廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 張文輝 陳柏良

非晶噴帶機自動控制系統(tǒng)設(shè)計

廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 張文輝 陳柏良

本文通過對非晶帶材生產(chǎn)工藝的分析與研究，設(shè)計了以西門子S7-300為核心控制器的噴帶機自動控制系統(tǒng)，按功能劃分為三個子系統(tǒng)。針對各子系統(tǒng)間通信和子系統(tǒng)內(nèi)部通信，設(shè)計了一套三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的通信方案。為了實現(xiàn)對噴帶過程的監(jiān)控，使用WinCC組態(tài)軟件設(shè)計了比較友好的上位機人機交互界面。本文設(shè)計的非晶噴帶機自動控制系統(tǒng)方案已通過項目驗收，設(shè)備運行穩(wěn)定可靠，取得了較好的控制效果。

非晶噴帶機；S7-300；MODBUS

1.概述

非晶態(tài)材料的內(nèi)部原子排列沒有一定的規(guī)律，處于無規(guī)則無序狀態(tài)[1]?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在金屬熔化后，其內(nèi)部原子變的非?；钴S，一但金屬開始冷卻，隨著溫度的下降，原子就會慢慢地按照一定的晶態(tài)規(guī)律而有序地排列起來，慢慢的形成晶體。如果冷卻速度加快，原子會在還來不及重新排列的時候就被凝固住，導(dǎo)致原子排列無序而形成非晶態(tài)合金,這種快速凝固的工藝也被用來制備非晶態(tài)合金[2]。由于非晶合金的原子的混亂排列狀況類似于玻璃，所以非晶合金又稱為金屬玻璃[3]。非晶態(tài)合金中不存在晶態(tài)合金中所存在的晶界、位錯、扭曲等缺陷，使得其具有優(yōu)異的機械、物理和化學(xué)性能，已廣泛用于國民經(jīng)濟各個方面，而且取得了令人矚目的成就。

2.控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本文設(shè)計的噴帶機自動控制系統(tǒng)分為三個具有不同功能的子系統(tǒng)：包車運動子系統(tǒng)、銅輥修模子系統(tǒng)、抓取卷繞子系統(tǒng)。結(jié)合非晶噴帶機可用的設(shè)備現(xiàn)狀和生產(chǎn)工藝的控制要求，設(shè)計了一套基于PLC的控制系統(tǒng)方案，系統(tǒng)方案規(guī)劃如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)方案以可靠性極高的可編程序控制器為核心，建立了一套三級計算機控制系統(tǒng)：第一級是工控機，用于監(jiān)控噴帶機各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，并對各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行實時監(jiān)管和調(diào)度；第二級是可編程序控制器，即S7-300，完成生產(chǎn)過程中所有的實時控制任務(wù)和各個環(huán)節(jié)生產(chǎn)操作間的互鎖工作；第三級是功率驅(qū)動裝置，用于實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速、輥嘴間距、溫度、壓力等重要的生產(chǎn)參數(shù)的控制。

圖2 包車水平運動示意圖

2.1 各子系統(tǒng)的設(shè)計

2.1.1 包車運動子系統(tǒng)

包車運動子系統(tǒng)的主要控制對象是搭載中間包的小車，如圖2所示，在水平方向上包車總共設(shè)有六個操作工位。其中，修缸位用于對中間包進(jìn)行維修、更換；裝杯位用于噴嘴杯的安裝；接鋼位用于接中頻爐中母合金熔液；加熱位則用于對噴嘴加熱，保持噴嘴溫度恒定在制帶溫度；噴帶位為帶材成型操作工位。

根據(jù)包車運動子系統(tǒng)的工藝流程和控制要求，考慮包車移動各個方向的控制精度，設(shè)計了包車運動子系統(tǒng)的控制方案如圖3所示。

圖3 包車運動子系統(tǒng)

S7-300控制器為該子系統(tǒng)的中央控制器，控制左升降伺服電機、右升降伺服電機、行走伺服電機，并實現(xiàn)兩臺包車橫向與縱向的高精度定位；前水平步進(jìn)電機與后水平步進(jìn)電機由帶有高速輸出口的S7-200控制器作為從控制器控制，通過與S7-300控制器的通信連接，實現(xiàn)了該子系統(tǒng)的總體自動控制。

2.1.2 銅輥修模子系統(tǒng)

