自动化锻造生产线在线监测技术

文/曾琦,蒋鹏·北京机电研究所

任学平·北京科技大学

自动化锻造生产线在线监测技术

文/曾琦,蒋鹏·北京机电研究所

任学平·北京科技大学

曾琦，高级工程师，

主要从事锻造自动化技术的研究。

根据产品工艺需求，将锻造生产所需的设备有机结合在一起，实现产品生产的连续性和高效率，所构成的完整的生产流程，就是锻造生产线。目前，国外部分发达国家已经实现了锻造生产线的全线自动化，但国内许多生产线仍处于半自动化状态，即主要工序仍需要人工干预。

相比国外的锻造技术，国内的锻造生产还大都处于半机械、半人工生产状态，小锻件的中转搬运基本上都由人工实现，大锻件的中转搬运由机械手实现，设备和机械手之间的信号传递采取点对点的方式，靠人工判断进行操作，生产效率低下、依赖工人经验等都造成了产品难以走向国际市场。因此，实现锻造生产线的自动化是提升国内锻造产品在国际市场竞争力的有效方法。

控制方式

传统的锻造生产线采用的是点对点的控制方式，这也是我国大部分现有生产线所采用的控制方式。在这种控制方式下，设备之间的信号传递是类似串联的一种方式，由于只能实现点与点之间的衔接，每个设备只与其相关的相邻设备发生信号交换，因此一旦生产线中某个设备出现故障，故障信号就无法发送给与之不直接相关的设备，则这些设备依然按照预定程序运行，势必会造成整条生产线的混乱，甚至发生严重事故。因此，这种点对点的控制方式已经逐步被淘汰。

要实现锻造生产线的自动化，必须采用更新的控制技术，即现场总线控制技术。与传统点对点的控制方法相比，现场总线控制系统具有无可比拟的优势。

现场总线控制技术是控制信号和安全信号为一体的控制技术，系统采用两层总线结构，工业以太网为上层网，PROFIBUS-DP（或PROFINET）为下层网，此外单独设置安全总线，专门处理安全信号，这种控制网络构成如图1所示。只有在生产线中所有设备信号和安全信号均处于正常情况，生产线才能正常生产，一旦有任何意外发生，总线控制系统将通知各设备急停，并启动相应处理程序进行处理，意外处理完毕后再启动各个设备。

从自动化锻造生产线总线控制网络构成图中可以看出，对于总线控制技术而言，能够正确判断生产线的故障是保证生产能够顺利进行的关键。也就是说，一旦生产出现问题，总线控制系统必须能够在第一时间识别这个问题，并做出相应的判断和处理。

图1自动化锻造生产线总线控制网络构成

自动化生产

锻造生产是个复杂的过程，由于涉及内容包括加热、预成形、锻造、切边和整形等若干工序，因此生产中影响因素非常多。对于要求自动化生产的锻造生产线来说，锻造生产过程中的不稳定因素就更多了，正确判断并总结这些不稳定因素是总线控制系统设计的一个重要项目。

这里仅就生产中机器人搬运锻件可能存在的不稳定因素进行分析：

⑴由于锻件受坯料加热温度、模具温度、下料尺寸等因素影响，锻件成形时金属材料流动不同，使得锻造后锻件的飞边大小不一致，这时采用机器人或机械手搬运锻件，就可能产生夹持困难，或出现搬运不稳定的问题。

⑵设备的意外失效也可能造成生产线的中断，主要表现在以下2点。

1）锻造后因设备机械故障或液压故障，压力机顶杆未能顶出，若总线控制系统未做出响应，则必须人为干预，防止机器人夹持锻件时发生碰撞而损坏夹钳或模具。

2）锻造后顶杆顶出，但由于锻件粘模，锻件未顶起，这时机器人去夹持锻件同样会损坏夹钳或模具。

⑶由于润滑不充分，或者存在润滑死点，锻造后，锻件粘在上模无法正常脱模，或粘在上模一段时间后自动掉落，且掉落后的位置发生错移，这也会造成机器人夹持的过程中损坏夹钳或模具。

上述不稳定因素都属于生产线的意外事故，在工艺尚未稳定的情况下，这些意外经常发生，即使工艺已经稳定，也有发生的可能。如果没有良好的在线监测系统，总线控制系统无法识别锻造中产生的故障，各设备仍然按照既定程序运行，势必产生更大的问题，甚至损坏设备。另外，如果没有良好的监测系统，就需要人工对生产线进行监测，以便生产线出现故障时及时进行干预，因此无法实现生产线的无人化操作，也就不能真正实现全自动化锻造生产。因此，要实现锻造生产线的自动化，必须在总线控制系统中配置准确高效的监测系统。

在线监测系统

由于在线监测系统对于锻造生产的自动化起着非常重要的作用，因此需要根据锻造生产线的特点选择适当的在线监测方法。

目前，国内的锻造生产线大都还处于手动或半自动化状态，由于主要靠人工或者需要人工参与进行生产，因此无需安装在线监测系统。但是，近几年来，尤其是2005年以后，随着国内制造业对锻造产品需求的高速增长，同时国外发达国家逐步将锻造生产往国内转移，使得国内锻造行业面临着提升其自身行业竞争力的压力，于是纷纷开始新建自动化锻造生产线，基于以上几点，在线监测技术的应用需求也就逐渐产生并逐步扩展。

