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1  引言

        PLC作為現代工業控制實現自動化的核心技術，它使復雜的工業控制實現變得簡單、靈活。通過與個人計算機協議連接，功能強大的控制軟件可以生成豐富的人機界面，同時有實時的數據顯示，方便操作人員作出判斷。

2  熱處理工藝生產流程簡介

    鋼板的熱處理包括鋼板加熱和淬火，輥底式常化爐和淬火機分別實現上述用途。常化爐保溫性能良好，通過輻射加熱，既節省了煤氣又防止鋼板在加熱過程中的氧化。常化爐兩側安裝有172根輻射管，爐內噴入純氮（99.9%），裝爐和出爐時爐口有氮氣簾以防氧氣進入爐內。爐溫精度可以達到±5攝氏度。該常化爐能自動實現連續裝爐，加熱時間可預先設定。淬火機緊鄰常化爐，有8bar的高壓水源和4bar的低壓水源，水流量和輥縫可以自動調節，淬火速度自動控制，可以連續淬火。

3  控制系統組成

圖1  系統結構圖

    控制系統由常化爐控制系統和淬火機控制系統組成。控制系統的核心采用Honeywell公司的S9000系列PLC，所有控制功能都由它來實現。系統結構如圖1所示。

3.1  常化爐PLC控制系統

    系統分為三級：上位機、9200e PLC、現場控制設備。上位機可以完成PLC的組態、控制程序的編寫、PLC的監控及人機界面MMI。上位機傳給PLC鋼板信息數據（如鋼板厚度、加熱溫度、是否淬火等）。PLC主要實現溫度控制、生產順序控制、點爐和停爐的順序控制、鋼板信號的跟蹤、輥速控制。

    常化爐分為10個溫度區，對10個溫度區分別控制它們的溫度。由于爐溫的變化存在很大的滯后特性，屬于大慣性環節，當今對大慣性環節的控制精度問題還沒有很好的解決辦法。常化爐工藝上對溫度精度沒有特別嚴格的要求，允許升溫區段有很大的溫度變化（其實這也是難以解決的），但保溫區段的溫差應在±5攝氏度內。溫度控制框圖如圖2所示。PID參數經現場修改給出經驗值。

圖2  溫度控制框圖

    速度控制是熱處理工藝中另一個主要環節，每塊鋼板的進出爐時間都有嚴格的要求。常化爐爐輥分為三段。驅動爐內輥道的電機一共有32臺，均可調速，其中裝爐段15臺，工藝段2臺，出爐段15臺。相對應輥速有三種：裝爐速度、工藝速度、出爐速度。裝爐速度要求高速，保證鋼板快速進入爐內，范圍為0~60m/min；工藝速度相對較小，范圍為0.5~2.95m/min；出爐速度和裝爐速度一樣要求快速，范圍也為0~60m/min。鋼板的速度給定值由操作人員設定，PLC將給定傳給變頻器，從而實現輥速的控制。輥速的切換由PLC根據鋼板在爐內的位置再控制變頻器來實現。

    常化爐能夠實現連續生產全部依賴PLC的生產流程控制。在常化爐的生產線上安裝了10個光電管（PC1~PC11，其中PC2沒有安裝），可以檢測鋼板在爐內的位置，同時在裝爐段、工藝段和出爐段各安裝了一個光電碼盤，可以檢測鋼板在爐內走過的距離。鋼板裝爐和出爐時，裝爐段電機和出爐段電機并非全部高速轉動，這樣可以避免一部分在工藝段而另一部分在非工藝段的鋼板保持均速，也可使常化爐一次容納盡可能多的鋼板，加大日產量，這是一個復雜的控制算法。為了保證爐內鋼板的間距為700cm，鋼板信號跟蹤是必須的。PLC自動跟蹤記錄每塊鋼板的位置以及計算鋼板的出爐時間。

    常化爐的點爐和停爐都按一定的程序來嚴格執行，保證煤氣管道不漏氣、煤氣管道沒有過多殘留煤氣、空氣管道沒有煤氣等，只不過這些都由PLC自動執行。

3.2  淬火機PLC控制系統

    淬火機PLC控制系統如同常化爐PLC控制系統，也分為三級：上位機、PLC、現場控制設備，這里就不再詳述。PLC是控制系統的核心，主要實現水流量控制、輥縫控制、淬火速度控制、生產流程控制、信號跟蹤。

