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【摘 要】针对目前五模五冲成型设备控制系统简单、稳定性差、故障率高及工业数据难以采集等缺点，设计一种集自动控制、工况显示、数据传输、故障诊断的五模五冲成型机自动控制系统。该系统以S7-200 Smart PLC控制器为核心，通过多种传感器实时监测系统的远行状况，在线进行故障诊断，实现了不同工况下成型机的智能控制。该系统操作更加简单，有效提高了设备的稳定性，改善了产品的质量，具有很好的应用前景。
【Abstract】In view of the shortcomings of the control system of the five die five molding equipment， such as the simple control system， poor stability， high failure rate and difficult acquisition of the industrial data， an automatic control system for five die five molding machine with automatic control， working condition display， data transmission and fault diagnosis is designed. The system takes S7-200 Smart PLC controller as the core， monitors the remote status of the system through a variety of sensors in real time， diagnoses faults online， and realizes the intelligent control of the molding machine under different working conditions. The operation of this system is more simple， and it can effectively improve the stability of the equipment and the quality of products， and the application prospect of which is promising.
【關键词】五模五冲;故障诊断;PLC;工业防火墙
【Keywords】five die five; fault diagnosis; PLC; industrial firewall
【中图分类号】TP273.5 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2019）01-0157-03
1 引言
随着劳动力成本以及行业竞争的加剧，紧固件产品的质量、成本和产品柔性更加依赖成型加工设备。成型机属于冷镦设备，主要用于螺丝产品的头部成型[1]，五模五冲成型机有5个加工工位，每个工位有独立的成形冲头组、母模组以及相关的调整部分，线材经矫直、送线、剪短、送料进入模腔，工料在各工位间由独立的夹爪传送，通过5次冷锻，能实现比较复杂的各种异型螺钉、空心或半空心铆钉及异形零件成型[2]。目前市场上传统的成型机原理较为简单，电气控制系统
仅由一些交流接触器、继电器及开关按钮组成，存在以下问题：
①设备陈旧，自动化程度低，难以实现比较复杂的控制及监测;
②缺少故障诊断及在线质量检测功能，容易出现设备故障及产品质量问题，在设备工作过程中需要专人看机，随时观察设备故障及产品质量，进行停机等相关工作，劳动效率低 [3-4];
③产品数量及故障信息无法获取，由于缺少计件，难以得到实时的产品数量，影响计划的排产;
④工业数据难以采集及传输，不能为决策提供依据。
针对以上问题，本文在分析设备故障的原因及影响产品质量的因素的基础上，设计一种五模五冲成型智能控制系统，采用多传感器融合技术，可实时监测设备的运行状态，在线进行故障诊断，并针对产品质量进行分析，在确保工控信息安全的前提下，实现系统控制的自动化、智能化、网络化，并将工业数据传输到数据中心，为实现工业互联网打好坚实基础。
2 系统硬件电路设计
2.1 系统主电路设计
