(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 佛山 528137)

0 引言

打包機(jī)是現(xiàn)代高速線材生產(chǎn)線特有的設(shè)備，它集機(jī)械、液壓、電氣控制于一體，位于高線的精整區(qū)域[1]。打包機(jī)將由C型鉤運(yùn)來(lái)的盤(pán)卷經(jīng)過(guò)打包機(jī)壓緊，沿線卷圓周方向成90°等分打4個(gè)平行結(jié)頭。打包后線卷最小長(zhǎng)度可達(dá)0.5～0.6 m，大大方便了盤(pán)卷的儲(chǔ)藏和運(yùn)輸[1-4]。

韶關(guān)市伯頓工業(yè)技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)和制造的BT4600型打包機(jī)，其電氣控制系統(tǒng)動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠、智能化程度高?？刂葡到y(tǒng)采用分布式I/O進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，降低了接線成本，提高了數(shù)據(jù)安全性，增加了系統(tǒng)靈活性[5]；實(shí)時(shí)監(jiān)控打包機(jī)的狀態(tài)，便于操作維修人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備所存在的隱患，及時(shí)采取有效措施，避免事故的擴(kuò)大化。壓實(shí)車(chē)、線道架的速度和打包線張力能自動(dòng)跟隨校正，保證了壓實(shí)和捆緊效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工藝過(guò)程

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高線打包機(jī)是一套非常復(fù)雜的機(jī)電液一體化的全自動(dòng)智能控制設(shè)備。它包括了幾方面的自動(dòng)控制：位置控制、運(yùn)動(dòng)控制、速度控制、液壓控制、報(bào)警控制、聯(lián)鎖控制和順序控制等[2-4]。打包機(jī)PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，按功能可以劃分成以下3大塊：①外圍設(shè)備，這部分包括液壓潤(rùn)滑站、主控臺(tái)、配電柜；②打包機(jī)主體設(shè)備，包括4個(gè)打包頭、2臺(tái)壓實(shí)車(chē)、1個(gè)升降臺(tái)、4個(gè)喂線輪、線庫(kù)和線道架；③現(xiàn)場(chǎng)總線，用于主控臺(tái)和打包機(jī)、液壓站之間的信號(hào)連接和通信。

由圖1可知，打包機(jī)的控制比較分散，因此采用基于DP總線的分布式I/O控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]。PLC控制系統(tǒng)由1套S7-300 CPU主站、7套ET200S從站和1套MP277按鍵屏組成。DP主站選用CPU 317-2PN/DP，是整個(gè)控制系統(tǒng)的中心。A101、A201、A202、A203、A204、A205這6個(gè)從站均選用6ES7 151-1AA05-0AB0 ET-200S IM 151 DP接口模板。其中，A101站用作主控臺(tái)的本地控制和用戶(hù)接口；A201站用作線庫(kù)、舉升臺(tái)和壓實(shí)車(chē)驅(qū)動(dòng)的控制；A202站用作1#、2#打包單元的控制和1#壓實(shí)車(chē)位置檢測(cè)；A203站用作3#、4#打包單元的控制；A204站用作1#～4#喂線單元的控制；A205站用作線道架的控制和2#壓實(shí)車(chē)位置檢測(cè)。A11站為智能從站，選用6ES7 151-7AA21-0AB0 ET-200S IM 151 帶CPU的DP接口模板，集成24 kB工作內(nèi)存，用作液壓潤(rùn)滑站的控制。

圖1 打包機(jī)PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工藝過(guò)程

當(dāng)帶有盤(pán)卷的C型鉤停在打包機(jī)中心線位置時(shí)，定位夾緊器閉合鎖定，PF線自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出開(kāi)始打包指令啟動(dòng)打包機(jī)。打包機(jī)檢測(cè)信號(hào)布置圖如圖2所示。

圖2 打包機(jī)檢測(cè)信號(hào)布置圖

打包機(jī)自動(dòng)打包工藝流程說(shuō)明如下。

① 預(yù)壓緊。1#、2#壓實(shí)車(chē)在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下朝盤(pán)卷方向同時(shí)運(yùn)動(dòng)，線道架從壓實(shí)車(chē)上開(kāi)始朝前運(yùn)動(dòng)，舉升臺(tái)往上運(yùn)動(dòng)到盤(pán)卷剛好與C型鉤之間保持著自由狀態(tài)。

