龐東平，沈 宏，曲 杰，莊 峰，徐會彩

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

1 概況

D53K系列徑軸向輾環(huán)機是目前環(huán)鍛行業(yè)不可缺少的先進設(shè)備，廣泛用來生產(chǎn)各種法蘭、回轉(zhuǎn)支承、齒輪等無縫環(huán)形鍛件。所生產(chǎn)環(huán)件產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于機械、汽車、火車、船舶、石油化工、航空航天、原子能、風(fēng)力發(fā)電等眾多工業(yè)領(lǐng)域；而環(huán)件的材料涵蓋碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鈦合金、銅合金、鋁合金、鈷合金、鎳基合金、高溫合金等多種金屬材料。

2 生產(chǎn)線組成

該生產(chǎn)線主要由以下部分組成：

（1）徑向軋制部分：包括徑向軋制機架、主輥電動機（直流或交流，目前多采用直流電機）、主減速箱、主輥、徑向軋制液壓缸、雙側(cè)抱輥液壓缸、雙側(cè)抱臂及抱輥、芯輥、工作臺。

（2）軸向軋制部分：包括軸向機架、軸向軋制液壓缸、隨動機架液壓缸、兩臺錐輥直流電機、兩套錐輥。

（3）床身機座：即主機，包含了床身、導(dǎo)軌等關(guān)鍵部件。

（4）電氣系統(tǒng)：包括主電氣控制柜、主輥傳動控制柜、錐輥傳動控制柜、液壓系統(tǒng)控制柜、主操縱臺等部分。

（5）液壓系統(tǒng)：提供設(shè)備各機構(gòu)運行的動力。

（6）潤滑系統(tǒng)：為設(shè)備各關(guān)鍵部分提供相應(yīng)的潤滑。

（7）冷卻系統(tǒng)：為熱軋時的模具等提供及時的冷卻。

各部分銜接緊密，結(jié)構(gòu)合理，布局美觀。電氣、液壓采用進口元器件，控制靈活、精確，完全可滿足生產(chǎn)需求。其中自主研發(fā)的上位機控制軟件，為設(shè)備精確控制提供核心大腦。

3 電氣控制系統(tǒng)特點

該生產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)，采用中央集中控制，運用現(xiàn)場總線控制，通信速度快，智能化程度高，主/從站之間用Profibus電纜連接，使現(xiàn)場布線更簡單。其中主要電氣控制應(yīng)用如下：

3.1 采用S7-300系列PLC作為核心控制單元

本生產(chǎn)線采用西門子S7-300系列PLC，CPU（中央處理器）采用317-2DP，該CPU存儲量大，可靠性高，處理速度快，采用Profibus通訊接口后，從硬件上充分保證了生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)處理速度和可靠性。輸入/輸出采用分布式ET200S模塊，方便接線及增加控制模塊。另外，根據(jù)需要，有的還采用工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換和傳輸，處理速率更快。

此外，從軟件上，STEP7編程語言的靈活優(yōu)勢在該生產(chǎn)線得以充分體現(xiàn)，輸入、輸出點的I/O控制子程序采用簡單易懂的梯形圖編輯方式，方便監(jiān)控調(diào)試；而各種復(fù)雜的動作子程序因為有大量的浮點運算、程序調(diào)用、重復(fù)跳轉(zhuǎn)，則采用語句表編輯方式，編寫簡單且節(jié)省掃描周期；程序編寫了多個OB組織塊、FB和FC功能塊、DB數(shù)據(jù)塊，各種編程指令都在此程序中得到恰當(dāng)應(yīng)用。

3.2 采用自主開發(fā)的上位機控制軟件

采用可靠性較高的研華工控機，自主開發(fā)上位機軟件，并利用Siemens的CP5611用OPC通過Profibus與下位機建立通訊進行數(shù)據(jù)交換；相當(dāng)一部分核心的處理運算在上位機中進行，釋放了下位機的運算壓力；軟件中為用戶提供了設(shè)備運行狀態(tài)畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、歷史數(shù)據(jù)查看畫面、輸入/輸出監(jiān)視畫面、模擬運行畫面，還有最關(guān)鍵的工藝配置畫面，在內(nèi)存允許范圍內(nèi)可存儲大量輾環(huán)工藝參數(shù)。上位機軟件中可以很方便地對各傳感器進行檢測和校準，方便用戶的維修保養(yǎng)。另外，上位機軟件還應(yīng)用了數(shù)據(jù)庫，分別建立了產(chǎn)品規(guī)格數(shù)據(jù)庫、材料規(guī)格數(shù)據(jù)庫和歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，利用這些數(shù)據(jù)庫，可以積累很多原始數(shù)據(jù)，便于開發(fā)人員和現(xiàn)場工藝人員、現(xiàn)場生產(chǎn)管理人員分析生產(chǎn)過程、檢驗工作進度、優(yōu)化工藝設(shè)置等工作。軟件還可根據(jù)加工毛坯和成品尺寸自動生成模擬加工曲線供操作者參照，并在生產(chǎn)中根據(jù)實際再生成實際加工曲線以進行對比，有利于今后軋制工藝的優(yōu)化。軟件安裝方便，界面友好，顯示直觀，方便操作人員使用和及時掌握設(shè)備運行情況。

3.3 多種先進傳感器等檢測元器件的應(yīng)用

該生產(chǎn)線選用MTS油缸，內(nèi)置直線位移傳感器,接入Profibus總線，直接讀取數(shù)字信號，對油缸的行程進行精準控制，摒棄了傳統(tǒng)的增量式編碼器（由于齒輪齒條的齒隙帶來的檢測誤差較大）；所有機構(gòu)到位動作檢測均有接近開關(guān)或行程開關(guān)進行保護；液壓站有數(shù)字式壓力表和油位、油溫檢測裝置，用來精確檢測各關(guān)鍵回路的壓力并反饋到系統(tǒng)，從而進行更精確的控制。

