人機界面與可編程控制器在冷帶連續(xù)加工機組中的結合應用

1、引言

由我院技術總承包、近期已順利投產(chǎn)的張家港華達涂層有限公司年產(chǎn)15萬熱鍍鋅板工程和我院目前為濟南鋼鐵公司技術總承包的年產(chǎn)20萬噸熱鍍鋅板工程，采用新型自動化系統(tǒng)配置模式，從根本上改進和簡化了自動化系統(tǒng)，目前張家港項目運行良好，濟鋼項目進展順利。

2、系統(tǒng)配置原則和方式

冷帶連續(xù)加工機組的過程控制系統(tǒng)一般按照工藝特點可以進行比較詳細的分類，如焊機控制、鋅鍋控制、加熱爐控制、輥涂控制、光整機控制等，但一般而言，冷帶連續(xù)加工機組(鍍鋅機組、彩色涂層機組還是退火機組等)其通用的過程控制系統(tǒng)均為傳動控制系統(tǒng)和與它關系密切的PLC系統(tǒng)再加上上位監(jiān)控系統(tǒng)；20世紀80年代，寶鋼2030冷軋廠08鍍鋅機組(1850mm、年產(chǎn)30萬噸)的自動化系統(tǒng)根據(jù)當時自動化技術水平按照工藝區(qū)段方式共配置5臺西門子公司的S5-150KPLC和一臺上位工業(yè)控制機300-R30，屬當時國際先進水平，目前自動化技術與20世紀80年代相比，進步極大，沿襲2030冷軋廠帶鋼生產(chǎn)機組工藝分段配置自動化系統(tǒng)的傳統(tǒng)模式已不適應目前的自動化技術水平，表1為S7-400系列PLC、S7-300系列PLC與S5-150K系列PLC的技術性能對比；以表1技術性能對比為依據(jù)，通過分析，濟南鋼鐵公司20萬噸鍍鋅機組集成的自動化系統(tǒng)我們采用一塊S7-400主CPU：CPU416-2DP；張家港機組(年產(chǎn)15萬噸)采用一塊S7-300主CPU：S7-315-2DP，實踐證明，我們的系統(tǒng)配置模式完全滿足生產(chǎn)要求；可以有以下結論：目前國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)年產(chǎn)在20萬噸左右的冷帶連續(xù)加工機組自動化系統(tǒng)，只需1臺S7-400主CPU就可以滿足生產(chǎn)要求，對于年產(chǎn)在15萬噸以下的中小機組只需要一臺S7-300主CPU：CPU315-2DP就完全可以滿足生產(chǎn)要求，這無疑極大地簡化了冷帶加工機組的自動化系統(tǒng)，使廣大用戶從中受益。

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

(1) 充分發(fā)揮CPU技術性能，淘汰按照工藝區(qū)段分配PLC的老模式，從根本上簡化自動化系統(tǒng)結構，降低設備投資。

(2) 充分采用現(xiàn)場通訊總線技術和遠程IO單元，從而大量節(jié)省輸入輸出點和施工電纜，降低投資費用。

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

3、系統(tǒng)組成及功能

冷帶連續(xù)加工機組自動化系統(tǒng)構成方式為：基礎傳動+PLC+上位監(jiān)控；PLC(主CPU、遠程IO站)、HMI、傳動系統(tǒng)之間通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡進行信息交換。

3.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)組成及功能

監(jiān)控系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP總線與PLC主CPU連接，接受和采集原料、生產(chǎn)過程、產(chǎn)品有關信息，實現(xiàn)生產(chǎn)管理人員-設備-原料-產(chǎn)品之間的信息交換，對機組的正常生產(chǎn)和產(chǎn)品進行自動化管理；通過網(wǎng)絡，把工藝參數(shù)設定值和對電氣設備的操作從人-機界面接口傳送到PLC，把機組的狀態(tài)、電氣參數(shù)及故障由PLC收集送到人-機接口的CRT顯示器上；我院目前為濟南鋼鐵公司技術總承包的20萬噸熱鍍鋅板工程上位監(jiān)控系統(tǒng)采用WinCC組態(tài)技術對整個機組運行狀態(tài)進行監(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、鋼卷編號等)，過程數(shù)據(jù)(機組各段張力、機組速度)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)(鋼卷卷號、卷重、卷徑、焊縫位置等)的自動生成、存儲和修改，將自動生成的配方工藝參數(shù)下載到PLC。
(2) 所有生產(chǎn)技術數(shù)據(jù)的匯總、存儲、打印；
(3) 各主要工藝設備狀態(tài)顯示；(4)在人-機界面上或者在操作臺上對上述生產(chǎn)技術數(shù)據(jù)進行人工干預；
(4) 加熱爐的溫度顯示、運行狀態(tài)監(jiān)視、故障報警；

