人機(jī)界面與可編程控制器在冷帶連續(xù)加工機(jī)組中的結(jié)合應(yīng)用

1、引言

由我院技術(shù)總承包、近期已順利投產(chǎn)的張家港華達(dá)涂層有限公司年產(chǎn)15萬(wàn)熱鍍鋅板工程和我院目前為濟(jì)南鋼鐵公司技術(shù)總承包的年產(chǎn)20萬(wàn)噸熱鍍鋅板工程，采用新型自動(dòng)化系統(tǒng)配置模式，從根本上改進(jìn)和簡(jiǎn)化了自動(dòng)化系統(tǒng)，目前張家港項(xiàng)目運(yùn)行良好，濟(jì)鋼項(xiàng)目進(jìn)展順利。

2、系統(tǒng)配置原則和方式

冷帶連續(xù)加工機(jī)組的過(guò)程控制系統(tǒng)一般按照工藝特點(diǎn)可以進(jìn)行比較詳細(xì)的分類(lèi)，如焊機(jī)控制、鋅鍋控制、加熱爐控制、輥涂控制、光整機(jī)控制等，但一般而言，冷帶連續(xù)加工機(jī)組(鍍鋅機(jī)組、彩色涂層機(jī)組還是退火機(jī)組等)其通用的過(guò)程控制系統(tǒng)均為傳動(dòng)控制系統(tǒng)和與它關(guān)系密切的PLC系統(tǒng)再加上上位監(jiān)控系統(tǒng)；20世紀(jì)80年代，寶鋼2030冷軋廠08鍍鋅機(jī)組(1850mm、年產(chǎn)30萬(wàn)噸)的自動(dòng)化系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)時(shí)自動(dòng)化技術(shù)水平按照工藝區(qū)段方式共配置5臺(tái)西門(mén)子公司的S5-150KPLC和一臺(tái)上位工業(yè)控制機(jī)300-R30，屬當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平，目前自動(dòng)化技術(shù)與20世紀(jì)80年代相比，進(jìn)步極大，沿襲2030冷軋廠帶鋼生產(chǎn)機(jī)組工藝分段配置自動(dòng)化系統(tǒng)的傳統(tǒng)模式已不適應(yīng)目前的自動(dòng)化技術(shù)水平，表1為S7-400系列PLC、S7-300系列PLC與S5-150K系列PLC的技術(shù)性能對(duì)比；以表1技術(shù)性能對(duì)比為依據(jù)，通過(guò)分析，濟(jì)南鋼鐵公司20萬(wàn)噸鍍鋅機(jī)組集成的自動(dòng)化系統(tǒng)我們采用一塊S7-400主CPU：CPU416-2DP；張家港機(jī)組(年產(chǎn)15萬(wàn)噸)采用一塊S7-300主CPU：S7-315-2DP，實(shí)踐證明，我們的系統(tǒng)配置模式完全滿足生產(chǎn)要求；可以有以下結(jié)論：目前國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)年產(chǎn)在20萬(wàn)噸左右的冷帶連續(xù)加工機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)，只需1臺(tái)S7-400主CPU就可以滿足生產(chǎn)要求，對(duì)于年產(chǎn)在15萬(wàn)噸以下的中小機(jī)組只需要一臺(tái)S7-300主CPU：CPU315-2DP就完全可以滿足生產(chǎn)要求，這無(wú)疑極大地簡(jiǎn)化了冷帶加工機(jī)組的自動(dòng)化系統(tǒng)，使廣大用戶(hù)從中受益。

采用新型方式配置冷帶連續(xù)加工機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)的好處可以歸納如下：

(1) 充分發(fā)揮CPU技術(shù)性能，淘汰按照工藝區(qū)段分配PLC的老模式，從根本上簡(jiǎn)化自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備投資。

(2) 充分采用現(xiàn)場(chǎng)通訊總線技術(shù)和遠(yuǎn)程IO單元，從而大量節(jié)省輸入輸出點(diǎn)和施工電纜，降低投資費(fèi)用。

(3) 充分采用現(xiàn)代HMI技術(shù)，省卻大量操作按鈕、指示燈和顯示儀表，從而提高自動(dòng)化生產(chǎn)的操作和管理水平，使操作更加人性化和簡(jiǎn)約化。

3、系統(tǒng)組成及功能

冷帶連續(xù)加工機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成方式為：基礎(chǔ)傳動(dòng)+PLC+上位監(jiān)控；PLC(主CPU、遠(yuǎn)程IO站)、HMI、傳動(dòng)系統(tǒng)之間通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成及功能

