趙嘉珩，王紅軍，3，康運江，竇富萍

（1.北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100192；2.機械科學(xué)研究總院機科發(fā)展科技股份有限公司，北京100044 3.高端裝備智能感知與控制北京市國際科技合作基地，北京 100192）

0 引言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展、人們的生活水平也隨之提高，這也帶動著人們的消費觀念和消費水平進行著轉(zhuǎn)變與提升。在這個契機下，冷軋鋼卷行業(yè)也得到快速發(fā)展，對鋼材的質(zhì)量和數(shù)量有了更大的需求，粗鋼產(chǎn)量同比增長。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2019 年1—12月全國生鐵、粗鋼和鋼材產(chǎn)量分別為80 937 萬噸、99 634 萬噸、120 477 萬噸，同比分別增長5.3%、8.3%、9.8%，其中粗鋼產(chǎn)量超越了全球粗鋼總產(chǎn)量的53%[1-2]。隨著鋼材生產(chǎn)量的日益增加，對鋼材包裝的需求也進一步提升。作為鋼材包裝的最后一道程序，鋼材的打捆包裝直接影響鋼材的質(zhì)量和運輸儲存時的質(zhì)量。隨著鋼材生產(chǎn)量的日益增加，急需研發(fā)鋼材包裝的自動化設(shè)備和裝置。

目前，國外的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)對鋼卷的包裝要求嚴格，自動化程度高，擁有鎖扣質(zhì)量好的的全自動包裝機的技術(shù)，使得這些企業(yè)的打捆機在國際市場上有著很高的競爭力，如美國的SIGNODE 公司、意大利的ITIPACK 公司等。相比國外的情況，我國目前也是世界上的鋼材生產(chǎn)大國，國內(nèi)的大型鋼鐵企業(yè)有資金可以由國外引進整組全自動包裝打捆機，大多數(shù)國內(nèi)中小型的鋼材生產(chǎn)企業(yè)由于資金或技術(shù)的原因，仍采用半自動打捆機或者手工進行打捆。這些大大的增加了廠商的運營及維護的成本。目前國內(nèi)的大部分全自動打捆頭仍由國外進口，并且國外對打捆技術(shù)也有著專利技術(shù)的封鎖，這直接導(dǎo)致國內(nèi)在鋼材打捆技術(shù)方面進展緩慢，研究全自動鋼材打捆頭是提升鋼鐵包裝行業(yè)競爭力的重要途徑之一。國內(nèi)的一些大學(xué)以及企業(yè)對于全自動包裝進行了相關(guān)的研究，并且取得了一些研究成果[3-10]，但是還不能完全適應(yīng)蓬勃發(fā)展的鋼材包裝的需求。亟需開展鋼材自動包裝設(shè)備的研制和開發(fā)。

分析鋼卷自動打捆機的自動化工作需求，設(shè)計了基于PLC控制系統(tǒng)開發(fā)，并進行了仿真驗證測試，結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)功能完善、有效，滿足設(shè)計要求，可以實現(xiàn)設(shè)備的自動化控制。

1 鋼卷自動打捆機的整體結(jié)構(gòu)與工藝

鋼卷打捆機主要由打捆機頭、打捆機頭升降裝置、機架、導(dǎo)帶槽、懸臂等部分組成，如圖1 所示。

圖1 周向打捆機總體結(jié)構(gòu)示意圖

鋼卷打捆機完成一個鋼卷打捆的工藝流程：首先機架移至指定點位，機頭下降；機頭降至鋼卷表面后由打捆機頭完成送帶、收緊、打鎖扣、切帶；重復(fù)進行三次打捆。機頭復(fù)位后，判斷是否為最后一次打捆，若為第三次打捆，則使機架復(fù)位至初始位置，若不為第三次打捆，則準備進行下一點位打捆，如圖2 所示。

圖2 打捆機工藝流程

2 鋼卷自動打捆機的控制方案設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

自動打捆機的自動化控制，共分為4 種模式：自動控制模式及手動分步控制模式、報警模式和急停模式。

當處于報警模式或急停模式時，設(shè)備不會執(zhí)行任何指令以保證安全，只有解除報警模式或急停模式后，方可對設(shè)備進行操作?？刂葡到y(tǒng)主控流程如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)流程方案

2.2 打捆機頭控制單元設(shè)計

當機架移動到位后，PLC 向控制機頭上下運動的伺服電機發(fā)出啟動信號，機頭開始下降動作。由于在實際生產(chǎn)過程中，有著不同規(guī)格、不同大小的鋼卷尺寸，故在機頭下降時根據(jù)鋼卷尺寸進行自動調(diào)節(jié)和控制。

