基于PLC的企業(yè)棒材生產(chǎn)線(xiàn)冷床新技術(shù)的探討與研究

寧中赫+崔桂梅

【摘 要】棒材加工工藝路線(xiàn)中，過(guò)跨冷卻所用冷床的控制系統(tǒng)在整個(gè)工序中起著非常重要的作用。本文詳細(xì)地介紹了中小型棒材車(chē)間小型冷床的組成結(jié)構(gòu)、功能、傳動(dòng)方式、控制要求。針對(duì)棒材廠(chǎng)原生產(chǎn)線(xiàn)冷床控制方式落后、自動(dòng)化程度低的問(wèn)題，根據(jù)系統(tǒng)作業(yè)要求，采用了P L C 自動(dòng)控制技術(shù)，運(yùn)用軟件工程的設(shè)計(jì)方法與原則實(shí)現(xiàn)了主要功能模塊，完成了自動(dòng)化解決方案。

【關(guān)鍵詞】冷床 棒材加工 自動(dòng)控制 PLC

1 前言

冷床是棒材生產(chǎn)線(xiàn)上承載、矯直、冷卻高溫軋件的重要設(shè)備，將冷床固定齒條上的通過(guò)飛剪剪切后的倍尺長(zhǎng)度的軋材步進(jìn)式向前移，以成組的形式輸送到輸出輥道上，最后再輸送到冷剪機(jī)，由冷剪機(jī)對(duì)軋件進(jìn)行定尺剪切[1]。通過(guò)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐可知，冷床在整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)上有著至關(guān)重要的作用，其直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量好壞[2]。隨著大規(guī)模集成電路LSI的不斷發(fā)展，在企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)線(xiàn)中以微處理機(jī)為核心的可編程序控制器得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在步進(jìn)式冷床控制系統(tǒng)中應(yīng)用可編程序控制器（PLC）對(duì)促進(jìn)軋鋼過(guò)跨冷卻技術(shù)的改進(jìn)提供了軟硬件支撐[3]。

2 冷床控制系統(tǒng)

原有冷床卸鋼方式是用兩個(gè)拖動(dòng)拉桿同時(shí)來(lái)操作，制動(dòng)方式采用的是液壓制動(dòng)器制動(dòng)。在卸鋼時(shí)，全段輥道是以一個(gè)特定的速度運(yùn)行的，通過(guò)人工手動(dòng)方式調(diào)整變頻器面板的可調(diào)電位器來(lái)確定輥道速度，鋼材會(huì)在輥道上做加速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而與下一支鋼的距離會(huì)被逐漸拉大。上卸鋼電機(jī)會(huì)在接到卸鋼信號(hào)后開(kāi)始啟動(dòng)，然后液壓制動(dòng)器松抱閘，在拖動(dòng)拉桿運(yùn)轉(zhuǎn)一周后，接近開(kāi)關(guān)就會(huì)斷開(kāi)接觸器，進(jìn)而完成整個(gè)卸鋼的動(dòng)作。在該過(guò)程中，冷床的氣動(dòng)離合也會(huì)相應(yīng)的伴隨著動(dòng)作一次[4]。通過(guò)在實(shí)際生產(chǎn)中的實(shí)踐可知該系統(tǒng)對(duì)于快速卸鋼的要求是達(dá)不到的，而且由于制動(dòng)器需要時(shí)常進(jìn)行調(diào)整而產(chǎn)生廢鋼，極大影響了鋼材的成材率。冷床上卸鋼機(jī)構(gòu)如圖1所示。

原有冷床應(yīng)用傳統(tǒng)方式的下?lián)茕撨M(jìn)行上卸鋼，這種方式會(huì)經(jīng)常在生產(chǎn)過(guò)程中導(dǎo)致卡鋼，而且該種方式卸鋼速度較低。為了滿(mǎn)足生產(chǎn)需要計(jì)劃，將卸鋼方式改造為制動(dòng)裙板方式，為了便于進(jìn)行控制并將變頻輥道分為四段，以滿(mǎn)足對(duì)冷床齒條步進(jìn)機(jī)構(gòu)、冷床液壓系統(tǒng)、輥道、上卸鋼的電氣控制。

3 改造方案

為了減少熱停工，增強(qiáng)軋制流水線(xiàn)的安全運(yùn)行，并進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)控制功能，現(xiàn)在在系統(tǒng)中加入一套升級(jí)后的PLC控制裝置，通過(guò)PLC對(duì)冷床和軋機(jī)分別進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制。

