于志軍

[摘要]隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)冷軋板材的要求越來(lái)越高，冷軋帶鋼表面附有軋制油、機(jī)油、粉末和灰塵等污物，當(dāng)清洗不干凈時(shí)，退火后這些污物成為碳化物，既有損外觀，也是后步工序產(chǎn)生事故的原因，所以冷軋清洗線的設(shè)計(jì)是整個(gè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。本文以鞍鋼冷軋清洗線為背景，對(duì)它的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析。

[關(guān)鍵詞]冷軋清洗線 控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)方案

冷軋帶鋼表面附有軋制油、機(jī)油、粉末和灰塵等污物。當(dāng)清洗不干凈時(shí)，退火后這些污物成為碳化物，既有損外觀，也是后步工序產(chǎn)生事故的原因，特別是涂鍍層鋼板，產(chǎn)生表面層不均，使耐腐性變壞。現(xiàn)在隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)冷軋帶鋼的技術(shù)指標(biāo)要求越來(lái)越高?；诖朔N現(xiàn)狀，鞍鋼決定新建冷軋清洗線。

一、清洗線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)工藝的情況，我們把控制任務(wù)分成三個(gè)PLC來(lái)完成，同時(shí)為了保證系統(tǒng)能可靠的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)功能，我們采用的方法是將以太網(wǎng)通訊與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合，利用這兩種通信技術(shù)在其各自領(lǐng)域中的優(yōu)點(diǎn)，來(lái)完成這項(xiàng)復(fù)雜的控制任務(wù)。

對(duì)于控制層，采用高速以太網(wǎng)技術(shù)，而在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層則采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)因?yàn)橐蕴W(wǎng)能最大限度地利用它的通信功能。每個(gè)網(wǎng)關(guān)即是以太網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，又是下面子系統(tǒng)的主站。網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)的控制，并把子系統(tǒng)內(nèi)部的信息進(jìn)行預(yù)處理，只把一些重要的信息按照TCP/IP的幀的格式發(fā)送到以太網(wǎng)上。在網(wǎng)關(guān)上還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的以太網(wǎng)控制算法。這種方案的好處是避免以太網(wǎng)直接對(duì)傳感器和執(zhí)行器等底層設(shè)備的訪問(wèn)，減少了以太網(wǎng)上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送量，減少了沖突的機(jī)會(huì)，在一定程度上避免了在惡劣的工業(yè)條件下傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)遲延的問(wèn)題。

（一）控制系統(tǒng)的選擇

本項(xiàng)目中共使用了2000多個(gè)數(shù)字量和模擬量輸入輸出點(diǎn)，不僅涉及到順序邏輯控制，還有對(duì)模擬量的控制、數(shù)據(jù)處理和故障處理，整個(gè)系統(tǒng)的編程量較大。而德國(guó)西門(mén)子公司$7 400的PLC系列，是為大中型自動(dòng)化任務(wù)而設(shè)計(jì)的可編程序控制器系統(tǒng)，為各種復(fù)雜應(yīng)用控制系統(tǒng)提供理想的解決方案。它采用模塊化設(shè)計(jì)，性能范圍寬廣的不同模板可靈活組合，擴(kuò)展十分方便，S7-400中央控制器最多能連接21個(gè)擴(kuò)展單元。它有強(qiáng)大的I/O容量，高速的程序處理速度，內(nèi)置MPI、DP等多種通訊網(wǎng)絡(luò)接口，多CPU可安放于同一基板，可完成實(shí)時(shí)多任務(wù)控制，具有完善的通用型I/O及特殊功能I/O設(shè)計(jì)，完整強(qiáng)大的指令集，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的浮點(diǎn)、三角函數(shù)和其他函數(shù)運(yùn)算，靈活多樣的編程軟件、應(yīng)用組態(tài)軟件可為工業(yè)生產(chǎn)提供極大的方便，深受工業(yè)控制領(lǐng)域的青睞。所以本次工程中過(guò)程控制PLC采用SIEMENSS7400 PLC，用于生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集、回路控制、順序控制以及連鎖等。通過(guò)編程器，采用STEP 7語(yǔ)言程序，對(duì)PLC進(jìn)行系統(tǒng)邏輯控制編程。采用SIEMENS公司的WlNCC監(jiān)控組態(tài)軟件，進(jìn)行操作站監(jiān)控操作畫(huà)面的組態(tài)編程。采用工業(yè)以太網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，進(jìn)行控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。本套控制系統(tǒng)采用一、二級(jí)共同控制完成，復(fù)雜計(jì)算和控制算法都可以在二級(jí)完成。

（二）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)可分為兩層，上層為工業(yè)以太網(wǎng)，將各工程師站、三個(gè)控制主站（1#～3#）PLC連接。

工程師站裝有SIMATICS7組態(tài)及編程軟件和SIMATICS7WlNCC監(jiān)控組態(tài)軟件。底層為Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)，S7-400以為主站構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同對(duì)象的過(guò)程控制。

