張?zhí)旒t，劉 軍，胡廣平

（金川集團(tuán)公司鎳鈷研究設(shè)計(jì)院，甘肅金昌737100）

1 引言

5000t鎳及鎳合金線材、棒材軋制生產(chǎn)線產(chǎn)品以Φ7-Φ12mm線材盤(pán)園和Φ14-Φ30mm棒材為主，品種為純鎳、電阻電熱合金、鎳鐵合金、膨脹合金、軟磁合金、高溫合金、耐蝕合金、不銹鋼，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力5000t，產(chǎn)品精度不低于±0.3mm。

2 主要工藝設(shè)備及系統(tǒng)配置

2.1 工藝設(shè)備

軋線的主題設(shè)備包括：粗軋機(jī)Φ450×1；一中軋機(jī)組Φ350×6；二中軋機(jī)組Φ300×6；線材預(yù)精軋機(jī)組Φ285×2；精軋機(jī)組Φ230×4；加熱爐周?chē)o助設(shè)備；熱剪；兩臺(tái)飛剪機(jī)；活套器；步進(jìn)式冷床；冷剪；線材卷取機(jī)；升降臺(tái)和輥道等。

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)配置

PLC控制系統(tǒng)采用當(dāng)今國(guó)際主流產(chǎn)品S7-400和S7-300，軋機(jī)主傳動(dòng)采用以直流傳動(dòng)6RA70為核心的直流傳動(dòng)單元，輔助傳動(dòng)調(diào)速部分采用ACS800變頻器，MCC柜、控制柜以及操作臺(tái)的電氣元件均采用國(guó)際國(guó)內(nèi)知名品牌。

2.3 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

控制系統(tǒng)是由基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)和過(guò)程自動(dòng)化級(jí)組成?；A(chǔ)自動(dòng)化級(jí)由S7系列PLC系統(tǒng)組成，PLC之間通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，Ethernet網(wǎng)上掛有工業(yè)PC作為人機(jī)接口，完成對(duì)軋線的監(jiān)控，PLC與傳動(dòng)系統(tǒng)之間采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)通訊，提高了整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度；過(guò)程自動(dòng)化級(jí)由高檔微機(jī)組成，完成對(duì)軋制過(guò)程的生產(chǎn)管理、過(guò)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、軋制程序存儲(chǔ)及調(diào)用、各類(lèi)狀態(tài)報(bào)警、軋件跟蹤、生產(chǎn)報(bào)表編制打印等功能?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要由兩部分組成：上位組態(tài)軟件采用 WinCC V6.2；下位 PLC編程軟件則是Step-7。

3.1 Step7 簡(jiǎn)介

Step7是用于Simatic S7-300／400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形邏輯、功能塊或語(yǔ)句表等三種方法編程。包括了以下工程工具：LAD梯形邏輯圖、FBD功能塊圖、STL語(yǔ)句表、S7-SCL類(lèi)Pasical高級(jí)語(yǔ)言；S7-Graph順序功能圖、S7-Plcsim仿真軟件。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

Step7編程軟件用于對(duì)PLC硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)以及程序編制，可在Win2000／WinXP平臺(tái)下使用，并且采用了集成的全局?jǐn)?shù)據(jù)管理和統(tǒng)一的Simatic程序管理器組態(tài)工具，在Simatic程序管理器下，可以將Step7和組態(tài)軟件WinCCFlexible集成在一起，這樣在Step7中符號(hào)變量表一旦建立，就可以在觸摸屏組態(tài)中引用，可大大提高工作效率。

S7-Plcsim仿真軟件可以對(duì)用戶程序進(jìn)行離線功能測(cè)試，通過(guò)接口S7-Plcsim還可以和其Windows應(yīng)用程序之間進(jìn)行過(guò)程值交換，為此，可以在早期開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行參數(shù)錯(cuò)誤識(shí)別和排除，有利于后期調(diào)試更加順利地進(jìn)行。軟硬件組態(tài)原理圖如圖2所示。

圖2 軟硬件組態(tài)原理圖

3.2 下位控制程序

下位控制程序是該系統(tǒng)的重要組成部分，整條生產(chǎn)線各個(gè)設(shè)備的起停、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集和處理以及設(shè)備之間的連鎖保護(hù)等都由其完成。

1號(hào)PLC為S7-400，負(fù)責(zé)控制連軋區(qū)18臺(tái)軋機(jī)、2臺(tái)飛剪、熱剪以及聯(lián)軋前輥道電機(jī)；