系统主电路如图1所示，由7.5kW三相异步主电机、0.9kW油泵、2台空气开关、1台热继电器、3组接触器、开关电源、电磁阀、转速感知器、指示灯及继电器组成，其中系统的总开关为QS1，油泵的电源开关为QS2，FR用于主电机的热保护，KM1、KM2分别控制主电机的正反转，KM3控制油泵的开启，控制器输入输出由开关电源提供，KA1、KA2、KA3继电器分别驱动气动电磁阀、工作指示灯及报警灯，转速感知器用于设备回转异常检测，可实现对系统的保护。
2.2 系统控制电路设计
五模五冲成型机自动控制系统结构如图2所示。该系统包括PLC、设备上电开关、急停开关、自动开关、正转点动开关、反转点动开关、油泵开关、缺材传感器、计数传感器、短寸传感器、感测传感器、转速感知器、触摸屏、工作站、交换机等。西门子S7-200 Smart PLC 是控制系统的核心，负责对现场信号进行采集、处理与分析，同时通过交换机与现场的触摸屏、工作站及数据中心通信，提供良好的人机交互窗口和远程监控功能。 系统的工作状态有自动、点动、停止三种工作状态，点动模式用于点动调试机器，可根据要求进行正转或者反转点动，每按一次，机器动作一次，在设备调试好后，点动没有问题，机器的润滑和冷却都调到合适状态，进料正常后，按下自动开关，机器进入自动生产。当工件加工完成或出现故障时设备进入停机状态，机器按照特定程序逐步完成相关部位停止工作。
为保护设备，转速保护电路采用AMD转速异常监测器。当设备转速出现异常时，控制器根据系统所处状态产生相应的动作，直至报警停机;工件计数传感器采用接近开关设计，PLC利用HSC高速计数器进行采集，并通过屏幕显示;缺材传感器采用限位开关，短寸传感器采用直流机身设计;尺寸监测采用电压输出型位移传感器，所有传感信号均由PLC通过数字量和模拟量模块采集，通过驱动继电器和接触器实现对设备的智能控制;为了确保工业控制系统的信息安全，系统配置工业防火墙HT-IFW-2020-C100，能对工控协议进行深度解析，采用黑、白名单的安全策略，过滤一切非法访问，保证只有可信任的设备可以接入工控网络，只有可信任的流量可以在网络上传输。
3 控制软件设计
系统控制程序采用S7-MicroWIN Smart 软件编写，PLC主程序控制流程主要包含系统初始化、通信、参数设置、数据采集模块、控制及故障诊断模块这六个子程序，初始化子程序包括系统缺省参数的调入、输出的初始化等; 通信子程序主要负责PLC与触摸屏之间通信及与远程计算机之间的通信;参数设置子程序用于设置产品的型号、预加工数量、操作人员工号等信息;数据采集输入子程序主要对缺材、短寸、转速、计数、保护等传感信号及各种开关信号进行数据采集、分析与处理;故障报警子程序可在线根据传感信号进行数据融合，做出故障诊断，并根据故障类型存储故障代码，方便工程师进行故障处理。
控制子程序是系统控制的核心，可工作在手动调试及自动运行两种模式。手动调试时，操作人员可根据需求按照一定顺序启动或者停止设备;当调机正常后设备即可进入自动模式，系统设置了一键启动、一键停机等智能控制按钮。自动运行时，系统能根据各种传感器信号及运行参数确定设备运行状态，发出各种报警信息，进而实现对设备的保护。
4 系统界面设计
系统的现场控制柜除配置外部的基本手动按钮外，还配置了宽屏触摸屏Smart1000IE，可通过交换机与S7-200 Smart直接通信; 同时设置监控计算机，其通过交换机可与多套成型机控制系统通信，并通过虚拟机显示每套系统监控画面，不仅可以下发任务，还可依据流程经授权对现场设备远程控制，保证设备和工作人员安全。
人机交互界面设计采用SIMATIC WinCC Flexible 2008编程软件，根据生产工艺进行人机界面设计，系统包含7个画面，1个欢迎界面、1个主菜单界面及5个子界面。开機画面显示本设备的名称、型号、版本，并输入员工的工号及密码;点击“进入”按钮即可进入主菜单界面，包含运行监控、手动控制、参数设置、通信设置、报警查询等5个子菜单。每个子菜单对应1个子界面，实现相关参数设置及状态显示等功能。报警界面可实时显示当前告警及历史告警，包括电动机过热、转速异常、短寸、缺材等，并给出基本处理建议。
运行监控画面不仅实时监测各种运行参数，而且为用户提供了良好的操作体验，如图3所示，界面显示当前产品名称、计划数量、已完成数量、产品合格率、设备编号、运行状态、通信状态、故障次数等。当监测参数出现异常时，相应参数显示为红色，同时系统发出报警信号，提醒用户及时处理故障。通过相关的一键控制按钮，实现启、停机等功能，工人操作简单，只需简单培训即可上岗。
