Siemens系列產(chǎn)品在冷軋實(shí)驗(yàn)機(jī)中的應(yīng)用

1 引言
目前，西門子PLC以其強(qiáng)大的功能，優(yōu)越的性能和良好的穩(wěn)定性，在各行各業(yè)的生產(chǎn)線的控制中被廣泛地使用，尤其是在軋鋼領(lǐng)域應(yīng)用得更是普遍。冷軋實(shí)驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)對(duì)控制器的精度和速度的要求都很苛刻，因?yàn)槔滠垯C(jī)的產(chǎn)品原料通常都很薄，軋制過(guò)程厚度控制的難度較大，同時(shí)還要對(duì)張力、速度進(jìn)行精確控制。作為實(shí)驗(yàn)機(jī)，不僅要控制好，同時(shí)還要對(duì)控制過(guò)程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確的測(cè)量，以便對(duì)工藝過(guò)程參數(shù)做進(jìn)一步地分析和研究。
整個(gè)冷軋的機(jī)械部分包括主軋機(jī)(機(jī)架、兩支撐輥和工作輥)、卷取機(jī)、減速機(jī)等。控制部分包括主傳動(dòng)電機(jī)、電動(dòng)壓下電機(jī)、左/右卷取電機(jī)、西門子直流調(diào)速器和液壓缸。液壓站中的五個(gè)電機(jī)和潤(rùn)滑站中的工藝潤(rùn)滑、設(shè)備潤(rùn)滑兩個(gè)電機(jī)、加熱器等。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)包括兩部分，即控制部分和數(shù)據(jù)采集處理部分。控制部分采用西門子公司的S7-400系列PLC，并利用FM458作為高速模擬量控制器，與ET200組成ProfibusDP網(wǎng)，對(duì)分散的對(duì)象如操作臺(tái)的控制時(shí)減少接線。使用S7-300PLC作為從站對(duì)液壓站和潤(rùn)滑站進(jìn)行控制。利用S7-400系列的443-1完成S7-400主站與人機(jī)界面計(jì)算機(jī)的通訊，人機(jī)界面計(jì)算機(jī)位于操作臺(tái)上，采用西門子公司的觸摸屏，軟件為WinCCflexible。
主液壓缸位移的測(cè)量選用德國(guó)的MTS絕對(duì)值傳感器，左/右卷機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量選用雷恩增量編碼器，利用FM458控制器通過(guò)FM438-1擴(kuò)展板上的絕對(duì)值和增量編碼器模塊讀取位移和轉(zhuǎn)速值，另外卷徑也是通過(guò)增量編碼器計(jì)算出來(lái)的。冷軋薄帶鋼在卷取時(shí)的張力是通過(guò)力傳感器檢測(cè)的。硬件配置見(jiàn)圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件配

3 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)
首先慢速點(diǎn)動(dòng)將原料帶鋼上卷，此時(shí)的主傳動(dòng)電機(jī)和卷取電機(jī)都是由S7-400站上的FM458通過(guò)6RA70直流調(diào)速器來(lái)控制的，其反饋信號(hào)如電機(jī)的速度是由FM438上的增量編碼器檢測(cè)，電機(jī)電流有調(diào)速器提供。構(gòu)成速度閉環(huán)和電流(即轉(zhuǎn)矩)閉環(huán)，同時(shí)通過(guò)力傳感器檢測(cè)到帶鋼的張力，完成力閉環(huán)控制。然后在觸摸屏上輸入工藝參數(shù)，如軋制的道次及相應(yīng)的厚度值等。帶鋼的厚度控制是有MTS高精度位移傳感器檢測(cè)液壓缸的位置，通過(guò)FM438模板上的絕對(duì)值編碼器采集信號(hào)，經(jīng)過(guò)PID算法后，輸出電壓值到高速伺服閥，從而完成對(duì)液壓缸的位置閉環(huán)控制。當(dāng)軋輥需要大位移移動(dòng)時(shí)，需要對(duì)壓下電機(jī)的控制來(lái)完成。
軋機(jī)在工作之前，液壓站要首先工作，即要將主泵和背壓泵打開(kāi)，冷卻水泵打開(kāi)，以降低油溫。將加熱器打開(kāi)，使乳化液的溫度控制在50℃左右，打開(kāi)攪拌電機(jī)時(shí)乳化液溫度均勻。打開(kāi)工藝潤(rùn)滑泵和設(shè)備潤(rùn)滑泵。
乳化液的溫度控制是有S7-315 CPU，通過(guò)8通道模擬量輸入模塊7KF02檢測(cè)來(lái)自溫度變送器的溫度值，通過(guò)與設(shè)定值的比較，控制兩個(gè)加熱器的通和斷。當(dāng)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相差較大時(shí)，兩個(gè)加熱器都打開(kāi)，當(dāng)實(shí)際溫度接近設(shè)定溫度的一個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，關(guān)掉一個(gè)加熱器。當(dāng)軋機(jī)工作時(shí)，S7-315還要檢測(cè)乳化液出口處的壓力，并將壓力、溫度、液壓站濾油器的狀態(tài)等值通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)發(fā)送到S7-400主站中的DB塊中，以便在HMI計(jì)算機(jī)上顯示，同時(shí)將速度、電流、張力等信號(hào)保存的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4 系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)
在控制系統(tǒng)中將S7-400設(shè)為主站，將S7-300設(shè)為從站，它們之間的地址映射關(guān)系見(jiàn)圖2和圖3。
●Mode:通訊模式，MS為主從方式的通訊模式。
●Partner DP Addr:DP通訊伙伴的地址。
●Partner Addr:通訊伙伴的輸入/輸出地址。
●Local Addr:本站的輸入/輸出地址(S7-300站的地址)。
●Length:連續(xù)的輸入/輸出地址區(qū)的長(zhǎng)度為32個(gè)字節(jié)。
●Consistency:數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

