一、前言

   某汽车厂多条生产线的压机是德国SCHULER压力机公司于九十年代制造的设备， 采用SIEMENS公司的S5系列PLC实现冲压机床的核心控制和危急保护，从投入使用到现在已连续生产了十多年，目前它所使用的西门子S5控制系统已存在较严重的老化现象，故障率上升，且很多电气控制设备由于年限太久，西门子已不生产和供应，备件供应存在很大风险，这种状况如不及时改变，将压机维护以及正常高效生产带来很大的隐患，为解决压机所面临的维护问题，将目前所使用的西门子S5控制系统升级到目前广泛使用的西门子S7控制系统，充分保障冲压机床的正常高效运行。

二、系统概况

随着中国WTO的加入，国外汽车大厂纷纷在中国投资建厂，汽车种类繁多，款式各异，冲压生产企业的发展与汽车工业越来越紧密地联系在一起。本次改造对象是600吨位闭式冲压机，系统控制原理图如下所示。冲压机床工作时，由电动机通过皮带轮驱动飞轮，经过齿轮副和离合器带动曲柄滑块机构，将飞轮的旋转运动转换为滑块的上下运动从而完成对工件的冲压。滑块从最高点开始运动，运动到最低点完成对工件冲压，然后又回到最高点断开离合器，完成一个工作循环。为了调节滑块作用在工件上的大小以便更好地完成对工件地冲压，在移动工作台下面安装有气垫，通过调节气垫内部压缩空气的压力保证压机以规定的压力进行冲压。在冲压过程中由于滑块的重量将对整个系统的运动产生重要影响，故采用一套平衡装置，用压缩空气托住滑块，使得在工作中滑块的重量为零，滑块运动的动力完全由飞轮提供。从而避免了滑块自重对系统的影响。每台压机可以更换不同的模具冲压不同的工件，在更换模具时将气垫放下，将安装于滑块上的凸模解锁，放置于移动工作台的凹模上面，滑块开到最高点，然后通过移动工作台将模具开出，将新模具开入。

图1 压机工作原理

系统由以下几个部分组成：
　　1. 由S5-155U构成冲压机床核心控制系统

2. 由S5 I/O驱动外围设备

3. 由WF470构成上位监控和数据管理系统

4. 由并行编码器监测系统滑块，气垫高度，凸轮角度

5. WF715构成凸轮安全控制系统

三、系统要求

1）延长机器的使用寿命――――由于压力机为汽车生产线上的关键设备，该设备的正常与否直接关系到整个汽车生产线的运行效率，而且单台压机的设备造价昂贵。由于压机机械部分的寿命大约在50年左右，而电气部分的寿命一般只有15年左右，因此在压机的使用年限里大约要对电气设备进行三次改造。

2）减少备件成本，良好的可维护性――——为了实现系统改造后具有良好的可维护性，各种硬件模块选用标准化系列，所选用的应是具有良好发展前景技术的产品，这样才能够保证将来长远的备件供应。软件方面在原有S5程序的基础上修改，既保证了改造后系统的一致性，同时根据用户需求定制控制功能，并加入必要的注释，保证程序代码的可读性，所以维护方面不存在问题，保存好各种开发文档资料并及时规范化入档，确保软件的可维护性；

3）快速更换减少停机时间，只需4周――——为了能做到现场施工省时省力，缩短停机时间，减少对生产的影响。改造前做好准备工作：对系统中哪些需要改造替换、哪些继续保留,进行合理的安排划分，防止盲目扩大改造范围和遗漏改造项目情况的发生。所有的接线以及程序中的控制点都保证完全一样。

4）全中文操作界面，强大的诊断系统――全汉化的操作界面，方便操作人员了解设备状况，修改工艺参数、提供产量查询，便于生产调度。同时在上位机以图形方式直观显示故障、报警信息，显示系统中各节点通讯状态。

5）根据用户需求定制控制功能――――在保持原有操作模式不变的同时，根据现场实际需要，增加相应的监控功能。

四、系统设计

1、设计方案

由于压力机为汽车生产线上的关键设备，该设备的正常与否直接关系到整个汽车生产线的运行效率，而且单台压机的设备造价昂贵。因此改造过程中要求的是100%安全，100%的成功率。鉴于上述情况，在整个项目改造的过程中采用如下的方案：

1）在整个系统改造的过程中，先调试软件，然后再进行电气设备的改造

为了降低整个项目的改造风险，在整个项目调试时先不进行电气设备的改造，所有的S5设备全部不动，在S5 系统里添加一块PROFIBUS通讯卡，将S5系统里所有的设备信号通过PROFIBUS通讯传输给S7 400的CPU，由S7 400 CPU取代S5的控制CPU，整个设备的控制程序在S7 400中运行，外部控制信号全部由S5的模板驱动。