銅輥修模子系統(tǒng)的主要控制對象為冷卻輥電機與前后修模電機，其控制方案如圖4所示。

圖4 銅輥修模子系統(tǒng)

圖5 抓取卷繞子系統(tǒng)

S7-300控制器為該子系統(tǒng)的中央控制器，通過通信控制冷卻輥變頻器、清掃砂輪變頻器、拋光砂輪變頻器的速度。S7-200控制器控制修模進(jìn)給步進(jìn)電機、前修模往返步進(jìn)電機、后修模往返步進(jìn)電機，從而實現(xiàn)了修模即清掃進(jìn)給、前修模往返、后修模往返的定位控制，該方案實現(xiàn)了銅棍修模子系統(tǒng)的總體自動控制。

2.1.3 抓取卷繞子系統(tǒng)

抓取卷繞子系統(tǒng)主要操作對象為卷繞車和液壓臂。首先卷繞車前進(jìn)到冷卻輥前，到達(dá)抓取位置后，打開真空吸風(fēng)裝置的風(fēng)門，通過真空負(fù)壓的作用將脫離冷卻輥的非晶帶材吸附到卷繞輥上。抓取成功后，卷繞車開始向背離冷卻輥的方向運動，直到退至壓輥位，再操作壓輥液壓臂進(jìn)行壓帶操作。壓輥完成后卷繞車退至托輥位，操作托輥液壓臂進(jìn)行托帶操作。通過分析抓取卷繞過程的工藝與控制要求，設(shè)計了該過程的控制方案如圖5所示。

2.2 控制系統(tǒng)通訊的設(shè)計

根據(jù)工藝控制需要和現(xiàn)實設(shè)備選型情況，設(shè)計了本系統(tǒng)通訊方案如圖6所示。

本自動控制系統(tǒng)采用三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別為系統(tǒng)監(jiān)視管理級、系統(tǒng)控制協(xié)調(diào)級及前端控制級。監(jiān)視管理級即采用工控組態(tài)軟件對系統(tǒng)的運行狀態(tài)、工作參數(shù)實時監(jiān)測；系統(tǒng)控制協(xié)調(diào)級即協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)運行及子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換，同時為上位機提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)及下發(fā)系統(tǒng)命令和工作參數(shù)；前端控制級為控制現(xiàn)場設(shè)備按一定功能、邏輯完成生產(chǎn)過程。

圖6 控制系統(tǒng)三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3 上位機監(jiān)控設(shè)計

由于WinCC集成了圖形編輯器、報警記錄、報表編輯器、歸檔、全局腳本等部件，能與數(shù)據(jù)庫連接，功能強大，在監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境，數(shù)據(jù)的存儲歸檔，有著出色的效果，且WinCC可與西門子控制器緊密結(jié)合，通過統(tǒng)一的組態(tài)和編程、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理及統(tǒng)一的通訊，可以極大地降低用戶軟硬件組態(tài)的工程量，實現(xiàn)了整個產(chǎn)品范圍內(nèi)的高度集成本，所以本設(shè)計選用WinCC V7.2版本作為上位機監(jiān)控的組態(tài)軟件。

3.結(jié)束語

根據(jù)噴帶機工藝需求，按功能模塊對噴帶機系統(tǒng)進(jìn)行了劃分，分別為：包車運行子系統(tǒng)、銅輥修模子系統(tǒng)、在線卷取子系統(tǒng)。根據(jù)各個子系統(tǒng)功能需求及工藝要求設(shè)計了各個子系統(tǒng)的控制方案，然后針對本系統(tǒng)的總體方案選擇合適了的通訊方式，并搭建了適合本控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，最后設(shè)計了噴帶機控制系統(tǒng)的上位機監(jiān)控畫面實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控。

[1]閆鵬飛.安泰科技:非晶帶材節(jié)能龍頭[J].中國科技財富,2006(12): 28-31.

[2]徐紹明,孫斌煜,宋明娟.一種非晶材料甩帶機輥嘴間距調(diào)節(jié)裝置[J].機械工程與自動化,2013(4):69-70.

[3]蔚敬哲.晶化行為對大塊非晶合金力學(xué)性能的影響[D].遼寧沈陽:沈陽理工大學(xué),2009.

[4]郭立建.基于PLC的非晶薄帶生產(chǎn)線控制系統(tǒng)故障診斷方法研究[D].遼寧科技大學(xué),2013.

張文輝，廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院碩士研究生在讀。