鄒鑫，何文雪，牛杰

(青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，山東 青島 266071)

0 引言

隨著我國對(duì)高層建筑、大跨度橋梁等大型工程建設(shè)的不斷投入，大型H型鋼的需求量將會(huì)大幅度增長[1]。采用異形坯生產(chǎn)H型鋼材，可減少軋制道次，縮短軋制時(shí)間，節(jié)約能源；而且軋材性能的各向異性小，產(chǎn)品質(zhì)量可靠。重型異形坯的連鑄技術(shù)已逐漸成熟，但是對(duì)于重型H型鋼異形連鑄坯的切割系統(tǒng)并不完善。基于此，設(shè)計(jì)了一種以S7-1500PLC為控制器、火焰切割機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的切割系統(tǒng)，提高了自動(dòng)化程度，節(jié)省了大量的人力，提高了生產(chǎn)效益。

1 切割系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 重型H型鋼坯生產(chǎn)流程

重型H型連鑄坯由引錠桿緩緩拉出，通過紅外定尺技術(shù)把需要切割的長度尺寸發(fā)送給S7-1500PLC，由1500PLC控制火焰切割機(jī)執(zhí)行切割動(dòng)作。生產(chǎn)流程圖如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)流程圖

1.2 火焰切割機(jī)的組成和系統(tǒng)工作原理

火焰切割機(jī)由大車架、切割小車(由割槍、割嘴等組成,每一流分別有兩個(gè)切割小車)、同步機(jī)構(gòu)(由氣缸等組成)、?；妊b置組成[2]。當(dāng)1500PLC收到紅外攝像定尺與規(guī)定切割長度相同的尺寸時(shí)，1500PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)控制火焰切割機(jī)的西門子S120變頻器來驅(qū)動(dòng)大車和割槍的電機(jī)，再通過電機(jī)上的旋轉(zhuǎn)型編碼器將大車和割槍的位置反饋給1500PLC，達(dá)到了整體的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。切割系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 切割工作原理圖

1.3 紅外定尺系統(tǒng)

重型H型異形連鑄坯切割尺寸由紅外定尺系統(tǒng)測量，紅外定尺系統(tǒng)由紅外攝像機(jī)、CCD半導(dǎo)體器件和工控機(jī)組成。攝像頭主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集和處理。首先紅外攝像頭通過紅外成像原理把鑄坯實(shí)物通過處理轉(zhuǎn)換成圖形信號(hào)后送到CCD，再經(jīng)CCD處理轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)送到工控機(jī)，工控機(jī)處理后通過PUT/GET通信把實(shí)時(shí)測量鑄坯前端面距標(biāo)定原點(diǎn)的位置距離L2發(fā)送給1500PLC，通過上位機(jī)把需要切割的尺寸L1輸入到1500PLC。當(dāng)L2≥L1時(shí)，1500PLC控制火焰切割機(jī)完成切割命令[3-4]。紅外定尺系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 紅外定尺系統(tǒng)工作原理圖

2 切割系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

基于PLC的重型H型鋼連鑄坯火焰切割系統(tǒng)主要是完成連續(xù)鑄坯的定尺切斷，從硬件的角度考慮，主要包括控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇[5]。

2.1 控制器的選擇

所設(shè)計(jì)的重型H型鋼切割系統(tǒng)復(fù)雜，輸入、輸出的開關(guān)量較多，工作在高溫的環(huán)境下，控制精度要求高。因此選用西門子高性能S7-1500系列PLC，其CPU選用1513-1 PN，通信響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)傳輸快，抗干擾能力強(qiáng)，安全性能好，能適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境[6]。S7-1500 PLC模塊具有診斷的功能并且診斷的級(jí)別為通道級(jí)，不需要進(jìn)行額外的編程就能快速準(zhǔn)確地查到受影響的通道，減少因故障而停機(jī)的時(shí)間。電源模塊選用60W 120/230VAC/DC_1，根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)選擇兩個(gè)DI 32x24VDC BA、兩個(gè)DQ 32×24VDC/0.5A BA。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

由1500PLC控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成切割任務(wù)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用火焰切割機(jī)，其大車和切割小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用變頻調(diào)速的異步電動(dòng)機(jī)，大車行走速度Vc=3～20m/min，割槍行走速度Vg=0.09～2.5m/min，割槍升降距離S=200mm。

編碼器選用倍加福增量型旋轉(zhuǎn)編碼器RHI58N-0BAK1R61N-1000，其性能高、分辨率角度高、6通道信號(hào)輸出，可靈活使用，通過附帶的轉(zhuǎn)矩支架固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫ㄟ^電纜連接器進(jìn)行電氣連接。

該系統(tǒng)中大車和小車的方向和速度控制單元選用西門子S120高性能驅(qū)動(dòng)器，集V/F、矢量和伺服控制于一身，可實(shí)現(xiàn)單軸驅(qū)動(dòng)和多軸控制?？刂颇KCU310與功率模塊PM340配合組成S120單軸控制系統(tǒng)[7]。1500PLC通過標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文與S120驅(qū)動(dòng)器通信控制大車和割槍的方向和速度。

3 切割系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組態(tài)

使用TIA V15.1軟件完成控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)如圖4所示。S1201控制大車的移動(dòng)方向和速度，S1202控制1#割槍的水平移動(dòng)方向和速度，S1203控制1#割槍的垂直移動(dòng)方向和速度，S1204控制2#割槍的水平移動(dòng)方向和速度，S1205控制2#割槍的垂直移動(dòng)方向和速度。PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)與S120變頻器連接。