② 壓緊。2#壓實(shí)車(chē)剛好接觸到盤(pán)卷邊時(shí)(S8光電開(kāi)關(guān)動(dòng)作)，舉升臺(tái)繼續(xù)上升托起盤(pán)卷，然后壓實(shí)車(chē)壓緊盤(pán)卷，同時(shí)線道架靠攏至關(guān)閉(電感傳感器S12動(dòng)作)。

③ 開(kāi)始喂線，沖壓就緒。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)送線機(jī)構(gòu)送出打包線，同時(shí)鎖定1#、2#壓實(shí)車(chē)。

④ 停止喂線，夾緊線頭。打包線沿著線道到達(dá)扭結(jié)裝置，在碰到夾緊裝置的擋板時(shí)停止喂線，打包線頭部被夾緊。

⑤ 拉緊打包線。扭結(jié)裝置向內(nèi)運(yùn)行移動(dòng)到打包位置，兜線輪打開(kāi)，同時(shí)喂線輪反轉(zhuǎn)，打包線被拉緊，剩余的線被送回線庫(kù)。

⑥ 扭結(jié)，剪切。喂線輪停止，脈沖編碼器給出指示后，扭結(jié)。扭結(jié)完成，打包線被剪斷。這時(shí)打包完成。

⑦ 返回初始位置。打包結(jié)束后，1#、2#壓實(shí)車(chē)返回初始位置，線道架返回起始位置，舉升臺(tái)返回起始位置。

自動(dòng)打包機(jī)循環(huán)打包流程如圖3所示。

圖3 打包機(jī)循環(huán)打包流程圖

打包好的盤(pán)卷掛在C型吊鉤上，打包機(jī)控制系統(tǒng)向PF線控制系統(tǒng)發(fā)出打包完成指令。

由打包工藝過(guò)程分析可知，打包機(jī)實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的打包控制，除了要求各個(gè)檢測(cè)信號(hào)正常外，還必須要求升降臺(tái)的高度位置要控制準(zhǔn)確，壓實(shí)車(chē)要快速預(yù)壓和沖壓就緒，打包線速度控制合適，線道架能快速關(guān)閉。升降臺(tái)位置、2臺(tái)壓實(shí)車(chē)位置和4道打包線速度控制分別采用編碼器G3、G1和G2、1S18～4S18來(lái)實(shí)現(xiàn)，編碼器型號(hào)選用6ES7 138-4DA04-0AB0型高速計(jì)數(shù)模塊24 VDC/100 kHz。

2 通信功能的設(shè)計(jì)

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

通信網(wǎng)路可查看圖1所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。主站CPU 317、人機(jī)界面MP277與上位機(jī)之間通過(guò)RJ45口用雙絞線通信，CPU的IP地址為192.168.0.3，MP277的IP地址為192.168.0.1。主站與HMI、DP從站之間采用DP屏蔽雙絞銅線通信。主站、HMI、A101從站、A201從站、A202從站、A203從站、A204從站、A205從站和A11智能從站的DP地址分別為3、12、11、21、22、23、24、25、8。主站直接訪問(wèn)遠(yuǎn)程I/O從站的地址。

2.2 主站與智能從站主從通信方式的組態(tài)

DP主站不是直接訪問(wèn)智能DP從站的輸入/輸出，而是訪問(wèn)CPU的輸入/輸出地址空間的傳輸區(qū)，由智能從站的CPU處理該地址區(qū)與實(shí)際的輸入/輸出之間的數(shù)據(jù)交換[5,7]。主站與智能從站之間的數(shù)據(jù)交換是由PLC的操作系統(tǒng)周期性自動(dòng)完成的，不需要用戶(hù)編程。

主站和智能從站之間的DP主從通信地址組態(tài)如表1所示。點(diǎn)擊DP從站對(duì)話框的“組態(tài)”選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊“新建”按鈕，在彈出的對(duì)話框中，按表1的內(nèi)容設(shè)置通信模式、輸入輸出地址、交換區(qū)長(zhǎng)度和單位等參數(shù)。

表1 DP主從通信地址的組態(tài)