德国万家顿公司总承包在内蒙古第一机械制造（集团）有限公司建成的万吨级电动螺旋压力机生产线是国内第一条大吨位全自动化锻造生产线，但该生产线尚未配置在线监测系统，生产时需要人工监控生产状况。据悉，德国的蒂森克虏伯公司在美国建成的全自动化锻造生产线采用了光栅监测系统，蒂森克虏伯在南京新建的万吨热模锻压力机生产线也要求增加监测系统。

北京机电研究所承担并成功地完成了桂林福达重工锻造公司多条热模锻压力机锻造生产线的自动化系统设计建设工作，图2为该锻造公司140MN自动化锻造生产线，几条生产线均采用总线控制，但建线初期尚未配备在线监测系统。全线投产以来，在锻造生产线使用过程中，已经逐步感觉到在线监测系统的重要性，目前正在设计试验在线监测系统，并已取得初步成效。

在线监测系统的组成

要增加在线监测系统，首先必须找出锻造生产线的薄弱环节，即易出故障环节，通过在薄弱环节安装各类监测仪表，对生产及设备状况进行连续自动检测。在线监测可以实时监测被测装置或产品的实时状态，配合故障处理系统，可以实现生产线的无人化操作。

作为总线控制系统的重要辅助功能，在线监测系统是主控系统的一个子模块，可以作为一个独立的部分与主控系统进行信息传递和交互。主控系统和在线监控系统的结构示意图如图3所示。

图2 140MN自动化锻造生产线

图3 主控系统与在线监测系统结构示意图

根据在线监测设备的不同，信息的分析和处理可以由监测设备完成，也可以由总线控制系统完成。在线监测系统主要由以下部分组成：

图4 图像识别的流程

⑴监测信息接收。监测设备检测出反映设备状态的物理量，并将其转换为合适的电信号，传送到后续单元。

⑵监测信号处理。对监测设备送来的信号进行预处理，对干扰信号进行排除或抑制。

⑶数据采集。对经过处理的信号进行采集、转换和记录。

⑷数据分析和处理。对所采集到的数据进行处理和分析。

⑸数据传输。将处理后的数据输送给总线控制系统。

⑹故障诊断。总线控制系统对历史数据和当前数据进行分析、比较后，解决问题。

⑺故障处理。总线控制系统根据故障类型做出相应处理。

在线监测方法

⑴红外线反射测距法。红外线作为特殊的光波，具有光波的基本物理传输特性，红外线反射测距系统工作时，红外线发射器不断发射红外线，经障碍物反射后，接收器接收反射波信号。

监测系统工作时，红外线扫描锻件周围或锻件上特定点，只要锻件发生粘模或跳动，红外反射光波长就会发生变化，监测系统将信息发送给总线控制系统，总线控制系统根据已有程序设计采用适当的处理程序进行处理。试验结果表明，红外扫描可以将信息正确传递给总线控制系统，采用红外反射监测方案可行。

⑵图像识别法。图像识别技术包括数字视频监控器和数字图像识别系统两方面的内容。系统工作时，数字视频接收生产现场采集的数字视频信号，然后根据生产需要对采集到的数字视频图像进行图像分析、处理和识别，并将处理结果输出给总线控制系统，图像识别的流程见图4。

试验结果表明，采用图像识别技术可以实时了解锻造是否处于正常状态，该技术方案可靠，对粘模、跳模和飞边顶穿等现象都能准确测出。缺点在于图像识别系统的成本比较高。

⑶激光对射法。由于激光束的方向性极好，光能集中，传输效率非常高，适合远距离传输，此外，激光束属于闭路传输，不存在红外对射探测器在直线上连续布设或者邻近系统互相干扰的问题，可以长距离连续直线布设或近距离交叉布设，同样也不存在红外光漏泄干扰周围其他敏感红外设备的问题。

但是，经过试验发现，对于处于1000℃高温以上的锻造毛坯件来说，由于毛坯件表面具有高温反射光，激光束受到极大干扰，因此，在热锻生产线上不适宜用激光对射法。

⑷红外成像技术。红外热像仪是通过非接触探测红外热量，并将其转换生成热图像和温度值，进而显示在显示器上，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。

利用红外热像仪可以准确测量锻件的温度场，与预置的温度场进行比较，就能够确定锻件是否处于正常的位置。但是，红外热像仪成本太高，通用性不强。

结束语

实现锻造生产的全线自动化是我国锻造企业面临的一大挑战，也是我国锻造行业走向世界的一级阶梯，为了实现锻造生产线的自动化，必须能够识别生产中出现的各种问题，并对问题做出相应处理，这就要求总线控制系统具备锻件的在线监测和处理功能。因此，本文介绍的前两种适合锻造生产的在线监测方法必将在未来的先进自动化锻造生产线中得到广泛应用。