圖4 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

3.2 切割系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

PLC的程序設(shè)計(jì)是重型H型異形連鑄坯火焰切割系統(tǒng)的核心部分。該切割系統(tǒng)在滿足控制要求和生產(chǎn)需要的情況下，設(shè)計(jì)自動(dòng)模式、手動(dòng)干預(yù)兩種模式。自動(dòng)切割過程中，用戶可以根據(jù)需要通過割槍操作手柄使割槍退出自動(dòng)切割方式，這種方法稱為手動(dòng)干預(yù)。手動(dòng)干預(yù)后，自動(dòng)關(guān)閉切割氧，停止切割。手動(dòng)干預(yù)后，有兩種進(jìn)入程序的方式，一種是手動(dòng)把割槍開到鑄坯邊緣,打開預(yù)熱火焰扳動(dòng)啟動(dòng)開關(guān)，割槍會(huì)進(jìn)入自動(dòng)切割程序；另一種是在預(yù)熱氧打開時(shí)按下切割氧按鈕，割槍直接以切割速度切割。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

1)系統(tǒng)的預(yù)壓緊和壓緊信號(hào)由紅外定尺系統(tǒng)給出，當(dāng)鑄坯走過的長度達(dá)到設(shè)定的長度時(shí)，紅外定尺系統(tǒng)給1500PLC壓緊信號(hào)，1500PLC會(huì)發(fā)出命令控制同步機(jī)構(gòu)壓住鑄坯，鑄坯和大車同步運(yùn)行，邊走邊切。

2)由于重型H型鑄坯厚度大，多采用仿弧式切割方式，當(dāng)割槍水平切割到鑄坯腹板位置時(shí)，割槍開始以一定斜度下降，割槍下降到距腹板安全切割高度時(shí)停止下降，繼續(xù)以平移方式切割鑄坯，切割速度是設(shè)定切割速度的3倍。當(dāng)兩槍相遇時(shí)(相遇極限發(fā)出信號(hào))，畫面上選擇為“1#或2#相遇后返回”的割槍關(guān)閉切割氧，延時(shí)關(guān)閉預(yù)熱氧，延時(shí)關(guān)閉燃?xì)狻８顦尶焖傧蛟煌嘶爻绦蛉鐖D6所示。當(dāng)退到翼板邊緣時(shí)，需要判斷割槍當(dāng)前高度是否小于35mm。如果小于就可以繼續(xù)后退。如果高度>35mm，為了防止割槍后退時(shí)撞上翼板，就需要停下來等割槍上升高度<35mm后才能快速返回到原點(diǎn)。另一把割槍繼續(xù)切割完剩余鑄坯后，關(guān)閉切割氧，延時(shí)關(guān)閉預(yù)熱氧，延時(shí)關(guān)閉燃?xì)?，以快速方式向割槍原位退回?/p>

圖6 割槍相遇返回程序

3)割槍在切割過程中，因破口起切失敗或切割速度過快而產(chǎn)生翻渣時(shí)，可采用手動(dòng)干預(yù)方式。按照現(xiàn)場情況，用手動(dòng)的辦法處理事故。這時(shí)操作割槍操作手柄使割槍返回，割槍返程的速度是3 500mm/min，割槍返程后到達(dá)翻渣位置，人工打開切割氧后，割槍重新進(jìn)行切割，同時(shí)這把割槍的狀態(tài)又恢復(fù)到自動(dòng)狀態(tài)。如果破口失敗，則把割槍開出鑄坯，人工扳動(dòng)“啟動(dòng)”按鈕，割槍就進(jìn)入自動(dòng)切割程序，自動(dòng)打開預(yù)熱火焰，按設(shè)定的時(shí)間預(yù)熱，預(yù)熱完畢后打開切割氧，開始以始切速度進(jìn)行切割破口。

3.3 上位機(jī)畫面設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用Wincc7.4對(duì)上位機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該生產(chǎn)線采用一機(jī)二流的方式對(duì)鑄坯切割，一流火切機(jī)人機(jī)交互界面如圖7所示。異形連續(xù)鑄坯火焰切割系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)由人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)通信、腳本策略組成。通過人機(jī)交互界面，操作人員可以輸入定尺長度、預(yù)熱時(shí)間等參數(shù)。通過指示燈、動(dòng)畫等可視化的方式讓操作員了解設(shè)備的工作狀態(tài)。腳本策略負(fù)責(zé)對(duì)1500PLC較為復(fù)雜的算法計(jì)算和復(fù)雜動(dòng)畫的制作。數(shù)據(jù)通信負(fù)責(zé)上位機(jī)和1500PLC的數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)通過SIMATIC NET OPC的方式，實(shí)現(xiàn)1500PLC和上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互[8]。

圖7 上位機(jī)人機(jī)交互界面

4 結(jié)語

使用S7-1500PLC作為重型H型異形連鑄坯火焰切割系統(tǒng)的控制核心，紅外定尺系統(tǒng)對(duì)鑄坯移動(dòng)長度進(jìn)行測量，人機(jī)交互界面對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，共同完成該生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)配有機(jī)旁操作箱，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以進(jìn)行手動(dòng)干預(yù)處理。該系統(tǒng)投入到生產(chǎn)應(yīng)用中，能夠按照設(shè)計(jì)的切割流程工作，可以靈活切換各種操作模式，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，大大提高了切割鑄坯的精度和效率，避免了人工切割產(chǎn)生的誤差和質(zhì)量問題，降低了成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。