設(shè)置通信用的輸入/輸出區(qū)時(shí)，應(yīng)確保DP主站的一個(gè)輸出區(qū)分配給DP從站的一個(gè)輸入?yún)^(qū)，反之亦然。組態(tài)完成后，返回主站的硬件組態(tài)窗口，編譯保存組態(tài)結(jié)果。

2.3 DP主從通信信息的設(shè)計(jì)

打包機(jī)的通信信號(hào)共59個(gè)。主從站之間的通信數(shù)據(jù)交換信號(hào)主要有：通信正確信號(hào)，急停信號(hào)，液壓泵的啟停、運(yùn)行、封鎖和故障信號(hào)，循環(huán)泵和加熱器的啟停、運(yùn)行、封鎖和故障信號(hào)，油位、油溫高低檢測(cè)信號(hào)，油溫值等。

3 主要控制功能的設(shè)計(jì)

打包機(jī)的PLC控制系統(tǒng)的功能主要包括初始位置控制、手動(dòng)控制、壓實(shí)車(chē)運(yùn)動(dòng)控制、壓實(shí)力控制、舉升臺(tái)控制、線道架運(yùn)動(dòng)控制、送線系統(tǒng)控制、打包線速度控制、扭結(jié)裝置控制、液壓系統(tǒng)控制和通信等。下面介紹部分主要控制功能。

3.1 初始位置控制

打包機(jī)在初始位置才能啟動(dòng)自動(dòng)模式[8-9]。打包機(jī)原位的條件為:一是壓實(shí)返回初始位置，二是打包頭返回初始位置。壓實(shí)原位的條件為：1#壓實(shí)車(chē)在后限位S3，2#壓實(shí)車(chē)在后限位S6，舉升臺(tái)在下限位S10，線道架在后限位S14。打包頭原位的條件為：扭結(jié)裝置在初始位S5，打包頭在初始位S20。如果系統(tǒng)不滿(mǎn)足原位條件，則通過(guò)主控臺(tái)上的壓實(shí)操作選擇開(kāi)關(guān)和打包頭操作選擇開(kāi)關(guān)，手動(dòng)復(fù)位操作。

3.2 壓實(shí)車(chē)運(yùn)動(dòng)控制

壓實(shí)車(chē)的主要任務(wù)是完成盤(pán)卷的對(duì)中壓實(shí)功能，其控制主要包括壓實(shí)車(chē)的邏輯控制、對(duì)中控制、位置和壓實(shí)力的計(jì)算。其中，邏輯控制主要完成1#、2#壓實(shí)車(chē)的前進(jìn)、鎖定、后退以及與打捆的聯(lián)鎖等功能。位置控制的主要任務(wù)是計(jì)算2臺(tái)壓實(shí)車(chē)的位移，產(chǎn)生壓實(shí)過(guò)程中高速前進(jìn)、低速前進(jìn)、低速后退和壓實(shí)完成等信號(hào)，并計(jì)算盤(pán)卷長(zhǎng)度和判斷盤(pán)卷對(duì)中。

盤(pán)卷長(zhǎng)度計(jì)算公式如式(1)所示。

LC=2LCY+DPP-SPP1-SPP2

(1)

式中：LC為盤(pán)卷長(zhǎng)度；LCY為壓實(shí)液壓缸長(zhǎng)度；DPP為壓實(shí)車(chē)最小間距；SPP1為1#壓實(shí)車(chē)位移；SPP2為2#壓實(shí)車(chē)位移。

盤(pán)卷對(duì)中的判斷為:①若SC-δ≤SPP1-SPP2≤SC+δ，說(shuō)明盤(pán)卷已對(duì)中；②若SPP1-SPP2SC+δ，說(shuō)明2#壓實(shí)車(chē)位移過(guò)大。其中，SC為盤(pán)卷偏移量，單位mm，δ為誤差允許量。

對(duì)于壓實(shí)車(chē)的對(duì)中控制，將盤(pán)卷偏移量SC作為給定信號(hào)、壓實(shí)車(chē)的位移差(SPP1-SPP2)作為反饋信號(hào)，輸入PID運(yùn)算器，產(chǎn)生的輸出用于控制2#壓實(shí)車(chē)的速度值，從而保證壓實(shí)完成后盤(pán)卷中心與吊鉤中心重合，達(dá)到使吊鉤平衡的目的。