3個(gè)PLC機(jī)架的電源模塊都采用PS407 20A；中央處理單元采用CPU416 2DP，它雖然自帶DP接口，但為了節(jié)省CPU資源，提高CPU運(yùn)行速度，機(jī)架上分別接了幾塊DP擴(kuò)展模板CP443-5作為DP主站。各PLC都是通過(guò)以太網(wǎng)接口CP443-1將S7-400聯(lián)入工業(yè)以太網(wǎng)。從站分別接有ET200M、DPET200B、（對(duì)中設(shè)備）EPC、絕對(duì)值編碼器、計(jì)數(shù)器模板FM450、變頻器以及門(mén)型吊車等子站。

二、軟件介紹

本次工程采用SIMATIC S7軟件，它是用于SIMATIC S7-300、400可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，編程語(yǔ)言主要有：梯形圖、語(yǔ)句表和功能塊圖。SIMATIC S7編程語(yǔ)言符合DIN EN611131-3標(biāo)準(zhǔn)，使用者更容易掌握使用多個(gè)子程序分段實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方法。通常用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB）、功能（FO和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。OBI是主程序循環(huán)塊，是必需的。根據(jù)過(guò)程控制的復(fù)雜程度，可將所有的程序放入OBl中進(jìn)行線性編程或?qū)⒊獭⑿蛴貌煌倪壿媺K加以結(jié)構(gòu)化，通過(guò)OBl調(diào)用這些邏輯塊。以I#PLC程序?yàn)槔?，程序?0幾個(gè)FB塊、70幾個(gè)Fc塊、若干個(gè)背景DB和公用DB塊以及10個(gè)系統(tǒng)塊SFC組成，主程序包括從入口小車運(yùn)卷、上卷、開(kāi)卷直到挖邊剪挖邊完成等一系列控制任務(wù)。因任務(wù)需要，對(duì)于小車的自動(dòng)控制采用了S7 300/400用于順序控制程序的功能圖語(yǔ)言s7Graph進(jìn)行編寫(xiě)。在s7 Graph中，控制過(guò)程被劃分為許多明確定義了的功能范圍的步（sTEP），用圖形清楚地表明整個(gè)過(guò)程的執(zhí)行情況?？梢詾槊恳徊街付ㄔ摬揭瓿傻膭?dòng)作，然后檢查由此動(dòng)作帶來(lái)的結(jié)果，可以用此結(jié)果作為啟動(dòng)下一步的條件。如果條件成立，則繼續(xù)執(zhí)行；條件不成立，則等待做相關(guān)的連鎖處理。其它的控制程序用梯形圖、功能塊或語(yǔ)句表來(lái)完成。

三、人機(jī)畫(huà)面

系統(tǒng)的人機(jī)畫(huà)面顯示各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)，及顯示入口和出口鋼卷的參數(shù)，同時(shí)打印出口鋼卷取樣報(bào)表。畫(huà)面主要由以下組成：主畫(huà)面、上卷車和卸卷車畫(huà)面、上卷車和卸卷車畫(huà)面。

上卷車和卸卷車畫(huà)面顯示入口鋼卷和出口鋼卷的運(yùn)送情況；此外，還有帶鋼前進(jìn)過(guò)程的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)，包括開(kāi)卷機(jī)和卷曲機(jī)鋼卷上料和卷曲的趨勢(shì)畫(huà)面以及全線速度和張力值顯示畫(huà)面；報(bào)警畫(huà)面顯示各種報(bào)警信息。如：急停、快停故障、上料和卸卷故障、極限開(kāi)關(guān)故障、焊接以及剪切故障等；輔助設(shè)備狀態(tài)顯示畫(huà)面主要顯示各輔助設(shè)備閥門(mén)開(kāi)/關(guān)、上/下、前進(jìn)/后退的狀態(tài)等；液壓畫(huà)面用來(lái)監(jiān)視各輔助設(shè)備以及上卷車和卸卷車的液壓閥油路供應(yīng)情況。

四、控制任務(wù)及方案選擇

入口段主要完成鋼卷的上料過(guò)程，為工藝段能順利的清洗作準(zhǔn)備?，F(xiàn)在的軋鋼生產(chǎn)線上，入口的上料和出口的卸料大多是采用步進(jìn)梁來(lái)完成的。步進(jìn)梁有它的優(yōu)點(diǎn)，也有它的缺點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是控制方式比較簡(jiǎn)單，適合于高速的軋線生產(chǎn)，頻繁的運(yùn)送鋼卷；缺點(diǎn)是機(jī)械設(shè)備龐大，費(fèi)用高、占用工地面積大，而且控制方式不靈活，功能有限。而對(duì)于本條生產(chǎn)線的特點(diǎn)，使用鋼卷小車，恰恰能彌補(bǔ)步進(jìn)梁的不足。而且鋼卷小車的靈活方便正適合本條生產(chǎn)線的特點(diǎn)。但小車也有它的控制缺點(diǎn)，因?yàn)樗撵`活性，必然使控制方法變得復(fù)雜了。