基于PLC的酸洗線控制系統(tǒng)設(shè)計

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430000）

隨著我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，全連續(xù)式酸洗線已經(jīng)取代了傳統(tǒng)半連續(xù)式酸洗線[1]，全連續(xù)式生產(chǎn)線要求帶鋼在酸洗過程中保持一定的張力和匹配的速度，從而使帶鋼在設(shè)定的工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行實現(xiàn)高效酸洗和整齊卷取。同時為了保證機(jī)組安全、平穩(wěn)運(yùn)行，需要設(shè)置友好的實時監(jiān)測畫面，因此從測、控兩方面出發(fā)去研究酸洗線生產(chǎn)效率具有重要意義。

在全連續(xù)式酸洗線中，帶鋼在酸洗線上通過各工位主傳動電機(jī)和夾送輥的帶動向前運(yùn)動、酸洗，進(jìn)入卷取機(jī)后和五輥張力輥形成一定的張力實現(xiàn)緊密卷取。若各工位電機(jī)速度不一致，鋼帶會褶皺或斷帶，若卷取機(jī)與張力輥之間張力不恒定，鋼帶卷會松緊不一或剛帶跑偏。因此酸洗線中各工位電機(jī)的速度匹配和五輥張力輥與卷取機(jī)的張力恒定是控制系統(tǒng)的核心。本文立足于巴基斯坦某企業(yè)的全連續(xù)式酸洗線項目，分析了酸洗線的速度控制、張力控制，建立了張力輥數(shù)學(xué)模型精確計算設(shè)定張力值控制包角的大小實現(xiàn)張力輥的張力控制，采用了轉(zhuǎn)矩限幅的雙閉環(huán)控制實現(xiàn)卷取機(jī)的張力控制[2]。對酸洗線安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 酸洗線控制系統(tǒng)的工藝流程

全連續(xù)式酸洗線工藝流程可將全段分為入口段、工藝段、出口段三部分。如圖1所示為酸洗線工藝流程。

圖1 酸洗線工藝流程Fig.1 Process flow chart of pickling line

如圖所示，帶鋼卷上到開卷機(jī)，兩臺循3夾送輥的轉(zhuǎn)動將帶鋼送到九輥矯直機(jī)，矯直機(jī)對帶鋼進(jìn)行矯直并夾送至1#對中裝置進(jìn)行對中，使帶鋼在工作區(qū)域內(nèi)，對中完成后帶頭液壓剪剪齊帶頭方便焊接處跟前面帶鋼的帶尾進(jìn)行焊接，入口轉(zhuǎn)向輥將帶鋼送至焊接處，2#對中裝置對中，對中完成后進(jìn)行焊接。帶尾離開開卷機(jī)后將帶尾剪切并送至激光焊機(jī)處，同時另一開卷機(jī)進(jìn)行開卷工作，等帶頭到達(dá)焊接處后帶頭帶尾就可以進(jìn)行焊接操作了。焊縫退火后啟動自動定位使焊縫運(yùn)動到月牙剪處進(jìn)行切邊處理，之后帶鋼進(jìn)入工藝段酸洗槽進(jìn)行酸洗，然后進(jìn)入出口段，如圖2所示。

圖2 酸洗線出口段Fig.2 Pickling line outlet section

出口1#夾送輥將從工藝段過來的帶鋼夾送至坑式活套，坑式活套可以存儲一定的帶鋼防止出口段停車時前面工序關(guān)聯(lián)停車，保證機(jī)組運(yùn)行的連續(xù)性，活套坑上方有測距儀可以實時檢測并控制坑內(nèi)帶鋼量[3]。帶鋼自活套出來后經(jīng)過糾偏由2#夾送輥送至圓盤剪，圓盤剪可根據(jù)設(shè)定的寬度對帶鋼切邊，并由廢邊卷取機(jī)將廢邊回收，之后帶鋼進(jìn)入五輥張力輥，在這里進(jìn)行張力調(diào)節(jié)，操作人員可以在上位機(jī)畫面或本地操作箱上調(diào)節(jié)張力。帶鋼經(jīng)由平整機(jī)平整提高力學(xué)性能后送至卷取機(jī)收取，這就是連續(xù)式酸洗線的全部工藝流程。