5 系统调试
首先，按照图1、图2电路设计接线，观察四种传感器运行状态，并调整其安装位置，确保信号监测正常;通过按钮及触摸屏分别调试电机、油泵、电磁阀及指示灯;设置通信参数，确保PLC能与触摸屏及监控计算机通信，并能实现数据传输。
其次，系统手动测试，按下触摸屏点动调试按钮，根据工件调机要求，按下正转点动按钮及反转点动按钮，观察设备运行位置、电磁阀工作状态及报警、停机。同时，观察触摸屏传感器的状态，在没有问题的前提下，按下正转启动按钮观察设备是否正常加工工件，并确保加工数量准确。
最后，功能正常情况下进行自动调试，设置工件的名称、数量及通信参数等，点击一键运行按钮，系统自动运行。当工件达到设定数量后或按下一键停止按钮时，系统可自动停机。当加工过程中出现报警时，系统的运行状态变为故障，点击即可进入故障诊断界面，如图4所示，系统会显示故障代码、故障部位等信息，并提示用户可能的故障原因，给出故障的基本解决方案，方便操作人员快速定位，实现系统高效运行。
由于设备工作过程油污较多，可能影响到传感器的正常工作，系统设计时充分考虑机器长时间运行传感器信号异常或者失效问题，加装传感器保护套，从而达到保护设备的目的。另外，要求操作人员应定期维护传感器，确保其干净整洁，使系统处于最佳的运行状态。
6 结论
设计一种集智能监测、故障诊断、工控安全的五模五冲成型机控制系统，该控制系统采用多传感器融合技术，通过智能控制逻辑及友好的操作界面，实现对成型机的智能控制，并对工件加工过程中的故障进行诊断，产生报警信号直至停机，同时设置监控工作站，方便业务下发及远程数据监控。另外，为了提高智能控制系统的安全，系统设置工业防火墙，精确判定并阻止各种恶意入侵行为，保证现场数据在安全可控范围内运行，为智能工厂的建设做好准备。
【参考文献】
【1】孙加存，丁金林，苏品刚，等. 螺丝打头装置故障监测系统设计与实现[J].苏州市职业大学学报，2016，27（2）：20-23.
【2】王文红，顾卫彬. 全自动五模五冲冷镦机的研制[J].制造技术与机床，2011（11）：136-139.
【3】张永强. 基于TPM的设备增效方法和应用研究[D].上海：上海交通大学，2010.
【4】 袁龙江，戴春祥，李莉敏. 基于ABAQUS 的冷镦机各工位动力学分析[J].锻压技术，2014，39（4）：84-87.
【Abstract】In view of the shortcomings of the control system of the five die five molding equipment， such as the simple control system， poor stability， high failure rate and difficult acquisition of the industrial data， an automatic control system for five die five molding machine with automatic control， working condition display， data transmission and fault diagnosis is designed. The system takes S7-200 Smart PLC controller as the core， monitors the remote status of the system through a variety of sensors in real time， diagnoses faults online， and realizes the intelligent control of the molding machine under different working conditions. The operation of this system is more simple， and it can effectively improve the stability of the equipment and the quality of products， and the application prospect of which is promising.