圖2 主、從站的地址映射關(guān)系

圖3 報(bào)警信號(hào)發(fā)送到主站

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
冷軋實(shí)驗(yàn)機(jī)機(jī)組的控制軟件分為兩部分，一部分是軋機(jī)的邏輯控制，即由梯形圖或語(yǔ)句表編寫，另一部分是模擬量閉環(huán)控制，由CFC結(jié)構(gòu)流圖編寫。液壓站部分的軟件都是由梯形圖或語(yǔ)句表編寫。
液壓站部分的軟件分為模擬量檢測(cè)，即乳化液溫度和壓力，溫度控制;邏輯控制。具體的子程序塊及其功能如下。
(1) 模擬量檢測(cè)及主從站通訊子程序:完成乳化液溫度、壓力的檢測(cè)，溫度控制，并將溫度、報(bào)警信號(hào)等，發(fā)送的S7-400主站，同時(shí)主站要對(duì)從站中控制乳化液的兩個(gè)閥進(jìn)行控制。
(2) AGC及彎輥站邏輯控制子程序:完成對(duì)主、輔電機(jī)及其伴隨閥的邏輯控制。
(3) 水泵及攪拌器的邏輯控制子程序:完成液壓站的油溫控制，使其溫度保持在一定范圍內(nèi)，按工藝要求完成攪拌器電機(jī)邏輯控制，使乳化液的溫度保持均勻。
(4) 工藝潤(rùn)滑和設(shè)備潤(rùn)滑站電機(jī)邏輯控制子程序
(5) 故障報(bào)警子程序:當(dāng)液壓站油溫持續(xù)過(guò)高、濾油器堵塞、乳化液溫度不工藝在要求范圍內(nèi)等，將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
(6) 公共子程序:公共子程序包括很多，如圖4、圖5、圖6示出了數(shù)據(jù)標(biāo)。度變換、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、控制算法、數(shù)據(jù)處理等子程序。

圖4 標(biāo)度變換子程序

圖5 溫度邏輯控制子程序

圖6 數(shù)據(jù)檢測(cè)子程序

6 結(jié)束語(yǔ)
該實(shí)驗(yàn)軋機(jī)的控制系統(tǒng)采用了性能穩(wěn)定穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)的西門子系列PLC，使整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行安全可靠，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，利用該設(shè)備承攬了與韓國(guó)一家公司的潤(rùn)滑油性能研究的科研項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)機(jī)是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)備，得到了國(guó)家九八五自然科學(xué)基金的資助，在此基礎(chǔ)上我單位又與上海寶山鋼鐵公司上鋼一廠簽定研制一臺(tái)了同型號(hào)的實(shí)驗(yàn)軋機(jī)。該設(shè)備是冷軋科研部門不可缺少的實(shí)驗(yàn)手段。