基于PLC 的薄鋼板切割精度效驗裝置研制

李志斌，張 琪，彭道剛，魏亞威，湯 棟

(上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090)

在鋼鐵廠的薄鋼板生產(chǎn)中，不論是軋制過程還是最終成品階段，對薄鋼板的尺寸精度和外形輪廓都有較高的要求.為了達到最佳的軋制效果和收得率，檢測薄鋼板的垂直度和切割精度就變得尤為重要［1］.薄鋼板通過橫切機剪切完成后，相鄰的邊通常不會完全垂直，但是人眼無法識別這其中微小的差異，而要驗證切割后的薄鋼板是否合格，就需要一種精密的測量設(shè)備對切割精度進行效驗.

為此，本文設(shè)計和開發(fā)了一套用于薄鋼板切割精度效驗的測量裝置.出于對整個系統(tǒng)可靠性的考慮，選用了西門子公司的S7-300 PLC(315-2DP)，該控制器具有體積小、速度快、網(wǎng)絡(luò)通信能力強，以及可靠性高等優(yōu)點［2，3］.

1 切割精度的定義及數(shù)學描述

鋼鐵行業(yè)中所規(guī)定的板長偏差和對角線偏差從本質(zhì)上說就是對橫切機切割的加工精度，即切割精度提出的要求.切割精度中的板長偏差是指切割完成后薄鋼板的實際測量長度L′與薄鋼板的設(shè)定長度L之間的差值.它反映了薄鋼板的實際板長偏離設(shè)定要求的程度.若以ΔL來表示板長偏差，即

切割精度中的對角線偏差是指薄鋼板對角線的實際測量長度D′1或D′2與薄鋼板的理論對角線長度D之間的差值.它反映了薄鋼板接近矩形的程度.薄鋼板理論對角線長度D指的是以薄鋼板的設(shè)定長度L和薄鋼板的帶凈寬H分別為長和寬的矩形對角線的長度.若以ΔD來表示對角線偏差，則

工程上通常采用D′1與D′2的差值來表示對角線偏差，即

2 計算模型設(shè)計

根據(jù)切割精度的定義及數(shù)學描述，設(shè)計實現(xiàn)的薄鋼板切割精度測量的計算模型如圖1所示.

圖1 計算模型示意

圖1中，虛線標識的是標準板，通過運行測量裝置的標準板校驗功能可以獲得一組標準板的探規(guī)讀數(shù)xi，這一組參數(shù)與6個探規(guī)之間的距離 yi一起作為系統(tǒng)的初始化結(jié)構(gòu)參數(shù).圖1中實線標識的是待測薄鋼板，通過運行測量裝置的測量功能可以獲得一組待測板的探規(guī)讀數(shù)xi′，則待測板和標準板差值的絕對值為

式中，i=1，2，3，4，5，6.

固定在測量平臺右側(cè)面的3個探規(guī)所測量得到的待測板和標準板差值的絕對值dxi總是滿足dx1

在測量前操作人員需要在觸摸屏上輸入待測板的設(shè)定板高h和板寬a，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)xi和yi，以及待測板的探規(guī)讀數(shù)xi′，可以完成待測板切割精度的計算.

圖1為計算模型1的情況，待測板和標準板差值的絕對值dxi可通過式(4)計算得到，∠b和∠c可通過式(5)和式(6)計算得到.

根據(jù)三角形的余弦定理和勾股定理可計算得到AE 和 GE，即

AE即作為待測板的實際板高.

由勾股定理可得對角線AG和PF，即

因此，待測板的對角線偏差為 AG－PF，高度為AE，斜切率為tan b.