監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS-DP總線與PLC主CPU連接，接受和采集原料、生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品有關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理人員-設(shè)備-原料-產(chǎn)品之間的信息交換，對(duì)機(jī)組的正常生產(chǎn)和產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)化管理；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，把工藝參數(shù)設(shè)定值和對(duì)電氣設(shè)備的操作從人-機(jī)界面接口傳送到PLC，把機(jī)組的狀態(tài)、電氣參數(shù)及故障由PLC收集送到人-機(jī)接口的CRT顯示器上；我院目前為濟(jì)南鋼鐵公司技術(shù)總承包的20萬(wàn)噸熱鍍鋅板工程上位監(jiān)控系統(tǒng)采用WinCC組態(tài)技術(shù)對(duì)整個(gè)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。
上位監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能如下：

(1) 原料數(shù)據(jù)(板材寬度、厚度、鋼卷編號(hào)等)，過(guò)程數(shù)據(jù)(機(jī)組各段張力、機(jī)組速度)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)(鋼卷卷號(hào)、卷重、卷徑、焊縫位置等)的自動(dòng)生成、存儲(chǔ)和修改，將自動(dòng)生成的配方工藝參數(shù)下載到PLC。
(2) 所有生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)的匯總、存儲(chǔ)、打印；
(3) 各主要工藝設(shè)備狀態(tài)顯示；(4)在人-機(jī)界面上或者在操作臺(tái)上對(duì)上述生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工干預(yù)；
(4) 加熱爐的溫度顯示、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、故障報(bào)警；

3.2 PLC系統(tǒng)組成及功能

以濟(jì)南20萬(wàn)噸熱鍍鋅項(xiàng)目為例，PLC系統(tǒng)采用西門(mén)子公司S7-400系列PLC，主CPU采用S7-416-2DP，遠(yuǎn)程IO采用ET200，由CPU、存儲(chǔ)單元、電源模板、通訊模板、輸入輸出模板、高速計(jì)數(shù)模板、中繼器等組成，PLC與分布式I／O及傳動(dòng)系統(tǒng)采用Profibus-DP網(wǎng)。具體配置見(jiàn)表3。PLC控制系統(tǒng)主要完成加工線工藝功能的控制，根據(jù)工藝需要完成區(qū)段速度設(shè)定、張力設(shè)定、活套控制、邏輯控制、監(jiān)測(cè)和報(bào)警、與上位機(jī)進(jìn)行通訊等控制功能；在三個(gè)操作臺(tái)(入口操作臺(tái)、工藝操作臺(tái)、出口操作臺(tái))上分別設(shè)有模塊化IO單元，由通訊電纜匯總到PLC系統(tǒng)，為提高系統(tǒng)可靠性，PLC與各自的遠(yuǎn)程IO站之間的通訊、PLC與調(diào)速傳動(dòng)裝置之間采用獨(dú)立通訊網(wǎng)絡(luò)，PLC把設(shè)定參數(shù)和控制指令傳送到終端和各調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，并收集各調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)和電氣參數(shù)送到人-機(jī)接口的CRT上顯示。

4、PLC軟件功能

冷帶連續(xù)加工機(jī)組的PLC軟件主要是焊縫跟蹤任務(wù)，包括自動(dòng)剎車(chē)、慢速定位和緊急剎車(chē)；焊縫跟蹤任務(wù)是靠現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程IO站信號(hào)通過(guò)ProfiBUS-DP與S7-400主CPU通訊，依據(jù)編制好的過(guò)程控制軟件完成，它的任務(wù)主要包括：

(1) 根據(jù)帶鋼焊縫在機(jī)組的位置實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)剎車(chē)

a) 開(kāi)卷機(jī)的自動(dòng)甩尾剎車(chē)。
b) 入口活套出口活套的自動(dòng)剎車(chē)。
c) 卷取機(jī)的自動(dòng)剎車(chē)。
d) 拉矯機(jī)的輥道自動(dòng)開(kāi)閉。

(2) 根據(jù)焊縫位置實(shí)現(xiàn)機(jī)組的慢速定位

a) 入口上下通道帶頭在焊機(jī)處的慢速定位。
b) 入口上下通道在助卷器和夾送輥兩種方式下的穿帶。
c) 入口出口側(cè)剪刀處的帶鋼定位。
d) 焊縫的自動(dòng)打孔。
e) 根據(jù)焊縫位置計(jì)算帶長(zhǎng)。

(3) 機(jī)組的緊急剎車(chē)

a) 傳動(dòng)設(shè)備故障的機(jī)組緊急剎車(chē)。
b) 斷帶故障的緊急剎車(chē)。

(4) 4個(gè)程序模塊

上述所有工藝要求的控制功能其軟件核心為4個(gè)程序模塊，根據(jù)需要分別在自動(dòng)剎車(chē)、慢速定位和緊急剎車(chē)過(guò)程中調(diào)用，它們是：

a) 狀態(tài)控制模塊MDCT01。
b) 張力調(diào)節(jié)模塊TEAD01。
c) 定位模塊POSI01。
d) 自動(dòng)剎車(chē)模塊AUBK01。