2 機(jī)組張力系統(tǒng)分析

2.1 速度控制

連續(xù)式酸洗線入口段、工藝段、出口段3個工作段的機(jī)組運(yùn)行速度必須互相在一個工作速度內(nèi)，只有這樣才能更好地保障帶鋼的張力控制，通過上位機(jī)畫面可以單獨設(shè)置各段帶鋼的前進(jìn)速度。

入口段和出口段的速度計算公式為

式中：V為入口、出口段的速度；Vcent為工藝段速度；ΔV為充放套速度。

出口段的速度根據(jù)平整機(jī)的投入與否又分為2種情況，當(dāng)平整機(jī)不投入時平整機(jī)前后速度一致則出口段速度一致，操作臺設(shè)定的出口段速度就等于平整機(jī)前后速度。

當(dāng)平整機(jī)投入時，出口段的速度分為平整機(jī)前速度和平整機(jī)后速度，其中平整機(jī)前速度等于操作臺設(shè)定的出口段速度，平整機(jī)后速度為

式中：V1為平整機(jī)后帶鋼實際速度；Vset為操作臺設(shè)定的出口段速度；ΔV1為帶鋼因平整機(jī)壓縮產(chǎn)生的延伸速度，根據(jù)秒流量公式：

式中：V1′為平整機(jī)前帶鋼實際速度；V2′為平整機(jī)后帶鋼實際速度；h1′為平整機(jī)前帶鋼厚度；h2′為平整機(jī)后帶鋼厚度[4]，由公式（3）可知疊加在3#夾送輥上的速度ΔV1為

2.2 轉(zhuǎn)矩控制

酸洗線中開卷機(jī)和卷取機(jī)采用的是轉(zhuǎn)矩控制，這是一種間接張力控制。間接張力控制在這里表現(xiàn)為對電流的控制，電流經(jīng)過傳動表現(xiàn)為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)矩反映為張力。電氣傳動系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)矩限幅的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)矩限幅的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.3 Double closed loop control system for torque limiting

系統(tǒng)中設(shè)有串聯(lián)的轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)器和電流PID調(diào)節(jié)器，可以同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋控制。如圖中所示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出變量作為電流調(diào)節(jié)器的輸入變量，再用電流PID調(diào)節(jié)器的輸出變量控制逆變器從而控制電機(jī)。

程序中給定一個電機(jī)的速度（或者通過換算給定一個頻率），由于設(shè)置了速度飽和就使電機(jī)正常工作在給定轉(zhuǎn)速處于飽和給定轉(zhuǎn)速，通過PID調(diào)節(jié)之后將轉(zhuǎn)速值給到轉(zhuǎn)矩限幅器，所以就可以根據(jù)上位機(jī)張力的設(shè)定值去控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而控制帶鋼的張力。

2.3 張力輥工作原理

傳統(tǒng)固定式五張力輥 （即跳動輥不投入時）在張力輥的設(shè)計計算時主要計算張力的變化規(guī)律及傳動力矩。張力的產(chǎn)生主要是各張力輥與帶鋼之間的摩檫力，酸洗線中張力輥張力的改變主要通過改變輥子與帶鋼之間的接觸面積，接觸面積變大則摩檫力變大，反之減小[5]。

相比于傳統(tǒng)固定式五張力輥，本系統(tǒng)采用帶跳動輥的五張力輥，CPU將現(xiàn)場采集的實際張力值與設(shè)定的張力值進(jìn)行比較，比較后的差值通過信號放大器輸送至伺服閥，通過伺服閥的開度增加或減小調(diào)節(jié)跳動輥的上升或下降，從而調(diào)節(jié)張力使其達(dá)到設(shè)定值。五輥張力輥的張力控制以出口張力輥速度作為基準(zhǔn)，按跳動輥的升降情況實現(xiàn)張力輥的控制。

