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通過(guò)借鑒我國(guó)20世紀(jì)80年代從國(guó)外引進(jìn)的寶鋼30萬(wàn)噸熱鍍鋅機(jī)組自動(dòng)化技術(shù)，并通過(guò)濟(jì)南鋼鐵公司20萬(wàn)噸熱鍍鋅工程、張家港華達(dá)涂層有限公司15萬(wàn)噸熱鍍鋅工程實(shí)例的對(duì)比、分析，提出目前國(guó)內(nèi)冷帶連續(xù)加工機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)的合理配置方式，并闡述了人機(jī)界面技術(shù)和PLC技術(shù)在冷帶加工機(jī)組中的具體應(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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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I/O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I/O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。
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I/O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I/O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I/O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I/O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)，具體張力-速度請(qǐng)求-確認(rèn)曲線模型如圖3所示。
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)，具體張力-速度曲線模型如圖4所示。
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)，具體張力-速度曲線模型如圖5所示。
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I/O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。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)