在機頭處設(shè)置一個行程開關(guān)并附有檢測裝置，在機頭下降到鋼卷時行程開關(guān)與鋼卷表面接觸。當行程開關(guān)觸碰到鋼卷表面時，觸發(fā)行程開關(guān)自動接通，同時向PLC 發(fā)出感應(yīng)信號，停止機頭移動伺服電機工作。

機頭到位是否是整個打捆過程必不可少的一個位置檢測信息，根據(jù)此信息實現(xiàn)控制系統(tǒng)數(shù)字輸入信號的觸發(fā)，即實現(xiàn)對機頭行進時的到位檢測。打捆機頭下降到位檢測裝置如圖4所示。

圖4 打捆機頭下降位置到位檢測裝置

機頭下降控制單元程序流程如圖5 所示。收到懸臂在液壓缸驅(qū)動下閉合完成信號后或操作員由操作面板發(fā)出機頭下降命令后，PLC 向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出啟動命令使打捆機頭開始下降，當下降到鋼卷表面時觸發(fā)行程開關(guān)，PLC 收到信號使控制打捆機頭下降的電機停止工作，等待下一步驟的指令發(fā)出。

圖5 打捆機頭控制單元流程

2.3 送帶過程控制單元設(shè)計

送帶過程中，當鋼帶到達所需要的指定位置后，執(zhí)行后續(xù)捆帶卡緊、收緊等操作。需要對位置到位與否進行檢測。檢測裝置為彈性撥片，當導(dǎo)帶槽捆帶終點位置無捆帶時，撥片處于初始位置；待捆帶到達導(dǎo)帶槽末端時，由鋼帶推動撥片，使撥片接觸到行程開關(guān)，此時行程開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，向PLC 發(fā)出感應(yīng)信號，PLC 收到行程開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變后向捆帶壓緊裝置發(fā)送開始命令同時停止送帶伺服電機工作，鋼卷到位檢測裝置如圖6 所示。

圖6 捆帶到位檢測裝置

送帶控制單元信號流程如圖7 所示。當手動打捆模式時操作員按下送帶按鈕或自動打捆模式中PLC 收到上一步驟到位信號后，由PLC 輸出信號控制送帶電機進行捆帶送出，當捆帶沿著導(dǎo)帶槽到達指定位置后經(jīng)由上述檢測裝置，觸發(fā)行程開關(guān)，PLC 收到到位信號向送帶電機發(fā)送停止信號并向下一步工序發(fā)送開始命令或等待操作云進行下一步驟的操作。

圖7 送帶控制單元流程

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 計算I/O 點數(shù)

可編程邏輯控制器通過模塊來實現(xiàn)與工業(yè)生產(chǎn)的聯(lián)系，模塊的選擇非常重要。在選用I/O 模塊的時候，并不是點數(shù)越多，效果越好；如果所選擇的I/O 模塊的點數(shù)遠遠多于設(shè)備控制時所需要的點數(shù)，會造成資源浪費。通常，先對設(shè)備所需要的I/O點數(shù)進行統(tǒng)計，按照實際需求的點數(shù)預(yù)留出15%～20%的富余量，以便在后續(xù)過程中對模塊進行擴展。一般情況下，一個I/O元件需要占用一個I/O 點，在考慮到程序設(shè)計過程中需要的調(diào)整與補充，設(shè)計選用12 個輸入點與9 個輸出點，I/O 點數(shù)統(tǒng)計見表1。

表1 I/O 點數(shù)統(tǒng)計

3.2 計算I/O 存儲器容量

PLC 的內(nèi)存分為多種類型，它的容量決定著PLC 控制程序可被容納的長短，一般來說以字節(jié)為單位進行計算。此外，用戶程序的占用內(nèi)存量取決于很多方面，例如：I/O 點數(shù)的多少，整體程序段的大小，程序采用的運算方法以及程序所需的控制需求等一系列的因素。根據(jù)資料查詢，以往的大部分PLC 設(shè)計、I/O點數(shù)、以及其他功能元件的內(nèi)存占用情況估算：

開關(guān)量輸入元件：10-15B/點

開關(guān)量輸出元件：4-10B/點

定時器/計數(shù)器：3B/個

模擬量：110-160B/個

通信接口：一個接口需要300B 以上

根據(jù)上述的元件內(nèi)存占用情況，額外增加20%左右的備用量，估算出大致需要的內(nèi)存大小，以此為依據(jù)選擇使用的PLC型號。系統(tǒng)12 個輸出點與9 個輸入點，共用到12 個定時器，共需要370B 的內(nèi)存。CPU 模塊的選用可為西門子PLC 315-2DP。