定位模塊POSI01、自動(dòng)剎車(chē)模塊AUBK01的功能主要是接受來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)控制點(diǎn)的狀態(tài)，并且根據(jù)狀態(tài)控制點(diǎn)狀態(tài)去觸發(fā)或者調(diào)用狀態(tài)控制模塊MDCT01和張力調(diào)節(jié)模塊TEAD01的不同設(shè)定值程序,它們附屬于張力調(diào)節(jié)模塊和狀態(tài)控制模塊，主要是開(kāi)關(guān)順序連鎖和通／斷關(guān)系；狀態(tài)控制模塊MDCT01和張力調(diào)節(jié)模TEAD01的主要功能是速度-張力的設(shè)定。

狀態(tài)控制模塊MDCT01和張力調(diào)節(jié)模塊TEAD01按照機(jī)組工作狀態(tài)的不同可以分為目標(biāo)速度非“0”狀態(tài)的生產(chǎn)請(qǐng)求和目標(biāo)速度為“0”生產(chǎn)請(qǐng)求兩種基本情況；

(5) 目標(biāo)速度非“0”狀態(tài)的生產(chǎn)請(qǐng)求，可以分為兩種情況：

a) 初始速度為“0”，既生產(chǎn)線為停止?fàn)顟B(tài)，這種情況下，首先要進(jìn)入張力準(zhǔn)備階段，根據(jù)工藝要求進(jìn)行張力預(yù)選，接通張力，建立靜態(tài)張力，其次是張力調(diào)節(jié)階段，建立該運(yùn)行區(qū)所有設(shè)備的工作張力，并且對(duì)張力的建立和調(diào)節(jié)進(jìn)行確認(rèn)和檢查，在確認(rèn)和檢查無(wú)誤的情況下，進(jìn)入速度調(diào)節(jié)階段，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間Δt(如出口段為4秒、工藝段為3秒、出口段為6秒)檢查速度不為“0”，說(shuō)明請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)。

b) 初始速度不為“0”，既生產(chǎn)線為正常生產(chǎn)狀態(tài)，這種情況下，所有張力均已存在，各段張力均為正常生產(chǎn)值，此時(shí)，可以直接進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

目標(biāo)速度為“0”，這種請(qǐng)求是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)速度為“0”的狀態(tài)。

可以知道，當(dāng)速度為“0”后大約0.7秒，取消工作張力，建立靜態(tài)張力，若沒(méi)有外部中斷請(qǐng)求，那么在大約900s之后，系統(tǒng)自動(dòng)取消靜態(tài)張力，張力值“0”。

鍍鋅機(jī)組入口段軟件功能框圖，整個(gè)框圖基本包括狀態(tài)控制模塊MDCT01、張力調(diào)節(jié)模塊TEAD01、定位模塊POSI01和自動(dòng)剎車(chē)模塊AUBK01。

冷帶連續(xù)加工機(jī)組的PLC控制程序編制，應(yīng)該注意以下情況：

a) 現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行元件的可靠性直接關(guān)系到自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，傳動(dòng)電機(jī)、抱閘和限位開(kāi)關(guān)、光電檢測(cè)在自動(dòng)化系統(tǒng)中具有同樣的重要性，機(jī)組的連續(xù)性生產(chǎn)和限位開(kāi)關(guān)這樣小的元件密切相關(guān)。

b) 冷帶連續(xù)加工線自動(dòng)化系統(tǒng)控制的主要設(shè)備是輥系設(shè)備，主要參數(shù)是張力-加速度-速度-位置這樣四個(gè)力學(xué)參數(shù)，其控制過(guò)程屬于剛性物料輸送過(guò)程，其前后聯(lián)系非常緊密，單體設(shè)備之間相關(guān)性極大，在控制精度上有一定要求，否則會(huì)出現(xiàn)斷帶、拉帶、堆帶或者機(jī)組振蕩故障現(xiàn)象。

c) 冷帶連續(xù)加工線自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)合理采用遠(yuǎn)程IO和總線通訊方式，軟件結(jié)構(gòu)上應(yīng)該按照程序模塊把所有開(kāi)關(guān)量信號(hào)與張力-加速度-速度-位置參數(shù)有機(jī)地整合在一起，否則，機(jī)組靜態(tài)張力、穿帶張力、工作張力、入口出口活套充放套等工作狀態(tài)很可能會(huì)出現(xiàn)意想不到的故障。

5、結(jié)束語(yǔ)

目前，由我院承擔(dān)的我國(guó)國(guó)內(nèi)所有冷帶連續(xù)加工機(jī)組的自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行均非常穩(wěn)定、可靠，這和我們多年吸收、借鑒我國(guó)花巨資從國(guó)外引進(jìn)的同類(lèi)機(jī)組自動(dòng)化技術(shù)、不斷跟蹤自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是分不開(kāi)的，我們的工作為我院和廣大用戶(hù)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益