基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)采用 SIEMENS S7400 PLC系列的處理器CPU 414-2 DP。工業(yè)以太網(wǎng)則被應(yīng)用于PLC各系統(tǒng)以及與人機(jī)界面HMI中；PLC、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程站ET200三者則采用Profibus-DP網(wǎng)作為通訊工具?？刂葡到y(tǒng)PLC的編制程序應(yīng)用西門(mén)子STEP-7V5.5，控制界面的編制應(yīng)用WINCC 6.0。系統(tǒng)是由兩個(gè)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)以及三個(gè)等級(jí)的系統(tǒng)控制組成。

調(diào)速傳動(dòng)控制系統(tǒng)、HMI、基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)共同構(gòu)成三個(gè)等級(jí)的系統(tǒng)控制。兩個(gè)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)是把網(wǎng)絡(luò)中的信息實(shí)現(xiàn)交換功能，具體要求是把HMI與PLC連成以太網(wǎng)。另一個(gè)是通過(guò)SIEMENS S7400 PLC將系統(tǒng)中的各種指令和參數(shù)傳送至系統(tǒng)中其它調(diào)速傳動(dòng)裝置中，進(jìn)而將其中的各種參數(shù)和狀態(tài)特征顯示在HMI的CRT上。改造后的冷床區(qū)設(shè)備控制系統(tǒng)如圖2。

4 PLC系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

由于在本棒材連軋控制系統(tǒng)中，控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且輸入以及輸出點(diǎn)數(shù)繁多，因此宜應(yīng)用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方式?，F(xiàn)在把PLC程序分成三個(gè)部分：信號(hào)采集、信號(hào)輸出、程序處理。另外出于增強(qiáng)傳動(dòng)控制裝置的運(yùn)行速度和精確性的目的，又把傳動(dòng)控制裝置的部分功能從PLC中分離出來(lái)。這樣的話(huà)，PLC控制系統(tǒng)就能從傳動(dòng)控制任務(wù)中脫離出來(lái)，PLC作為整個(gè)冷床控制系統(tǒng)的核心，功能主要有：

（1）接收上位機(jī)的各種指令和參數(shù)然后向上位機(jī)HMI傳送現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，PLC要一直不間斷得向上位機(jī)傳送傳感器狀態(tài)、保護(hù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等各設(shè)備的信息。

（2）從遠(yuǎn)端I/O站發(fā)出的指令傳送到PLC上并通過(guò)PLC傳送其它設(shè)備的操作狀態(tài)。檢測(cè)的軋件溫度值、接近開(kāi)關(guān)、以及液壓站和稀油站狀態(tài)信號(hào)等通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)傳送到PLC系統(tǒng)，并通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)再將系統(tǒng)中其它設(shè)備的操作狀態(tài)傳送到遠(yuǎn)端I/ O站，用來(lái)顯示信號(hào)燈和報(bào)警。

（3）作為通信中樞的PLC將上位機(jī)的設(shè)定值如級(jí)聯(lián)系數(shù)初始值，張力修正系數(shù)等傳送到傳動(dòng)控制器。與此同時(shí)還將遠(yuǎn)程I/O站的指令如軋機(jī)運(yùn)行命令、正反轉(zhuǎn)、升降速、聯(lián)動(dòng)等經(jīng)處理后輸送到傳動(dòng)控制器里。

（4）實(shí)時(shí)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。PLC通過(guò)連續(xù)不斷的對(duì)各個(gè)保護(hù)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和軋制速度、電機(jī)電流等數(shù)值進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

5 系統(tǒng)功能

（1）速度級(jí)聯(lián)控制：當(dāng)速度修正信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，對(duì)相鄰的機(jī)架速度采用級(jí)聯(lián)方式修正。由現(xiàn)場(chǎng)可知，由一臺(tái)交流電機(jī)集中傳動(dòng)并且該不可調(diào)速的中軋機(jī)組是由4架機(jī)組組成的，所以可以把聯(lián)調(diào)系統(tǒng)分成兩塊：第一塊是圍繞交流電機(jī)，K12/K11級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)是反向的；第二塊是中軋機(jī)組以后的精密軋機(jī)機(jī)組的調(diào)解方式為順調(diào)。可以由線(xiàn)速度變化量（該速度指的是上游機(jī)架的速度）和減速機(jī)轉(zhuǎn)速之比以及延伸系數(shù)來(lái)給出聯(lián)調(diào)速度，進(jìn)而算出速度的預(yù)設(shè)值（軋機(jī)電機(jī)），保證兩個(gè)機(jī)架之間具有相等的秒流量。