3.4 各軋制電機采用直流控制

為保證軋制時的可靠控制，該設(shè)備的主軋輥電機（兩臺）和軸向軋輥電機（兩臺）均采用直流電機，并選用Siemens的直流調(diào)速裝置6RA70進行控制，用Profibus總線將其接入系統(tǒng)，利用總線進行控制，大大提高控制可靠性，還可以根據(jù)需要將大量生產(chǎn)時的數(shù)據(jù)進行讀取保存，用于以后的分析和優(yōu)化。

3.5 現(xiàn)場總線控制應(yīng)用

Profibus現(xiàn)場總線是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)，主要包括最高波特率可達12M的高速總線Profibus－DP（H2）和用于過程控制的本安型低速總線Profibus-PA（H1）。DP和PA的完美結(jié)合使得Profibus現(xiàn)場總線在結(jié)構(gòu)和性能上優(yōu)于其他現(xiàn)場總線。Profibus既適合于自動化系統(tǒng)與現(xiàn)場信號單元的通訊，也可用于可以直接連接帶有接口的變送器、執(zhí)行器、傳動裝置和其他現(xiàn)場儀表及設(shè)備，對現(xiàn)場信號進行采集和監(jiān)控，并且用一對雙絞線替代了傳統(tǒng)的大量的傳輸電纜，大大節(jié)省了電纜費用，也相應(yīng)節(jié)省了施工調(diào)試以及系統(tǒng)投運后的維護時間和費用。根據(jù)統(tǒng)計，使用Profibus可以使工程總造價降低20%～40%。該生產(chǎn)線即采用這種通訊方式將CPU、人機界面、絕對值編碼器、伺服控制器、變頻器、分布式I/O單元等元件全部通過Profibus總線連接，節(jié)省了配線，簡化系統(tǒng)安裝、維修和管理。

4 生產(chǎn)線的市場前景和發(fā)展

自從國內(nèi)第一臺徑軸向輾環(huán)機在濟南鑄鍛所試制成功，該設(shè)備便陸續(xù)進入了國內(nèi)法蘭、回轉(zhuǎn)支承等用戶的大門。其應(yīng)用范圍還可推廣至鋼結(jié)構(gòu)、建筑、機械等行業(yè)，通過市場的不斷開拓，已吸引了更多國內(nèi)外企業(yè)的關(guān)注。

D53K系列輾環(huán)機為適應(yīng)更多用戶和工藝需求，也在不斷完善和發(fā)展，主要表現(xiàn)在：

（1）生產(chǎn)效率不斷提高，通過對液壓系統(tǒng)及電氣控制的優(yōu)化，以及對節(jié)能的優(yōu)化，該設(shè)備生產(chǎn)效率不斷提升，已經(jīng)達到進口設(shè)備的效率水平，有利于用戶高效生產(chǎn)，節(jié)約生產(chǎn)成本，為其產(chǎn)量增長提供有力保障。

（2）生產(chǎn)精度不斷提高，降低了用戶材料成本，直接為用戶創(chuàng)造收益。

（3）控制工藝不斷改進，操作簡易化，用戶自己培養(yǎng)操作人員上手快，改變了以往輾環(huán)機過度依賴操作工的情形，更有利于用戶的管理，也降低了用戶的成本。

（4）故障實時檢測功能日益完善，為保護模具增加了多個檢測開關(guān)，并在程序中不斷優(yōu)化，使可靠性、安全性、實用性都得到了保障；根據(jù)診斷信息，便于維護人員迅速找出問題所在，及時有效地處理；節(jié)約了檢修時間，從側(cè)面也保障了生產(chǎn)的有序進行；根據(jù)用戶提出的更先進功能需求，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊也被采用。

（5）通過產(chǎn)品的不斷升級來滿足用戶的各種需求，十多年來通過現(xiàn)場大量實驗數(shù)據(jù)，不斷摸索、積累工藝調(diào)試經(jīng)驗，從而不斷完善PLC程序，將工藝融入程序控制核心，亦即該生產(chǎn)線的核心所在。

（6）更多規(guī)格的環(huán)形鍛件持續(xù)開發(fā)中，如異型截面的鍛件的控制工藝在逐步摸索，部分產(chǎn)品已實現(xiàn)量產(chǎn)，不遠的未來將適應(yīng)更多品種的環(huán)形鍛件的加工制造；

（7）全自動輾環(huán)機的工藝模型已經(jīng)建立，并且在不斷完善中，將適時投入市場，環(huán)鍛行業(yè)的發(fā)展將更添助力。

5 結(jié)束語

該生產(chǎn)線的研制填補國內(nèi)空白，滿足多品種、多尺寸規(guī)格的環(huán)形鍛件的生產(chǎn)要求，滿足產(chǎn)品隨時變化的需要，縮短企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)周期，使環(huán)鍛生產(chǎn)企業(yè)不再依賴進口設(shè)備，節(jié)省設(shè)備投資，具有良好的社會經(jīng)濟效益。

[1] 楊 光，朱震中.深入淺出西門子S7-300PLC.西門子（中國）有限公司 自動化與驅(qū)動集團.

[2] 周益仁.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[3] 華 林，黃興高，朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[4] 谷瑞杰，權(quán)曉惠，張淑蓮，等.徑軸向數(shù)控軋環(huán)機定心輥位置自動控制技術(shù)研究[J].重型機械，2013，（6）.