3.3 線道架的控制

線道架的運(yùn)動(dòng)曲線如圖4所示，圖中虛線表示極限運(yùn)行軌跡。

圖4 線道架運(yùn)行曲線

線道架的運(yùn)動(dòng)部分安裝在2#壓實(shí)車(chē)上，由一臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；固定部分安裝在1#壓實(shí)車(chē)上。線道架除了跟隨壓實(shí)車(chē)運(yùn)動(dòng)外，運(yùn)動(dòng)部分還有相對(duì)壓實(shí)車(chē)的移動(dòng)過(guò)程。線道架比較輕，運(yùn)動(dòng)速度快，除了減速控制外，還安裝了減震器進(jìn)行沖擊防護(hù)。線道架的運(yùn)動(dòng)與壓實(shí)車(chē)的運(yùn)動(dòng)需要配合良好。打包機(jī)啟動(dòng)后伸出減震器，預(yù)壓緊完成發(fā)出指令(GC_FWD)，啟動(dòng)線道架高速(VH1)前進(jìn)，運(yùn)動(dòng)到前進(jìn)減速位S15后轉(zhuǎn)為低速(VL1)前進(jìn)；線道架合攏(S12得電)，啟動(dòng)送線，同時(shí)收回減震器。在送線打包過(guò)程中，為了保持線道架處于有效合攏狀態(tài)，液壓馬達(dá)低速工作。打包完成后發(fā)出指令(GC_REV)，線道架先高速(VH2)后退，到位置S16時(shí)轉(zhuǎn)為低速(VL2)退回原位S14。加裝前進(jìn)極限位S13檢測(cè)，線道架前進(jìn)到S13立即停止。

3.4 打包線速度控制

打包線的速度控制有高速送線、低速送線、高速抽緊、低速抽緊和低速收線等過(guò)程，而檢測(cè)信號(hào)只有打包線在喂線單元檢測(cè)S4和打包線預(yù)進(jìn)打包頭檢測(cè)S2兩個(gè)。送線速度的控制信號(hào)需由脈沖編碼器S18配合傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。打包線的速度控制曲線如圖5所示。

圖5 打包線的速度曲線

喂線啟動(dòng)命令(START_FEED)，喂線輪液壓馬達(dá)高速(VH1)正轉(zhuǎn)，打包線沿線道環(huán)繞盤(pán)卷，接近打包頭時(shí)(即編碼器S18發(fā)出8 200個(gè)脈沖)，喂線輪低速正轉(zhuǎn)(VL1)，打包線進(jìn)入打包頭(S2下降沿到來(lái))，繼續(xù)走420個(gè)脈沖到達(dá)擋塊，完成送線過(guò)程。當(dāng)打包頭夾緊完成時(shí)，抽緊信號(hào)(BU_ST11)到,喂線輪高速(VH2)反轉(zhuǎn)，當(dāng)編碼器S18的脈沖數(shù)不變化時(shí)，表示一次拉緊結(jié)束；兜線輪打開(kāi)后，喂線輪進(jìn)入低速(VL2)反轉(zhuǎn)，當(dāng)編碼器S18的脈沖數(shù)不再變化時(shí)，表示二次拉緊結(jié)束。當(dāng)扭結(jié)、剪切完成，打包頭返回信號(hào)(BU_ST19)到時(shí)，喂線輪低速(VL2)反轉(zhuǎn)，進(jìn)行收線，當(dāng)打包頭初始位置(S20)信號(hào)到，且喂線單元有打包線(S4有信號(hào))時(shí)，收線結(jié)束，打包完成。若打包頭返回初始位置，喂線單元無(wú)打包線(S4無(wú)信號(hào))，表示打包故障，需要二次打包。

4 實(shí)時(shí)監(jiān)控功能的設(shè)計(jì)

打包機(jī)的HMI采用西門(mén)子公司的MP277 10″key實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于現(xiàn)場(chǎng)操作員操控和監(jiān)視打包機(jī)。HMI監(jiān)控畫(huà)面采用西門(mén)子的WinCC flexible2008軟件開(kāi)發(fā)[5]，共18幅，主要有以下功能。

打包機(jī)主控畫(huà)面，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)地切換、進(jìn)入其他監(jiān)控畫(huà)面，監(jiān)視打包機(jī)整體運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)視盤(pán)卷狀態(tài)，記錄打包數(shù)量和盤(pán)卷長(zhǎng)度等[9]。