在整个项目实施的过程中，通过在S5中增加一段切换程序，只需修改参数即可实现自由切换S7，S5系统来对机器进行控制，而且整个系统的更换过程可以在3个小时以内完成，做到了无风险改造。

2）整个电气设备改造遵循系统化升级改造的原则，根据压机控制工艺要求，将S5控制器升级为S7－400F控制器，增加安全保护功能。

安全控制系统是专门用于危险场所联锁和紧急事故停车的控制系统。它与用于普通工艺过程控制的PLC的本质区别在于，其功能是在事故和故障状态下（包括装置事故和控制系统本身发生故障时），使装置能够安全停车，避免对装置人员的伤害和对环境造成恶劣的影响等。如果有临界应用情形发生，控制器能够进入到用户定义的安全状态，以便按照预定的顺序执行停机程序，随后就可以向用户提供诊断数据信息报告。

为了用户对设备维护的方便，改造过程保证所有的程序结构，电气接线，以及说明文档都和原有系统大体一致，所有改动过的地方都有详细的说明以及标注。此外，所有程序，变量表均加中文注释，为维护人员带来方便。

3）监控画面采用一台WINCC数据监控服务器作为整个系统的主监控计算机，采用一台安装电子盘的触摸屏作为机器监控界面。

由于压机工作时的震动会对电脑的硬盘造成非常严重的损害，故要求在机械上安装的监控计算机不能有硬盘，而整个生产线的控制工艺又要求所有的数据管理必须由计算机来统一管理。为了解决上述矛盾整个系统采用两台计算机来进行管理。一台安装于电气控制柜内的BOX PC来实现整个系统的数据管理，管理软件采用西门子的监控软件WINCC来实现，操作系统采用稳定可靠的WINDOWS 2000。另外一台电脑采用微软的WINCE作为操作系统，整个电脑不带硬盘，数据存储于一个2G的电子盘上。

采用由德国进口的压机专用监控软件NETC@P，远程对BOX PC上的WINCC软件进行监控。与其他远程遥控软件相比，NetC@p软件专门针对实时服务，具有便于控制操作过程的特点。该系统是以一种图形显示卡的形式脱离软件运行的，因此，所有申请都会显示在一个个人数字助理或者移动平板电脑上，而不需要额外为软件编程，NetC@p负责分析和调节。这个被安装在主机上的软件就像一个终端仿真程序，把图像、鼠标和键盘信息以打包的形式放在以太网上，以供从机使用。从机常常被用作客户应用端或移动终端（以Windows CE作为操作系统），在从机上，NetC@p应用软件将自动开启运行。不需要其它程序或者装置的辅助。通过一个设定好的网络，或者ISDN以及DSL网络连接，只需预先设定连接参数，并且输入系统，即能轻松实现远程操作和分析，显著节省时间和花费。

4）编码器全部替换为PROFIBUS DP总线结构编码器。

将原先的TTL电平的绝对值编码器全部替换为带有PROFIBUS DP接口的编码器。PROFIBUS DP网络可以提供12Mb/s的传输速率以及优良的抗干扰能力使得新系统的控制精度以及抗干扰能力远远强于老系统。

5）S7I/O模块采用分布式I/O系统ET200M的模块，模块用亿维公司UNIMAT的UN 300系列模块，与CPU之间采用PROFIBUS DP总线结构。

2、系统配置

   整个自动化控制设备的升级对应表如下，自动化各种主要的电气控制设备都将采用新的控制系统替代。

改造后系统电气结构图如下：

                                        图2 系统电气结构

3、控制系统功能升级

      1）采用S7 400F故障安全型控制器及信号模块

系统的控制器采用西门子S7 400F故障安全型控制器，编制S7 400内部集成的凸轮控制软件来实现凸轮控制，代替原先系统的凸轮专用控制器WF715，在增加控制灵活性的同时，通过故障安全型控制器提供的安全功能模块对电子凸轮及凸轮编码器通讯进行安全监测，保障系统安全，避免对操作人员的伤害。

      2）S7 系统与计算机采用以太网进行数据交换

系统中增加以太网通讯模块CP443,通过以太网和整个系统的上位机进行数据交换，同时给以后整个生产线的组网提供接口，在每一台压机上均可监视该压机所在单元任意压机的运行情况，为维护带来方便。