2號(hào)PLC為S7-300，負(fù)責(zé)控制粗軋區(qū)各設(shè)備，包括出鋼機(jī)、推鋼機(jī)、粗軋機(jī)以及各輥道電機(jī)；

3號(hào)PLC為S7-300，負(fù)責(zé)控制棒材精整區(qū)和線材精整區(qū)，包括冷床、冷剪、卷曲機(jī)、翻卷機(jī)以及各輥道電機(jī)等。

連軋區(qū)硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

因?yàn)長(zhǎng)AD梯形邏輯圖、FBD功能塊圖、STL語(yǔ)句表各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以編程的過(guò)程中三種編程方式混合使用。例如在控制設(shè)備時(shí)采用梯形圖編程，如圖4所示，其中用到SR觸發(fā)器來(lái)進(jìn)行對(duì)冷剪剪切過(guò)程的控制，而在一些表達(dá)算法或者公式的計(jì)算中則采用語(yǔ)句表編程，1H軋機(jī)軋輥轉(zhuǎn)速計(jì)算的STL語(yǔ)句如圖5所示。

圖3 連軋區(qū)硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4 冷剪聯(lián)動(dòng)剪切控制中的部分程序（梯形圖編程）

圖5 1H軋機(jī)軋輥轉(zhuǎn)速計(jì)算（STL語(yǔ)句）

3.3 WinCC 人機(jī)界面

WinCC是在生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)核心系統(tǒng)。它提供了適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的圖形顯示、消息報(bào)告、歸檔以及報(bào)表的功能模版。高性能的過(guò)程耦合、快速的畫(huà)面更新以及可靠的數(shù)據(jù)傳輸使其具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

WinCC擁有先進(jìn)人機(jī)界面產(chǎn)品的所有功能，其集成的功能包括：①WinCC瀏覽器：快速訪問(wèn)所有工程數(shù)據(jù)和全局設(shè)定的中心項(xiàng)目管理器；②圖形系統(tǒng)編輯器：用于自由地組態(tài)畫(huà)面，并完全通過(guò)圖形對(duì)象進(jìn)行操作，圖形對(duì)象具有動(dòng)態(tài)屬性并可對(duì)屬性進(jìn)行在線組態(tài)；③報(bào)警信息系統(tǒng)：記錄和存儲(chǔ)事件并予以顯示，可自由選擇信息分類(lèi)、信息顯示和報(bào)表，操作非常簡(jiǎn)便；④變量存檔：接收、記錄和壓縮測(cè)量值，用于曲線和圖表顯示及進(jìn)一步的編輯功能；⑤報(bào)表系統(tǒng)：通過(guò)控制屬性，可以準(zhǔn)確選擇需要在報(bào)表中顯示的圖片、變量、組態(tài)信息、組態(tài)的測(cè)量值的歸檔；⑥數(shù)據(jù)處理：對(duì)圖形對(duì)象的動(dòng)作VB腳本；⑦標(biāo)準(zhǔn)接口：通過(guò)ODBC、OPC訪問(wèn)用于組態(tài)和過(guò)程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

除了這些系統(tǒng)功能外，WinCC還提供了開(kāi)放的界面便于用戶解決方案。這使得將WinCC集成為復(fù)雜、廣泛的自動(dòng)控制解決方案成為可能?？梢约赏ㄟ^(guò)ODBC和SQL方式的歸檔數(shù)據(jù)訪問(wèn)，以及通過(guò)OLE2.0和ActiveX控件的對(duì)象和文檔的鏈接。這些機(jī)制使WinCC成為Windows世界中性能卓越、善于溝通的伙伴。

3.4 上位畫(huà)面組態(tài)

在WinCC畫(huà)面設(shè)計(jì)上，需要考慮顯示各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，操作員可以進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定和策略選擇。另外，在WinCC中還需要做出事件及報(bào)警記錄、趨勢(shì)圖等。

5000t鎳及鎳合金軋制線工藝流程大致可以分為四部分，依次為：粗軋區(qū)、連軋區(qū)、棒材精整區(qū)、線材精整區(qū)。所以，根據(jù)工藝流程，畫(huà)面也分為以上四個(gè)部分，其中連軋區(qū)為實(shí)際生產(chǎn)中主要顯示畫(huà)面。