4個(gè)打包頭監(jiān)視畫(huà)面，用于打包頭、喂線單元、扭結(jié)裝置、打包線等的位置檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)視[10]。

壓實(shí)狀態(tài)監(jiān)控畫(huà)面，可監(jiān)視壓實(shí)車(chē)、線道架、舉升臺(tái)的位置檢測(cè)，實(shí)時(shí)顯示壓實(shí)車(chē)和線道架的速度和壓實(shí)力的數(shù)值，監(jiān)視壓實(shí)車(chē)和舉升臺(tái)的編碼位移脈沖數(shù)等。

液壓站監(jiān)控畫(huà)面，可監(jiān)視液壓馬達(dá)、循環(huán)泵的啟?？刂坪瓦\(yùn)行狀態(tài)，還可監(jiān)視液位、溫度和油路蝶閥等數(shù)值和運(yùn)行情況。

其他的信息顯示畫(huà)面有打包頭狀態(tài)畫(huà)面、打包頭工作過(guò)程畫(huà)面、打包頭設(shè)置畫(huà)面、打包機(jī)狀態(tài)畫(huà)面、打包機(jī)工作過(guò)程畫(huà)面、壓實(shí)設(shè)置畫(huà)面、與PF線通信狀態(tài)畫(huà)面、Profibus通信信號(hào)狀態(tài)畫(huà)面等。實(shí)時(shí)報(bào)警畫(huà)面有打包頭故障顯示畫(huà)面、壓實(shí)過(guò)程故障顯示畫(huà)面、液壓站幫助畫(huà)面等。

5 結(jié)束語(yǔ)

BT4600型打包機(jī)在洛陽(yáng)偉業(yè)軋鋼有限公司高速線材生產(chǎn)線投入運(yùn)行，改變了高線原來(lái)手動(dòng)打包效率低下的狀況，有效改善了操作人員的工作環(huán)境，極大提高了工作效率，使高線精整區(qū)打包工序的自動(dòng)化生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)。打包機(jī)自投入運(yùn)行以來(lái)，扭結(jié)失敗率低，最大盤(pán)卷打包時(shí)間約40 s，滿(mǎn)足廠家65 s左右的軋鋼生產(chǎn)節(jié)奏。當(dāng)然，與國(guó)外高性能的同類(lèi)產(chǎn)品(扭結(jié)失敗率<0.3%，打包時(shí)間約35 s)比較，還存在一定的技術(shù)差距，還需在運(yùn)行環(huán)境下不斷優(yōu)化控制參數(shù)。

[1] 余瓊.高速線材自動(dòng)打包機(jī)控制系統(tǒng)[J].冶金自動(dòng)化,2009(S1):106-107.

[2] 李冰.西門(mén)子S7-300在高線打包機(jī)中的應(yīng)用[C]∥2008年全國(guó)小型型鋼生產(chǎn)技術(shù)交流論文集,中國(guó)金屬學(xué)會(huì),2008:299-301.

[3] 夏云龍,張潔,陳洪波.宣鋼高線自動(dòng)打包機(jī)應(yīng)用實(shí)踐[C]∥2008年全國(guó)小型型鋼生產(chǎn)技術(shù)交流論文集,中國(guó)金屬學(xué)會(huì),2008:331-333.

[4] 王岸.S7系統(tǒng)在高線自動(dòng)打包機(jī)中的應(yīng)用[J].甘肅冶金,2010,32(5):160-163.

[5] 羅庚興.基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的智能打包機(jī)控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012(3):37-39.

[6] 陳彥,李巍,徐宏偉.承鋼高線自動(dòng)打包機(jī)PLC控制系統(tǒng)[J].工控機(jī)與集散控制系統(tǒng),2006(12):48-50.

[7] 寧玉珊,陳章泉,羅庚興.雙邊剪夾送輥全數(shù)字直流調(diào)速裝置通訊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].南方金屬,2007,156(3):18-21.

[8] 王玉湘,盧秉亮,許莉.打包機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,23(2):39-41.

[9] 張貴春,張寧峰,李謹(jǐn).普線打包機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].冶金設(shè)備,2006,158(4):61-63.

[10] 洪海洋,孫善川,劉天豹.打包機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)[J].河北冶金,2009,174(6):57-59.