    水流量控制和常化爐溫度控制一樣，采用PID實現單閉環，PID參數也由經驗值給出。輥縫控制是一個單閉環，給定由PLC輸出。

    速度控制模式和常化爐控制系統一樣，生產流程控制和信號跟蹤也比常化爐控制系統簡單，用PC13、PC14光電管和一個光電碼盤來跟蹤鋼板位置。

4  過程控制的軟件實現

    如今，用于工業上的監控軟件很多，如InTouch、Fix32，還有國內的組態王。本系統采用的是Honeywell的PCS(PC Supervisor)監控軟件，它把Fix32的大部分功能和S9000的組態融合在一起，包括I/O的組態、PLC的地址選擇、PLC的用戶程序編制與下載、PLC的在線監控、以實時數據庫為核心的MMI（包括歷史數據顯示、實時監控畫面、實時報警）。系統有良好的安全策略，安全級別可達16級。

4.1  常化爐控制系統

    PLC的用戶程序由梯形圖、順序控制圖和連控圖組成。梯形圖完成各種邏輯控制，包括生產流程控制、鋼板信號的跟蹤、點爐和停爐的控制等；連控圖完成模擬量的運算和I/O輸出，包括溫度PID控制和輸出、輥速控制和輸出等；順序控制圖完成梯形圖和連控圖一些必要的銜接。

圖3  數據流動圖

    梯形圖程序中，按照控制功能分為相應的模塊，如生產流程控制子程序、I/O輸入子程序、I/O輸出子程序等，主程序里分別調用它們。生產流程控制用了內部地址8010和8012，它們分別是裝爐和出爐的Flag，利用標志來進行下一步控制。裝爐輥道和出爐輥道每3臺分成一組，按照鋼板在常化爐中的位置來決定速度的切換。用戶程序里創建了一個連續的存儲區域來存儲鋼板的信息，并用地址7002存儲爐內鋼板的數量，完成信號跟蹤。鋼板的信息包括鋼板的位置、加熱溫度、鋼板的代碼、鋼板的厚度和長度。長度在裝爐前由PLC自動測出，鋼板的代碼由現場操縱臺輸入。代碼對應的鋼板信息存儲在一個數據表格里，包括加熱溫度、厚度、是否淬火（1為正火，2為淬火），程序DDELINK.exe完成和PCS系統的數據交換。數據流動圖如圖3所示。

        PCS采用可視化的方法來編寫連控圖程序，基本元素是功能塊，將各功能塊連接在一起就構成用戶控制程序。常用的功能塊包括I/O塊、PID塊、設定點功能塊、函數功能塊等。設定點功能塊能使溫度給定按設定的曲線變化，生成點爐時的升溫曲線和停爐時的降溫曲線。最后要根據實際要求設定每個功能塊的參數。

        MMI的實現以實時數據庫為核心，利用Windows的DDE功能，實現現場數據的實時顯示，幫助操作人員根據現場數據正確操作。MMI包括裝爐、出爐操作界面、歷史數據的顯示，幫助技術人員進行數據分析，還有實時報警界面及普通故障報警界面。普通故障報警界面上動態鏈接了所有到PLC的報警信號，便于技術人員查找故障點。

4.2  淬火機控制系統

    淬火機控制系統的軟件實現方法與常化爐系統相同，只是控制相對簡單些。淬火機輥道由一臺電機驅動，為簡化設計，每次正火或淬火時淬火機輥道上設定只有一塊鋼板。當淬火機上有鋼板時，準備出爐的鋼板只有在爐內搖擺等待，這些都通過生產流程控制子程序實現。根據常化爐傳來的出爐信號啟動淬火或正火，鋼板通過PC13、PC14表示淬火或正火結束。輥速控制、水流量控制的實現如同常化爐的輥速控制、溫度控制的實現。淬火機輥縫控制算法如圖4所示。

圖4  淬火機輥縫控制算法

    實際中，data1=10，data2=2，data3=-10，data4=-2。MMI的實現和常化爐系統相同。

5  結語

    軋板熱處理PLC控制系統是一個比較復雜的控制系統，比較好地保證了產量，同時又保證了鋼板的質量。它在MMI的設計上，既做到了界面的美觀，更有實用性。整個控制系統設計有許多必要的故障報警輔助點，并在MMI上全部有鏈接，使故障的查找簡單明了，節約了故障處理時間，并在常化爐的點爐程序設計上充分考慮了生產的安全性。