當dx6

3 測量裝置的硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)薄鋼板切割精度的測量要求(高度偏差小于1 mm，對角線偏差的絕對值小于1 mm)，選用了西門子的S7-300，變頻器CU310DP，伺服電機 SIMATIC S120，觸摸屏 TP270，GIVI光柵尺，Sony多軸探規(guī)接口模塊MG20-DT和6個探規(guī)DT12P等組成了測量裝置.薄鋼板切割精度效驗裝置的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 薄鋼板切割精度效驗裝置的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)上位機選用觸摸屏TP270對系統(tǒng)進行控制和監(jiān)測，將下位機S7-300 PLC作為主控制器.在整個測量過程中，PLC根據(jù)編制的程序來控制電機的速度和移動方向，按照Profubus通信協(xié)議，將速度命令信號發(fā)送給變頻器CU310DP.變頻器獲得命令信號后執(zhí)行動作并反饋運行狀態(tài)和故障報警信號給PLC.測量裝置通過西門子的高速計數(shù)器模塊FM350-1和光柵尺的配合來完成電機的定位功能，從而實現(xiàn)對移動的3個探規(guī)進行準確定位.探規(guī)DT12P通過氣閥伸縮完成對位移量的測量，所測位移數(shù)據(jù)上傳給多軸探規(guī)接口模塊MG20-DT，PLC通過串口與MG20-DT通信獲得探規(guī)DT12P所測量的6個位移數(shù)據(jù)，然后通過計算模型可得到待測薄鋼板的實際高度、對角線差和斜切率，并判斷待測薄鋼板的切割精度是否在允許誤差范圍之內(nèi)，并將測量結(jié)果顯示在觸摸屏上.觸摸屏TP270同樣通過Profibus總線和PLC進行實時通信，并可對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控，操作人員也可通過觸摸屏直接進行操作.

3.2 PLC選型以及輸入輸出點分配

校驗裝置選用了西門子S7-300 PLC，整個系統(tǒng)中所需要的I/O點數(shù)主要有:輸入信號有1個光柵尺計數(shù)清零限位開關(guān)，1個上部保護限位開關(guān)，一個下部保護限位開關(guān)，1個緊急停車和1個腳踩測量信號共5個輸入點;輸出信號有6個氣閥的啟動信號，用于驅(qū)動探規(guī).

根據(jù)所需要的I/O點數(shù)以及整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，進行了 PLC 的選型［4，5］，所選的模塊如下:

(1)CPU模塊 S7-300的CPU 315-2 DP，型號為6ES7 315-2AG10-0AB0;

(2)通信模塊 CP 340-RS232C，型號為6ES7 340-1AH02-0AE0;

(3)輸入模塊 DI16*DC24V，型號為6ES7 321-1BH02-0AA0;

(4)輸出模塊 DO16*DC24V/0.5A，型號為6ES7 322-1BH01-0AA0;

(5)計數(shù)模塊 FM350 COUNTER，型號為6ES7 350-1AH03-0AE0;

(6)電源模塊 DC24V/2A電源，型號為6ES7 307-1BA00-0AA0.

CPU模塊、通訊模塊、輸入模塊、輸出模塊和計數(shù)模塊通過背板總線進行連接，電源模塊用來提供PLC工作所需要的24 V電源.

4 測量裝置的功能和軟件設(shè)計

4.1 測量裝置功能

本校驗裝置通過對切割后的薄鋼板對角線差、斜切率和高度進行測量，來判斷產(chǎn)品是否合格.為了達到這個目的，在設(shè)計中必須要實現(xiàn)如下基本功能:

(1)零位校準 通過在機械平臺上側(cè)裝上限位開關(guān)，每次上電前，電機控制移動機械臂觸碰限位開關(guān)后，F(xiàn)M350-1計數(shù)器模塊清零，以保證每次開機后測量數(shù)據(jù)的準確性;

(2)標準板校準 測量裝置應(yīng)每隔3個月進行一次標準板的校驗，以避免標準板因使用時間過長而造成系統(tǒng)誤差，這項校準設(shè)置了用戶權(quán)限，需要密碼進入;

(3)系統(tǒng)復(fù)位 系統(tǒng)零位校準后恢復(fù)至測量狀態(tài)，每次測量后系統(tǒng)自動復(fù)位;

(4)系統(tǒng)調(diào)試 用于設(shè)計人員對測量裝置進行現(xiàn)場調(diào)試，設(shè)置用戶權(quán)限，需要密碼進入;