各段的張力輥由于帶鋼速度不同可能處于電動工作狀態(tài)或者發(fā)電工作狀態(tài)，當(dāng)帶鋼入口張力大于出口張力時，張力輥處于電動工作狀態(tài)，如圖4所示，當(dāng)帶鋼出口張力大于入口張力時，張力輥處于發(fā)電工作狀態(tài)[6]，如圖5所示。

圖4 “電動狀態(tài)”帶鋼受力分析Fig.4 Force analysis of strip in “electric state”

圖5 “發(fā)電狀態(tài)”帶鋼受力分析Fig.5 Force analysis of strip in “generating state”

當(dāng)張力輥處于電動狀態(tài)時，張力輥的張力值為

式中：μ為張力輥與帶鋼之間的摩擦系數(shù)（鋼帶一般取0.1～0.15）；P為跳動輥對帶鋼的壓力；α為帶鋼跟張力輥之間的包角；Ts為張力損失值；b為帶鋼寬度；h為帶鋼厚度；v為帶鋼運(yùn)行速度[7-9]。

張力輥的實時制動力矩（傳動力矩）為

式中：D為張力輥直徑。

當(dāng)張力輥處于發(fā)電狀態(tài)時，張力輥的張力值為

張力輥的實時制動力矩（傳動力矩）為

3 酸洗線控制系統(tǒng)整體設(shè)計

3.1 硬件選型

本控制系統(tǒng)采用西門子400 PLC作為主控制器，入口段、工藝段、出口段分別配置一個子站，采用西門子IM153子站模塊，同時在這3個子站配備光纖以太網(wǎng)交換機(jī)，實現(xiàn)主-從、從-從之間快速環(huán)狀通訊。入口和出口段配備現(xiàn)場HMI，對參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)置。增加通訊模塊CP443-5實現(xiàn)CPU與變頻器控制系統(tǒng)的Profibus-DP通訊，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制?，F(xiàn)場傳動裝置采用西門子Sinamics S120系列變頻器驅(qū)動[10]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 System structure diagram

該項目通過Profibus-DP和工業(yè)以太網(wǎng)組成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。Profibus-DP現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)，通過Profibus網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)主站與從站，上位機(jī)與現(xiàn)場儀表之間的數(shù)據(jù)交互。

S120變頻器控制模塊CU320通過Drive-cliQ與電機(jī)模塊實時通訊，并通過DP總線與上位機(jī)通訊，使開卷機(jī)、卷取機(jī)、張力輥實現(xiàn)速度控制、張力控制等功能[11]。

3.2 人機(jī)界面

采用西門子SIMATIC WinCC軟件組態(tài)上位機(jī)畫面。WinCC可以實現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一操作性和可視性；畫面可以設(shè)置工程師站和操作員站保證生產(chǎn)操作安全；軟件的報文系統(tǒng)可以實時緩存、歸檔現(xiàn)場和設(shè)定數(shù)據(jù)，并可連接現(xiàn)場打印機(jī)；軟件內(nèi)置曲線控件可實時監(jiān)控或查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)曲線，以便分析和排查問題。該系統(tǒng)畫面由主畫面、輥徑設(shè)定、報警、數(shù)據(jù)報表、平整機(jī)等畫面組成[12]。圖7為該系統(tǒng)的主畫面。

圖7 酸洗線系統(tǒng)主畫面Fig.7 Pickling line system main screen

4 結(jié)語

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在巴基斯坦調(diào)試完成并正常生產(chǎn)，現(xiàn)場實際情況表明機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，完美的實現(xiàn)人機(jī)交互。文章分析了全連續(xù)式酸洗線工藝流程，并對五張力輥的工作原理進(jìn)行剖析，提出了帶跳動輥的張力輥控制系統(tǒng)設(shè)計，充分發(fā)揮了PLC的先進(jìn)性和WINCC組態(tài)軟件的實用性，對金屬酸洗行業(yè)具有重要的借鑒意義。