【關键词】五模五冲;故障诊断;PLC;工业防火墙
【Keywords】five die five; fault diagnosis; PLC; industrial firewall
【中图分类号】TP273.5 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2019）01-0157-03
1 引言
随着劳动力成本以及行业竞争的加剧，紧固件产品的质量、成本和产品柔性更加依赖成型加工设备。成型机属于冷镦设备，主要用于螺丝产品的头部成型[1]，五模五冲成型机有5个加工工位，每个工位有独立的成形冲头组、母模组以及相关的调整部分，线材经矫直、送线、剪短、送料进入模腔，工料在各工位间由独立的夹爪传送，通过5次冷锻，能实现比较复杂的各种异型螺钉、空心或半空心铆钉及异形零件成型[2]。目前市场上传统的成型机原理较为简单，电气控制系统
仅由一些交流接触器、继电器及开关按钮组成，存在以下问题：
①设备陈旧，自动化程度低，难以实现比较复杂的控制及监测;
②缺少故障诊断及在线质量检测功能，容易出现设备故障及产品质量问题，在设备工作过程中需要专人看机，随时观察设备故障及产品质量，进行停机等相关工作，劳动效率低 [3-4];
③产品数量及故障信息无法获取，由于缺少计件，难以得到实时的产品数量，影响计划的排产;
④工业数据难以采集及传输，不能为决策提供依据。
针对以上问题，本文在分析设备故障的原因及影响产品质量的因素的基础上，设计一种五模五冲成型智能控制系统，采用多传感器融合技术，可实时监测设备的运行状态，在线进行故障诊断，并针对产品质量进行分析，在确保工控信息安全的前提下，实现系统控制的自动化、智能化、网络化，并将工业数据传输到数据中心，为实现工业互联网打好坚实基础。
2 系统硬件电路设计
2.1 系统主电路设计
系统主电路如图1所示，由7.5kW三相异步主电机、0.9kW油泵、2台空气开关、1台热继电器、3组接触器、开关电源、电磁阀、转速感知器、指示灯及继电器组成，其中系统的总开关为QS1，油泵的电源开关为QS2，FR用于主电机的热保护，KM1、KM2分别控制主电机的正反转，KM3控制油泵的开启，控制器输入输出由开关电源提供，KA1、KA2、KA3继电器分别驱动气动电磁阀、工作指示灯及报警灯，转速感知器用于设备回转异常检测，可实现对系统的保护。
2.2 系统控制电路设计
五模五冲成型机自动控制系统结构如图2所示。该系统包括PLC、设备上电开关、急停开关、自动开关、正转点动开关、反转点动开关、油泵开关、缺材传感器、计数传感器、短寸传感器、感测传感器、转速感知器、触摸屏、工作站、交换机等。西门子S7-200 Smart PLC 是控制系统的核心，负责对现场信号进行采集、处理与分析，同时通过交换机与现场的触摸屏、工作站及数据中心通信，提供良好的人机交互窗口和远程监控功能。 系统的工作状态有自动、点动、停止三种工作状态，点动模式用于点动调试机器，可根据要求进行正转或者反转点动，每按一次，机器动作一次，在设备调试好后，点动没有问题，机器的润滑和冷却都调到合适状态，进料正常后，按下自动开关，机器进入自动生产。当工件加工完成或出现故障时设备进入停机状态，机器按照特定程序逐步完成相关部位停止工作。
为保护设备，转速保护电路采用AMD转速异常监测器。当设备转速出现异常时，控制器根据系统所处状态产生相应的动作，直至报警停机;工件计数传感器采用接近开关设计，PLC利用HSC高速计数器进行采集，并通过屏幕显示;缺材传感器采用限位开关，短寸传感器采用直流机身设计;尺寸监测采用电压输出型位移传感器，所有传感信号均由PLC通过数字量和模拟量模块采集，通过驱动继电器和接触器实现对设备的智能控制;为了确保工业控制系统的信息安全，系统配置工业防火墙HT-IFW-2020-C100，能对工控协议进行深度解析，采用黑、白名单的安全策略，过滤一切非法访问，保证只有可信任的设备可以接入工控网络，只有可信任的流量可以在网络上传输。
3 控制软件设计
系统控制程序采用S7-MicroWIN Smart 软件编写，PLC主程序控制流程主要包含系统初始化、通信、参数设置、数据采集模块、控制及故障诊断模块这六个子程序，初始化子程序包括系统缺省参数的调入、输出的初始化等; 通信子程序主要负责PLC与触摸屏之间通信及与远程计算机之间的通信;参数设置子程序用于设置产品的型号、预加工数量、操作人员工号等信息;数据采集输入子程序主要对缺材、短寸、转速、计数、保护等传感信号及各种开关信号进行数据采集、分析与处理;故障报警子程序可在线根据传感信号进行数据融合，做出故障诊断，并根据故障类型存储故障代码，方便工程师进行故障处理。