(5)傳感器調(diào)試 用于檢測傳感器是否正常運行，設(shè)置用戶權(quán)限;

(6)開始測量 把待測鋼板放在工作臺上，通過觸摸屏輸入薄板規(guī)格以及所需要的測量精度，然后給系統(tǒng)發(fā)出指令，PLC通過伺服電機控制3個水平探規(guī)的位置，并且通過氣閥控制6個探規(guī)的伸縮，將數(shù)據(jù)讀出后，通過算法模塊計算得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，用來判斷產(chǎn)品是否合格，并在觸摸屏上顯示出結(jié)果;

(7)腳踩測量開關(guān) 方便現(xiàn)場操作人員使用;

(8)緊停開關(guān) 當現(xiàn)場工作人員操作失誤或儀器發(fā)生異常致使電機不能正常停車時，可直接將電機關(guān)閉，并且復(fù)位系統(tǒng)所有信號.

4.2 PLC程序設(shè)計和上位機組態(tài)

4.2.1 PLC程序設(shè)計

測量裝置中的PLC控制程序流程見圖3.

圖3 PLC控制程序流程示意

為保證測量精度，測量裝置上電之后必須進行零位校準.而測量裝置每隔一個季度或半年應(yīng)進行一次標準板的校驗，這樣可以避免因探規(guī)使用時間過長造成探規(guī)特性改變而引起的系統(tǒng)誤差.在觸摸屏控制面板上輸入所測薄鋼板的規(guī)格參數(shù)后開始測量，此時，控制面板會顯示出所測薄鋼板的測量參數(shù)，并顯示產(chǎn)品是否合格.測量結(jié)束后，系統(tǒng)會自動復(fù)位，以準備下一次的測量.在測量過程中出現(xiàn)異常或操作失誤時，可通過緊急停止開關(guān)強行關(guān)掉系統(tǒng)，并進行系統(tǒng)復(fù)位［6，7］.

測量裝置中下位機程序設(shè)計使用STEP 7 V5.3軟件平臺進行PLC程序的編寫，STEP 7 V5.3可支持梯形圖、SIMATIC指令和功能圖的程序編寫，且具有指令豐富、結(jié)構(gòu)清晰、編程方便等優(yōu)點.

4.2.2 上位機組態(tài)

選用西門子的OP操作監(jiān)視站(TP270)，并運用WinCC軟件進行上位機的組態(tài)設(shè)計.SIMATIC WinCC flexible工程軟件集控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、人機界面技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖形技術(shù)于一身，包含動態(tài)顯示、報警、控件、趨勢及網(wǎng)絡(luò)通信等組件，提供友好的人機界面，便于用戶在不需要編寫程序代碼的情況下便可生成自己需要的應(yīng)用軟件.TP270通過Profibus總線與下位機PLC進行通訊，主要顯示以下3種界面.

(1)主畫面 主畫面上設(shè)有開始測量和系統(tǒng)校驗.

(2)測量界面 測量界面上需要人工輸入操作員的工號，所測薄板的規(guī)格和要求的誤差精度，輸入完成后，點擊測量按鈕，系統(tǒng)完成測量，顯示所測得的參數(shù)，并判斷產(chǎn)品是否合格.見圖4.

圖4 測量界面

(3)校驗界面 校驗界面設(shè)有系統(tǒng)零位校驗和系統(tǒng)標準校驗.零位校驗在系統(tǒng)每次上電之前就要校驗一次，而標準校驗需要通過標準板對系統(tǒng)進行校準.

5 結(jié)束語

本校驗裝置在某薄板冷軋廠已投入運行4個多月，運行狀況良好，實現(xiàn)了預(yù)期的測量功能.由于PLC是非常成熟的工業(yè)控制產(chǎn)品，可靠性高，易于擴展，因此該校驗裝置具有較高的實用價值.另外，本裝置在PLC程序設(shè)計中采用了模塊化設(shè)計，有利于系統(tǒng)的維護和升級.

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