3.2 PLC系統(tǒng)組成及功能

以濟南20萬噸熱鍍鋅項目為例，PLC系統(tǒng)采用西門子公司S7-400系列PLC，主CPU采用S7-416-2DP，遠程IO采用ET200，由CPU、存儲單元、電源模板、通訊模板、輸入輸出模板、高速計數(shù)模板、中繼器等組成，PLC與分布式I／O及傳動系統(tǒng)采用Profibus-DP網(wǎng)。具體配置見表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)段速度設定、張力設定、活套控制、邏輯控制、監(jiān)測和報警、與上位機進行通訊等控制功能；在三個操作臺(入口操作臺、工藝操作臺、出口操作臺)上分別設有模塊化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與各自的遠程IO站之間的通訊、PLC與調(diào)速傳動裝置之間采用獨立通訊網(wǎng)絡，PLC把設定參數(shù)和控制指令傳送到終端和各調(diào)速傳動系統(tǒng)，并收集各調(diào)速傳動系統(tǒng)的狀態(tài)和電氣參數(shù)送到人-機接口的CRT上顯示。

4、PLC軟件功能

冷帶連續(xù)加工機組的PLC軟件主要是焊縫跟蹤任務，包括自動剎車、慢速定位和緊急剎車；焊縫跟蹤任務是靠現(xiàn)場遠程IO站信號通過ProfiBUS-DP與S7-400主CPU通訊，依據(jù)編制好的過程控制軟件完成，它的任務主要包括：

(1) 根據(jù)帶鋼焊縫在機組的位置實現(xiàn)機組的自動剎車

a) 開卷機的自動甩尾剎車。
b) 入口活套出口活套的自動剎車。
c) 卷取機的自動剎車。
d) 拉矯機的輥道自動開閉。

(2) 根據(jù)焊縫位置實現(xiàn)機組的慢速定位

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

(3) 機組的緊急剎車

a) 傳動設備故障的機組緊急剎車。
b) 斷帶故障的緊急剎車。

(4) 4個程序模塊

上述所有工藝要求的控制功能其軟件核心為4個程序模塊，根據(jù)需要分別在自動剎車、慢速定位和緊急剎車過程中調(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) 自動剎車模塊AUBK01。

定位模塊POSI01、自動剎車模塊AUBK01的功能主要是接受來自現(xiàn)場狀態(tài)控制點的狀態(tài)，并且根據(jù)狀態(tài)控制點狀態(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，主要是開關順序連鎖和通／斷關系；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-張力的設定。

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

(5) 目標速度非“0”狀態(tài)的生產(chǎn)請求，可以分為兩種情況：

a) 初始速度為“0”，既生產(chǎn)線為停止狀態(tài)，這種情況下，首先要進入張力準備階段，根據(jù)工藝要求進行張力預選，接通張力，建立靜態(tài)張力，其次是張力調(diào)節(jié)階段，建立該運行區(qū)所有設備的工作張力，并且對張力的建立和調(diào)節(jié)進行確認和檢查，在確認和檢查無誤的情況下，進入速度調(diào)節(jié)階段，經(jīng)過一定時間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”，說明請求實現(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，可以直接進行速度調(diào)節(jié)。

目標速度為“0”，這種請求是實現(xiàn)目標速度為“0”的狀態(tài)。

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

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

冷帶連續(xù)加工機組的PLC控制程序編制，應該注意以下情況：

a) 現(xiàn)場執(zhí)行元件的可靠性直接關系到自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，傳動電機、抱閘和限位開關、光電檢測在自動化系統(tǒng)中具有同樣的重要性，機組的連續(xù)性生產(chǎn)和限位開關這樣小的元件密切相關。

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

c) 冷帶連續(xù)加工線自動化系統(tǒng)的硬件結構應合理采用遠程IO和總線通訊方式，軟件結構上應該按照程序模塊把所有開關量信號與張力-加速度-速度-位置參數(shù)有機地整合在一起，否則，機組靜態(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)很可能會出現(xiàn)意想不到的故障。

5、結束語

目前，由我院承擔的我國國內(nèi)所有冷帶連續(xù)加工機組的自動化系統(tǒng)運行均非常穩(wěn)定、可靠，這和我們多年吸收、借鑒我國花巨資從國外引進的同類機組自動化技術、不斷跟蹤自動化技術發(fā)展趨勢是分不開的，我們的工作為我院和廣大用戶創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益