       3）使用专用远程监控软件NETC@P,通过以太网实现压机显示终端（从机）与PC BOX（主机）之间的数据交换。

为了避免由于压机工作震动给计算机带来损害，采用两台电脑完成整个系统的监控，一台采用高可靠性西门子PC BOX工控机作为服务器，用来存储数据以及安装所有的控制软件；另一台作为客户显示终端运行一个专用操作系统，进行远程访问服务器；客户端的计算机上安装一个电子盘，没有任何的运动部件从而避免了由于压机的震动对电脑寿命的损害。

主机能够识别所有已登记的从机，并且每次只把操作权分配给一个从机。在控制室的操作台上输入这项指令的时候，会亮起一盏红色或者绿色的类似交通信号灯模样的指示灯。避免同时操作或者错误操作。操作人员还可以对主机进行预先设定，以决定每当有从机申请操作权的时候，是由主机做出决定，还是由主机自动把操作权分配给最先提出申请的从机。再次，如果需要授权某一位操作人员拥有操作权的话，也可以使用密码，或者一个密码开关锁定操作权的使用范围，最大限度地保障系统的安全操作。

4）WF470升级至WINCC

上位机软件由WF470升级至WINCC，上位机升级为15寸触摸屏操作方式。

利用WINCC的强大功能，系统增加了如下功能：

a) 汉语/德语语言切换功能，方便车间操作人员日常操作以及生产厂家的定期维护保养；      

b)在上位机显示PLC 输入、输出、模拟量输入输出的状态，与电控柜中PLC模块的实际布置一致，同时各个通道的每个点都配以详细注释；

                             图3 PLC I/O模块状态显示

c) 通过WINCC强大的存储功能增加100组模具数据管理，事先将模具的工艺参数存储在模具配方中，生产时只需将相应模具的参数导出即可，大大提高了换模速度，提高生产效率的同时便于模具的统一管理，减少误操作；

                              图4 模具数据配方

 d)增加模具数据操作权限管理。系统升级后，操作人员在设定模具参数时只能在从配方中导出的数据范围上下设定，超过设定范围则设定无效。设定范围可由机床维护人员进行设置，减少误操作对模具的损坏；增加滑块高度两次调节，将两次调节的数据集成到模具配方中，只需点击按钮即可实现高度设定，操作方便舒适；实现滑块高度和气垫高度同时调节，换模操作快捷稳定。

                             图5 模具数据参数设定

e)超强故障诊断系统，增加操作信息记录。系统升级后，除了保留系统原有故障记录以外，对于机床面板上的一些重要操作以及对于模具的所有参数设定操作进行记录，方便进行事故查找，责任明确；

                             图6 操作信息记录

f) 超强系统诊断功能，增加编码器标定，传感器、变送器标定。系统改造后，将参数标定复杂的计算通过程序实现，实际操作时，只需要按照标定向导，通过测量工具实测高度或者压力、温度等，即可完成标定工作。

                             图7 编码器标定

5)编码器采用PROFIBUS网络进行连接

   整个系统的编码器采用PROFIBUS网络进行连接，滑块调整和下气垫调整编码器采用一条专用的PROFIBUS网络进行连接，凸轮编码器采用独立的PROFIBUS网络进行连接，主要考虑到电子凸轮编码器是压机控制系统核心控件，在压机运行过程中需要快速实时响应。PROFIBUS网络的最大通讯速率可以达到12Mb/s最大限度的保证了编码器检测精度以及通讯质量。

五、改造效果分析

1）安全方面

   改造过程采用S5和S7新旧系统并行运行，确认S7系统控制可靠性后再拆除S5，保证无风险改造；在新系统中提供完善的系统诊断功能，排除安全隐患，保证了安全生产，避免人员伤害；

2）技术指标

   滑块、气垫高度，平衡器、气垫压力等各项压机关键参数均符合工艺要求，模具的产品质量得到良好的控制；

3）生产效率

   通过引进新的配方技术，全中文操作，有效提高换模速度，降低工作强度；

4）经济效益

   有了第一台压机成功升级改造的成功经验，其后的压机升级改造过程更加规范化，改造周期缩短1/3，达到高效改造，节约了大量维修费用。另采用UNIMAT的西门子兼容模块，也节省了成本。

六、结束语

通过本次改造实现了原有的全部控制功能，而且在原有操作监视功能的基础上实现了诸如配方换模、操作记录查询等用户定制的实用功能，为厂方进行生产管理和事故分析提供了强有力的工具。同时由于S7相对于S5更强大的功能，使得无论是系统响应速度还是维护调试都较之以前都有很大的改观。系统改造完成到现在已经安全稳定运行半年多，得到了厂方运行人员和管理人员的普遍好评。