控制子程序是系统控制的核心，可工作在手动调试及自动运行两种模式。手动调试时，操作人员可根据需求按照一定顺序启动或者停止设备;当调机正常后设备即可进入自动模式，系统设置了一键启动、一键停机等智能控制按钮。自动运行时，系统能根据各种传感器信号及运行参数确定设备运行状态，发出各种报警信息，进而实现对设备的保护。
4 系统界面设计
系统的现场控制柜除配置外部的基本手动按钮外，还配置了宽屏触摸屏Smart1000IE，可通过交换机与S7-200 Smart直接通信; 同时设置监控计算机，其通过交换机可与多套成型机控制系统通信，并通过虚拟机显示每套系统监控画面，不仅可以下发任务，还可依据流程经授权对现场设备远程控制，保证设备和工作人员安全。
人机交互界面设计采用SIMATIC WinCC Flexible 2008编程软件，根据生产工艺进行人机界面设计，系统包含7个画面，1个欢迎界面、1个主菜单界面及5个子界面。开機画面显示本设备的名称、型号、版本，并输入员工的工号及密码;点击“进入”按钮即可进入主菜单界面，包含运行监控、手动控制、参数设置、通信设置、报警查询等5个子菜单。每个子菜单对应1个子界面，实现相关参数设置及状态显示等功能。报警界面可实时显示当前告警及历史告警，包括电动机过热、转速异常、短寸、缺材等，并给出基本处理建议。
运行监控画面不仅实时监测各种运行参数，而且为用户提供了良好的操作体验，如图3所示，界面显示当前产品名称、计划数量、已完成数量、产品合格率、设备编号、运行状态、通信状态、故障次数等。当监测参数出现异常时，相应参数显示为红色，同时系统发出报警信号，提醒用户及时处理故障。通过相关的一键控制按钮，实现启、停机等功能，工人操作简单，只需简单培训即可上岗。
5 系统调试
首先，按照图1、图2电路设计接线，观察四种传感器运行状态，并调整其安装位置，确保信号监测正常;通过按钮及触摸屏分别调试电机、油泵、电磁阀及指示灯;设置通信参数，确保PLC能与触摸屏及监控计算机通信，并能实现数据传输。
其次，系统手动测试，按下触摸屏点动调试按钮，根据工件调机要求，按下正转点动按钮及反转点动按钮，观察设备运行位置、电磁阀工作状态及报警、停机。同时，观察触摸屏传感器的状态，在没有问题的前提下，按下正转启动按钮观察设备是否正常加工工件，并确保加工数量准确。
最后，功能正常情况下进行自动调试，设置工件的名称、数量及通信参数等，点击一键运行按钮，系统自动运行。当工件达到设定数量后或按下一键停止按钮时，系统可自动停机。当加工过程中出现报警时，系统的运行状态变为故障，点击即可进入故障诊断界面，如图4所示，系统会显示故障代码、故障部位等信息，并提示用户可能的故障原因，给出故障的基本解决方案，方便操作人员快速定位，实现系统高效运行。
由于设备工作过程油污较多，可能影响到传感器的正常工作，系统设计时充分考虑机器长时间运行传感器信号异常或者失效问题，加装传感器保护套，从而达到保护设备的目的。另外，要求操作人员应定期维护传感器，确保其干净整洁，使系统处于最佳的运行状态。
6 结论
设计一种集智能监测、故障诊断、工控安全的五模五冲成型机控制系统，该控制系统采用多传感器融合技术，通过智能控制逻辑及友好的操作界面，实现对成型机的智能控制，并对工件加工过程中的故障进行诊断，产生报警信号直至停机，同时设置监控工作站，方便业务下发及远程数据监控。另外，为了提高智能控制系统的安全，系统设置工业防火墙，精确判定并阻止各种恶意入侵行为，保证现场数据在安全可控范围内运行，为智能工厂的建设做好准备。
【参考文献】
【1】孙加存，丁金林，苏品刚，等. 螺丝打头装置故障监测系统设计与实现[J].苏州市职业大学学报，2016，27（2）：20-23.
【2】王文红，顾卫彬. 全自动五模五冲冷镦机的研制[J].制造技术与机床，2011（11）：136-139.
【3】张永强. 基于TPM的设备增效方法和应用研究[D].上海：上海交通大学，2010.
【4】 袁龙江，戴春祥，李莉敏. 基于ABAQUS 的冷镦机各工位动力学分析[J].锻压技术，2014，39（4）：84-87.