（2）速度沖擊后補(bǔ)償：使軋件正確咬入軋機(jī)，降低速度的波動(dòng)，進(jìn)行速度的沖擊補(bǔ)償，具體解決辦法是軋件進(jìn)入軋機(jī)前提高機(jī)架的速度。

（3）軋線(xiàn)速度自適應(yīng)設(shè)置：該功能就是通過(guò)速度修正信號(hào)以及對(duì)相應(yīng)機(jī)架修正后的延伸率對(duì)速度的設(shè)定值進(jìn)行修正。

（4）軋件的跟蹤控制：計(jì)算機(jī)棒材連軋控制系統(tǒng)的主要功能之一就是軋件跟蹤。生產(chǎn)線(xiàn)上各區(qū)段軋機(jī)的負(fù)荷繼電器以及熱金屬檢測(cè)器的（ON/OFF）狀態(tài)變化反應(yīng)到PLC上，PLC再通過(guò)以上狀態(tài)變化來(lái)更新跟蹤指示字，進(jìn)而每根軋件的位置可以通過(guò)觀察跟蹤指示字的變化來(lái)判斷出來(lái)。

（5）軋制支數(shù)以及成品支數(shù)的統(tǒng)計(jì)：軋制支數(shù)以及成品支數(shù)可以通過(guò)鋼坯長(zhǎng)度以及各機(jī)架間的負(fù)荷信號(hào)有無(wú)統(tǒng)計(jì)出結(jié)果。

（6）冷床步進(jìn)輸運(yùn)的流程控制：上鋼裝置的作用是在某一特定時(shí)間點(diǎn)將倍尺飛剪切后的軋件送到冷床上，倍尺剪剪切的長(zhǎng)度，水冷輥道的速度，精軋機(jī)末架速度都會(huì)對(duì)冷床上的軋件造成影響，另外上鋼裝置在各個(gè)部分的停留時(shí)間、上鋼裝置的使用組數(shù)、液壓閥的動(dòng)作時(shí)間、每組冷床輸入輥道的速度等也都會(huì)對(duì)軋件造成影響。在HMI上，根據(jù)操作規(guī)程，工人選擇上鋼裝置的組數(shù)、中位停留時(shí)間還有上鋼延時(shí)時(shí)間。最終，PLC通過(guò)各種設(shè)定值和信號(hào)來(lái)控制上鋼裝置液壓閥的動(dòng)作。同時(shí)，為了增加控制系統(tǒng)的調(diào)整空間，在對(duì)PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)還保留了人工修正接口[5]。冷床步進(jìn)輸運(yùn)的工作流程圖如圖3。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)企業(yè)棒材廠(chǎng)原生產(chǎn)線(xiàn)冷床控制方式的特點(diǎn)，考慮到冷床是在線(xiàn)工作的設(shè)備，設(shè)備動(dòng)作十分頻繁，其設(shè)計(jì)壽命的長(zhǎng)短直接影響企業(yè)生產(chǎn)的效益和效率。通過(guò)將PLC，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到本控制系統(tǒng)中，并與其它同類(lèi)型控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，使本控制系統(tǒng)具有了結(jié)構(gòu)開(kāi)放、組態(tài)靈活、控制功能完善、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。該控制系統(tǒng)應(yīng)用分布式結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)自動(dòng)化控制收集區(qū)設(shè)備的運(yùn)行，可以很大程度上節(jié)約企業(yè)經(jīng)濟(jì)成本和設(shè)備維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉輝，時(shí)國(guó)平.基于冷床自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2010，01：28-29+33.

[2]趙剛，杜佩芝，楊永立，陳勝波，張競(jìng)祥，鄒燕，趙冬平.分布式PLC控制系統(tǒng)在棒材連軋自動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].冶金自動(dòng)化，2002，03：31-34.

[3]Guo Rui.Automatic Control System of Steel Bar Production Line Based on PLC Programming[A]， International Conference on E-product E-service & E-entertainment. 2010：1-5.

[4]林艷生，李杰，易澤龍.棒材軋線(xiàn)冷飛剪PLC控制系統(tǒng)[J].冶金自動(dòng)化，2013，04：49-52.

[5]陳曉紅，于曉光，姚瑤，范依妮.線(xiàn)棒材輸出輥道液壓站PLC控制研究[J].液壓與氣動(dòng)，2013，07：52-54.