控制畫(huà)面用彈出窗口的形式表達(dá)，例如點(diǎn)開(kāi)一個(gè)電機(jī)啟動(dòng)畫(huà)面后，點(diǎn)另外一個(gè)電機(jī)啟動(dòng)畫(huà)面，前一個(gè)畫(huà)面需要自動(dòng)關(guān)閉來(lái)方便操作工操作，所以用動(dòng)態(tài)范圍的變化來(lái)完成此項(xiàng)功能。如圖6所示，點(diǎn)擊紅色箭頭出現(xiàn)圖7畫(huà)面，然后根據(jù)建立的一個(gè)變量“棒材操作”，隨著該變量的變化，調(diào)用不同的控制畫(huà)面，顯示不同的標(biāo)題，其控制窗口畫(huà)面位置也可以隨其變化。

圖6 棒材區(qū)畫(huà)面窗口1屬性設(shè)定

WinCC作為一款強(qiáng)大的圖形控制軟件，它提供了多種動(dòng)作生成的方法，我們可以根據(jù)各自習(xí)慣和熟悉程度來(lái)方便地實(shí)現(xiàn)自己的控制要求。大致分為三類(lèi)：①用WinCC提供的固定連接格式來(lái)建立變量和設(shè)備之間的動(dòng)作連接，由于已經(jīng)成形，所以WinCC提供的固定連接的方式也很強(qiáng)大，很多動(dòng)作的要求可以直接通過(guò)簡(jiǎn)單的連接變量來(lái)實(shí)現(xiàn)；②用C語(yǔ)言寫(xiě)腳本來(lái)控制變量，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作要求這種方法需要一定的C語(yǔ)言基礎(chǔ)，但是它的實(shí)現(xiàn)比第一種更為強(qiáng)大，我們可以根據(jù)自己的要求隨意改變程序來(lái)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制動(dòng)作和要求；③用VB語(yǔ)言編程生成腳本來(lái)生成相應(yīng)的動(dòng)作，這種方法和C語(yǔ)言類(lèi)似。

圖7 動(dòng)態(tài)范圍相關(guān)設(shè)定

棒材區(qū)一個(gè)畫(huà)面里面的參數(shù)如圖8所示，顯示多臺(tái)電機(jī)實(shí)際數(shù)值，通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)操作某臺(tái)電機(jī)便調(diào)用該電機(jī)相應(yīng)參數(shù)的功能。

圖8 用C語(yǔ)言調(diào)用變頻參數(shù)

WinCC還提供了開(kāi)放的界面用于用戶解決方案，所以由于其在動(dòng)畫(huà)方面的效果不太理想，所以在這個(gè)項(xiàng)目畫(huà)面的設(shè)計(jì)中我們引入了一個(gè)第三方控件anigif.ocx，將該控件注冊(cè)到WinCC畫(huà)面編輯器的控件中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)gif動(dòng)態(tài)圖片的支持，所以在軋機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以及輥道滾動(dòng)上能達(dá)到較滿意的效果。因?yàn)樽鰃if的動(dòng)態(tài)圖可以通過(guò)其他很多圖形處理的軟件實(shí)現(xiàn)，所以只要用外部一些圖形軟件組合做成效果逼真的動(dòng)態(tài)gif圖片，然后通過(guò)anigif.ocx控件將其添加到所需要的畫(huà)面中，則可以取得良好的動(dòng)態(tài)效果?？丶膶傩跃庉嫶翱谌鐖D9所示，在Properties菜單下可以設(shè)置例如速度、正反轉(zhuǎn)以及填充大小等。

圖9 anigif控件屬性編輯窗口

4 結(jié)束語(yǔ)

5000t鎳及鎳合金線棒材軋制生產(chǎn)線是我國(guó)第一條關(guān)于鎳及鎳合金的軋制生產(chǎn)線，它的運(yùn)營(yíng)實(shí)現(xiàn)對(duì)于我國(guó)有色金屬深加工領(lǐng)域有著極其重要的意義，而這套自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是控制其正常生產(chǎn)的關(guān)鍵，起著非常重要的作用。此生產(chǎn)線的成功投用將為國(guó)內(nèi)有色金屬深加工行業(yè)開(kāi)辟了一條嶄新的道路，為全國(guó)有色金屬加工領(lǐng)域樹(shù)立了一個(gè)很好的榜樣。

［1］丁修堃.軋制過(guò)程自動(dòng)化［M］.冶金工業(yè)出版社，2006.

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［3］黎景全.軋制工藝參數(shù)測(cè)試技術(shù)［M］.冶金工業(yè)出版社，2006.

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