摘要：在当代机械制造与加工过程中，冲压生产是一种重要的产品成型技术。随着机器人技术、自动化技术的快速发展，机器人自动化冲压技术已成为现代冲压生产技术的重要发展方向，以现场总线技术为通信方式构成的分布式控制系统正在成为生产线自动化的有效途径。因此开发生产线的电控系统是一项非常重要的实用工程项目。基于此，本文根据生产线的工艺及要求，首先对生产线进行整体布局及设计，然后对电控系统的重要部分进行了硬件选型，对系统的安全性进行了设计。
关键词：冲压生产线；PLC；现场总线；
引言
现在应用广泛的总线协议种类和类型繁多，在选取合适的总线协议并组成网络控制系统时，网络信息传输的实时性与可靠性是主要依据和指标，而现在在很多具体应用场合，对总线的实时性分析还并不充分，因而对总线协议的内部通信机理的分析，以及结合具体应用领域和场合将分析扩展为实际和可视的指标化并具备可计算性是十分必要的，更进一步，甚至可以对现有协议中某些部分进行改进，以更适于需要的现场现状。本文结合某企业的机器人冲压生产线项目，充分对企业的生产需求进行分析，并结合当今主流的机器人控制技术和现场总线技术，完成整个生产线的控制系统设计，丰富了现场总线技术的应用案例。
1生产线的工艺流程
冲压生产线的工艺流程步骤比较多，但十分清晰。主要工艺步骤可以分为：
（1）垛定位：将板料垛放置在拆垛液压自动调位平台上定位。
（2）垛：磁力分离或气动分离，机械手抓取单张料坯（双料检测）至清洗平台磁性传送带上设定位。
（3）洗：双面刷洗，彻底清除油污、灰垢、颗粒等杂质。
（4）涂油：双面均匀涂刷规定厚度的专用冲压油膜。
（5）定位：进入冲压工序前，板料的精确定位，（重力加机械复合定位，或视觉定位）
（6）1号机械手从定位台抓取板料至1号压机冲压位。
（7）2号机械手从1号冲压位抓取工件至2号冲压位，依次工作至5号冲压位。
（8）6号机械手将工件堆垛或放置在传送带上，或传送到指定位置码垛完成工作。
2生产线的总体布局及组成单元设计
对工艺流程的分析可得，该生产线主体设备由冲压工艺相对应的拆垛机、清洗机、涂油机、定位设备、5台液压机、6台广州数控机器人、线尾传动带等串联构成标准生产线。
2.1总体布置设计
根据生产线的物流方向、工作流程及现场具体情况，合理布置各设备的位置。步骤如下:
2.1.1根据压机位置、间距及机器人的工作范围来确定机器人的位置；然后根据模具高度确定机器人基座的高度；再根据生产要求、已确定的机器人位置及可到达的范围确定对中台等其它设备的位置；然后，进行干涉校验，防止机器人运动过程中与其它设备特别是压机发生干涉。操作面板等控制设备的布置必须符合人机工程学原理，方便操作。
2.1.2按照各设备功率及控制的实际要求确定配线规格、数量；根据各设备现场具体的位置，规划配线路径，要求路径短，方便接线，并尽量避开干扰源。
2.1.3最后，根据各设备位置确定电、气接口位置，要求布置合理，连接简单。
3冲压生产线的电控系统硬件设计
控制系统控制着生产线各组成部分的协调工作。控制系统的技术先进性、完善性和可靠性，控制方法的灵活性和有效性直接决定了生产线的自动化程度和生产效率，本生产线的控制系统选择分布式控制系统。分布式控制系统已经有了长时间的发展。而现在，以现场总线控制系统为主的新一代分布式控制系统正在成为主流。
3.1系统PLC的选型
机器人主站的PLC选型，本设计只需一个中央机架CR。由于在本控制系统中，主站PLC最重要的功能是用于通信，根据方案，本设计中选取带有DP接口的型号CPU315-2DPPLC。
压机主站PLC的选型，对于本生产线压力机主站的PLC各个模块的选择与机器人主站的PLC所选择的型号和订货号一样。