3.3 PLC 產(chǎn)品選用

同一條生產(chǎn)線中對于PLC 的選用應(yīng)盡量保持一致，有益于工作人員對于備用設(shè)備的管理與采購、檢修與維護，采用西門子公司生產(chǎn)的可編程邏輯控制器作為全自動鋼卷打捆機的控制系統(tǒng)。

4 自動控制模式程序設(shè)計

自動打捆程序使用順序程序設(shè)計法，將打捆機對鋼卷全部打捆工作按時序排列進行程序開發(fā)。整個打捆機工作流程圖如圖8 所示，每個鋼卷需要進行三次打捆操作。

圖8 打捆機自動控制程序流程

4.1 懸臂閉合

機架到達指定位置后，傳感器向PLC 發(fā)出到位信號，機架下端的懸臂在液壓缸的控制驅(qū)動下，開始閉合，使導(dǎo)帶槽導(dǎo)通，觸發(fā)到位傳感器，使懸臂到位傳感器置狀態(tài)由0 變?yōu)?，PLC 向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送動作停止命令，懸臂動作停止，延時1 s 后發(fā)出下一步驟的操作命令。若超過一定時間未檢測到動作到位信號，則自動跳轉(zhuǎn)至報警模式。自動控制模式下懸臂伸出程序如圖9所示。

圖9 自動控制模式下懸臂伸出程序

4.2 機頭下降動作

在完整的一次自動打捆過程中，共有3 次機頭下降動作，每一次的動作開始信號，均為接收到上一步中懸臂到位傳感器發(fā)出到位信號后才開始進行機頭下降，否則不會發(fā)出機頭動作開始的命令。當PLC 收到懸臂到位信號后，PLC 向機頭電機啟動器發(fā)出開始信號，機頭在電機的帶動下逐漸向鋼卷靠近，當檢測裝置檢測到機頭到達鋼卷表面，向電機發(fā)送停止命令，機頭下降結(jié)束。自動控制模式下懸臂閉合程序如圖10 所示。

圖10 自動控制模式下懸臂閉合程序

除上述兩段程序外，此次設(shè)計控制系統(tǒng)的其他程序段，同樣是在PLC 接收到上一動作到位的信號后，向下一動作的執(zhí)行件發(fā)送執(zhí)行命令。且在動作結(jié)束后有到位傳感器提示PLC 停止此動作。

在機頭復(fù)位程序后，會執(zhí)行一個判斷程序，判斷此次打捆是否為此鋼卷的第三次打捆，若為第三次打捆，進行機架復(fù)位；若不是第三次打捆，繼續(xù)進行下一次打捆操作。

4.3 控制系統(tǒng)的控制面板設(shè)計

運用了WinCC flexible SMART 組態(tài)軟件進行設(shè)計控制面板設(shè)計，上部為打捆的示意圖，下部為打捆的工作流程，如圖11所示。手動打捆時，操作員通過面板上的步驟分步完成打捆操作；當采用自動打捆模式后，打捆機依照預(yù)先設(shè)定的順序程序依次進行打捆的各個操作，控制面板中可以顯示當前打捆步驟與打捆狀態(tài)。當出現(xiàn)緊急情況時，可按下控制面板上的急停按鈕，設(shè)備立即停止工作，在急停按鈕未回復(fù)前無法啟動打捆機。

圖11 打捆機控制面板

4.4 自動控制系統(tǒng)的仿真檢驗

將PLC 程序下載到虛擬裝配的可編程邏輯控制器中，使用仿真軟件S7-PLCsim，進行仿真。啟動仿真軟件WinCC RT Start，通過操作控制面板中的預(yù)設(shè)按鈕控制打捆機進行打捆，驗證結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)達到實際要求，實用有效。該方法為系統(tǒng)的實施驗證提供了有力的工具。急停狀態(tài)仿真如圖12所示，運行狀態(tài)判斷框如圖13 所示，第一次打捆完成仿真如圖14 所示。

圖12 急停狀態(tài)仿真示意圖

圖13 運行狀態(tài)判斷框示意圖

圖14 第一次打捆完成仿真示意圖

5 結(jié)束語

分析了鋼卷自動打捆機的結(jié)構(gòu)和工藝流程，按照其自動化控制需求，基于可編程邏輯控制器，研制了全自動鋼卷打捆機的控制系統(tǒng)?；谖鏖T子博圖V15.1 軟件開發(fā)了打捆機的控制面板，采用S7-PLCsim，對控制系統(tǒng)進行了仿真驗證，驗證了系統(tǒng)程序的有效性及可行性。該系統(tǒng)可以方便實現(xiàn)打捆機的自動化控制。