軟的WINCE作為操作系統，整個電腦不帶硬盤，數據存儲于一個2G的電子盤上。

采用由德國進口的壓機專用監控軟件NETC@P，遠程對BOX PC上的WINCC軟件進行監控。與其他遠程遙控軟件相比，NetC@p軟件專門針對實時服務，具有便于控制操作過程的特點。該系統是以一種圖形顯示卡的形式脫離軟件運行的，因此，所有申請都會顯示在一個個人數字助理或者移動平板電腦上，而不需要額外為軟件編程，NetC@p負責分析和調節。這個被安裝在主機上的軟件就像一個終端仿真程序，把圖像、鼠標和鍵盤信息以打包的形式放在以太網上，以供從機使用。從機常常被用作客戶應用端或移動終端（以Windows CE作為操作系統），在從機上，NetC@p應用軟件將自動開啟運行。不需要其它程序或者裝置的輔助。通過一個設定好的網絡，或者ISDN以及DSL網絡連接，只需預先設定連接參數，并且輸入系統，即能輕松實現遠程操作和分析，顯著節省時間和花費。

4）編碼器全部替換為PROFIBUS DP總線結構編碼器。

將原先的TTL電平的絕對值編碼器全部替換為帶有PROFIBUS DP接口的編碼器。PROFIBUS DP網絡可以提供12Mb/s的傳輸速率以及優良的抗干擾能力使得新系統的控制精度以及抗干擾能力遠遠強于老系統。

5）S7I/O模塊采用分布式I/O系統ET200M的模塊，模塊用億維公司UNIMAT的UN 300系列模塊，與CPU之間采用PROFIBUS DP總線結構。

2、系統配置

   整個自動化控制設備的升級對應表如下，自動化各種主要的電氣控制設備都將采用新的控制系統替代。

改造后系統電氣結構圖如下：

                                        圖2 系統電氣結構

3、控制系統功能升級

      1）采用S7 400F故障安全型控制器及信號模塊

系統的控制器采用西門子S7 400F故障安全型控制器，編制S7 400內部集成的凸輪控制軟件來實現凸輪控制，代替原先系統的凸輪專用控制器WF715，在增加控制靈活性的同時，通過故障安全型控制器提供的安全功能模塊對電子凸輪及凸輪編碼器通訊進行安全監測，保障系統安全，避免對操作人員的傷害。

      2）S7 系統與計算機采用以太網進行數據交換

系統中增加以太網通訊模塊CP443,通過以太網和整個系統的上位機進行數據交換，同時給以后整個生產線的組網提供接口，在每一臺壓機上均可監視該壓機所在單元任意壓機的運行情況，為維護帶來方便。

       3）使用專用遠程監控軟件NETC@P,通過以太網實現壓機顯示終端（從機）與PC BOX（主機）之間的數據交換。

為了避免由于壓機工作震動給計算機帶來損害，采用兩臺電腦完成整個系統的監控，一臺采用高可靠性西門子PC BOX工控機作為服務器，用來存儲數據以及安裝所有的控制軟件；另一臺作為客戶顯示終端運行一個專用操作系統，進行遠程訪問服務器；客戶端的計算機上安裝一個電子盤，沒有任何的運動部件從而避免了由于壓機的震動對電腦壽命的損害。

主機能夠識別所有已登記的從機，并且每次只把操作權分配給一個從機。在控制室的操作臺上輸入這項指令的時候，會亮起一盞紅色或者綠色的類似交通信號燈模樣的指示燈。避免同時操作或者錯誤操作。操作人員還可以對主機進行預先設定，以決定每當有從機申請操作權的時候，是由主機做出決定，還是由主機自動把操作權分配給最先提出申請的從機。再次，如果需要授權某一位操作人員擁有操作權的話，也可以使用密碼，或者一個密碼開關鎖定操作權的使用范圍，最大限度地保障系統的安全操作。

4）WF470升級至WINCC

上位機軟件由WF470升級至WINCC，上位機升級為15寸觸摸屏操作方式。

利用WINCC的強大功能，系統增加了如下功能：

a) 漢語/德語語言切換功能，方便車間操作人員日常操作以及生產廠家的定期維護保養；      

b)在上位機顯示PLC 輸入、輸出、模擬量輸入輸出的狀態，與電控柜中PLC模塊的實際布置一致，同時各個通道的每個點都配以詳細注釋；

                             圖3 PLC I/O模塊狀態顯示

c) 通過WINCC強大的存儲功能增加100組模具數據管理，事先將模具的工藝參數存儲在模具配方中，生產時只需將相應模具的參數導出即可，大大提高了換模速度，提高生產效率的同時便于模具的統一管理，減少誤操作；

                              圖4 模具數據配方

 d)增加模具數據操作權限管理。系統升級后，操作人員在設定模具參數時只能在從配方中導出的數據范圍上下設定，超過設定范圍則設定無效。設定范圍可由機床維護人員進行設置，減少誤操作對模具的損壞；增加滑塊高度兩次調節，將兩次調節的數據集成到模具配方中，只需點擊按鈕即可實現高度設定，操作方便舒適；實現滑塊高度和氣墊高度同時調節，換模操作快捷穩定。

                             圖5 模具數據參數設定

e)超強故障診斷系統，增加操作信息記錄。系統升級后，除了保留系統原有故障記錄以外，對于機床面板上的一些重要操作以及對于模具的所有參數設定操作進行記錄，方便進行事故查找，責任明確；

                             圖6 操作信息記錄

f) 超強系統診斷功能，增加編碼器標定，傳感器、變送器標定。系統改造后，將參數標定復雜的計算通過程序實現，實際操作時，只需要按照標定向導，通過測量工具實測高度或者壓力、溫度等，即可完成標定工作。

                             圖7 編碼器標定

5)編碼器采用PROFIBUS網絡進行連接

   整個系統的編碼器采用PROFIBUS網絡進行連接，滑塊調整和下氣墊調整編碼器采用一條專用的PROFIBUS網絡進行連接，凸輪編碼器采用獨立的PROFIBUS網絡進行連接，主要考慮到電子凸輪編碼器是壓機控制系統核心控件，在壓機運行過程中需要快速實時響應。PROFIBUS網絡的最大通訊速率可以達到12Mb/s最大限度的保證了編碼器檢測精度以及通訊質量。

五、改造效果分析

1）安全方面

   改造過程采用S5和S7新舊系統并行運行，確認S7系統控制可靠性后再拆除S5，保證無風險改造；在新系統中提供完善的系統診斷功能，排除安全隱患，保證了安全生產，避免人員傷害；

2）技術指標

   滑塊、氣墊高度，平衡器、氣墊壓力等各項壓機關鍵參數均符合工藝要求，模具的產品質量得到良好的控制；

3）生產效率

   通過引進新的配方技術，全中文操作，有效提高換模速度，降低工作強度；

4）經濟效益

   有了第一臺壓機成功升級改造的成功經驗，其后的壓機升級改造過程更加規范化，改造周期縮短1/3，達到高效改造，節約了大量維修費用。另采用UNIMAT的西門子兼容模塊，也節省了成本。

六、結束語

通過本次改造實現了原有的全部控制功能，而且在原有操作監視功能的基礎上實現了諸如配方換模、操作記錄查詢等用戶定制的實用功能，為廠方進行生產管理和事故分析提供了強有力的工具。同時由于S7相對于S5更強大的功能，使得無論是系統響應速度還是維護調試都較之以前都有很大的改觀。系統改造完成到現在已經安全穩定運行半年多，得到了廠方運行人員和管理人員的普遍好評。