压机从站PLC的选型，由于缺乏压机的内部结构，根据一般情况，先选择CPU315-2DP标准温度范围的PLC。压机从站选取输入输出点是用于将来的扩展所用，SM321只需选择输入点最少即可，所以选择8输入，120/230VAC，扩展的温度范围的数字量输入模块。同样，SM322选择8输出，24VDC，0.5A，诊断能力，扩展的温度范围的数字量输出模块。通信模块的选型，由于压机从站的PLC既需要作为与压机网络主站通信的智能从站，同时又要作为压机内部各阀、泵等的控制主站，必须再选取一个通信模块来与现场连接各个元件的远程I/O模块进行通信，控制压机的运行，选取可以作为下一级主站的CP345-2通信模块。
3.2分布式I/O的选型
本电控系统中共用到两处ET-200，上料机器人之前的线首部分和线尾皮带部分。具体选型如下。
线首单元ET-200的选型，线首部分，由于ET200S是带有CPU的智能型分布式I/O，特别适用于需要电动机启动器和安全装置的开关柜，而且光电式编码器或光电开关等可以与使用IQSense智能传感器的ET200S进行通信，扩展功能强大。所以选择ET200S为冲压生产线的线首的拆垛、清洗、涂油、对中的远程分布式I/O模块。具体地，本设计中ET200S需选择CPU和接口模块即可。
线尾单元ET-200的选型，线尾皮带部分的控制要求比较低、点少，选取一般通用的ET-200M。ET-200M由以下部分组成IM153接口,用于与PROFIBUS-DP现场总线的连接；各种I/O模块,用总线连接器连接或插入在有源总线模块内,系统运行时可更换模块；电源（如有必要）S7-300自动化单元的所有I/O模块,都可应用（功能和通信模块只用于SIMATICS7/M7主设备）；HART模块，最多可扩展8个I/O模块。每个ET-200M的最大地址区：128字节输入和128字节输出。PROFIBUS-DP和ET-200M之间的隔离保护等级IP20；数据传输速率最大为12M/S。
图1 安全防护范围示意图
3.3系统安全性的设计
在控制安全性的设计上，首先把整个生产线的中的每个压机和机器人作为单独的一个个单位，划分为这样若干个区域。由于在生产线进行生产的运行过程中，不允许人员进入压机、机器人等设备的工作范围内，这种控制即由上面提高的安全门、护栏等实现，一旦检测到安全门被打开，机器人和压机的动作应立即被停止，但同时，生产线设备众多，停止的设备应该设置为出现安全隐患的安全门等相对应区域内，而不是整条线。以3号机器人的安全门及2号压机的安全光幕为例，其对应的停止区域如图1所示。即打开3号机器人侧的安全门致使R2、P1、R3、P2、R4停止工作；打开2号压机的安全门会致使R3、P2、R4停止工作。同样，当设备出现安全故障时，为保障设备安全性，需要进行紧急停机，同样可参照下图的停机策略和区域。
然后，设计保障相关安全性的安全控制系统时，有以下方案。
用安全PLC的安全系统，该系统在机器人网络系统和压机网络系统里分别从硬件上增加（换装）了安全PLCS7-300F和相应故障模块ET-200S，模块连接在相应网络的PROFIBUS-DP总线上。其中，S7-300F系列PLC有S7315F-2DP与S7317F-2DP，它们是更强的故障处理型安全处理器，它处理指令的时间极快，通过自检，结构检测，逻辑顺序流程检测等措施，进行运行过程故障诊断与检测。
3总结
自动化冲压生产线的电控系统的方案设计的分析是一个比较大的系统工程。本文主要为对生产线系统整体布局及各个具体组成单元的设计，然后设计了其电控方案，现了自动冲压生产，提升了的生产效率，具有一定的意义。
参考文献
[1]卢泽旭.工业机器人在冲压自动化生产线中的应用研究[J].机电息.2012(12)：49-51.
[2]王明.工业机器人在冲压自动线中的应用[D].合肥工业大学硕士论文，2008.
论文作者:黄文秀
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/8/26
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