PLC在鋸切軋件中的應用

郭東旭

煙臺南山學院自動化工程學院，山東龍口 265713

1 工藝流程簡介

鋸切是在軋鋼過程中的一個收尾環(huán)節(jié)。首先鋼坯由入爐輥道經(jīng)過上料臺送入步進式加熱爐。加熱爐采用煤氣作為燃料。根據(jù)坯料的性能、種類要求的不同，調(diào)節(jié)爐內(nèi)煤氣的流量使坯料由進爐到出爐這一過程達到所要求的軋制溫度。

紅色的坯料經(jīng)過出爐輥道到達軋機，軋機在這里屬于第一道軋制工序。調(diào)換不同孔型的軋輥及調(diào)節(jié)軋輥之間的距離，使得坯料達到預先的形狀、大小完成開坯的工作。

以上的開坯準備工作完成后，軋件達到了往復式WF軋機。這種軋機采用了水平安裝平、立、平、立、平5個軋輥。控制系統(tǒng)全由計算機程序操作，根據(jù)不同的軋制程序調(diào)節(jié)軋輥之間的距離及導衛(wèi)系統(tǒng)，較好地達到了高精度的90度棱角。

根據(jù)廠家對鋼料長短尺寸的需求，以及鋸切的表面要保證光滑、平整，采用了帶有定尺機的熱摩擦鋸。當坯料達到鋸前由水平垂直夾緊裝置夾緊坯料，然后自動鋸切完成快速進鋸→負載進鋸→鋸切終了→快速返回，四個切割過程。而這些控制過程都是由直流控制器進行控制。而直流電機的轉(zhuǎn)速控制是由PLC為直流控制器輸出一個給定的速度模擬信號，由直流控制器對直流他勵電機進行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，從而保證了切割線速度。而熱鋸的擺臂及垂直夾緊由PLC進行矢量位移式閉環(huán)控制，這樣就較穩(wěn)定地實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動控制。

經(jīng)過熱鋸的切割軋件成品達到冷床，等待下一部的深加工，完成了整個的生產(chǎn)過程。

工藝流程簡圖

2 工藝要求

根據(jù)廠家對鋼坯長度尺寸以及鋸切表面保證光滑的需求，應滿足如下的工藝要求：

1）要求對尺寸為50mm×50mm～85mm×85mm的方形軋件及（13mm～50mm）×（100mm～310mm）的扁形軋件進行定尺切割；

2）軋件的定尺長度范圍在4m～8m之間，不足4m的軋件要求廢棄，對軋件還要求切頭，切尾的處理；

3）鋸切軋件時，要求鋸切的線速度恒定，以保證鋸切截面的工藝要求；

4）為保證鋸切工序的速度，要求鋸切快速下落，在接近軋件時要求慢速進鋸切割，而鋸切終了時要求鋸切高速抬起；

5）軋件進入鋸切區(qū)域后，在各種外部條件（液壓、潤滑、除塵、風機散熱等）滿足的情況下，操作人員給出定尺數(shù)據(jù)并允許操作后其它動作由控制系統(tǒng)自動控制。

控制系統(tǒng)應完成如下任務：

1）定尺數(shù)據(jù)的給定及顯示；

2）判斷識別軋件是切頭、切尾、切段（定尺切割）或是廢棄的任務；

3）軋件厚度的測量；

4）鋸片直徑的測量；

5）鋸片下落中間位置（鋸片接近軋件后快速下落變成慢速下落的位置）的擺角計算；

6）鋸切終了位置的擺角計算；

7）鋸片拖動電動機的速度給定計算。

3 控制系統(tǒng)硬件設計

通過對鋸切的工藝過程分析得知，系統(tǒng)主要有自動轉(zhuǎn)換開關、限位開關等開關量輸入量和輸出模塊的開關量輸出量。根據(jù)統(tǒng)計該系統(tǒng)需要72個輸入量和34個輸出量。再考慮留有15%的輸入、輸出點余量，實際選用6塊16點數(shù)字輸量輸入模塊SM321，4塊16點數(shù)字輸出模塊SM322，共計96個輸入點和64個輸出點?？刂葡到y(tǒng)硬件框圖如圖所示。S7-300PLC是本控制系統(tǒng)的核心，它完成所有開關量輸入、輸出型號的處理。在控制系統(tǒng)中為了完成對型材鋸切長度的控制和主鋸切機前進或者后退的控制，選用CPU 314。本控制系統(tǒng)中為了實現(xiàn)對鋸切長度的控制和主鋸切機前進或者后退的控制選用了一塊計數(shù)模板，F(xiàn)M350-2，該模塊帶8個通道，用于和24V增量編碼器配合使用。

3.1 定尺的數(shù)據(jù)給定、動作執(zhí)行的設計

1）定尺長度的數(shù)據(jù)輸入由操作人員在操作臺完成，設增／減按鈕各一個；

2）操作臺上設三位的數(shù)據(jù)顯示兩個：設定值和實際值。顯示最小單位：cm；

3）設定數(shù)據(jù)確認按鈕，確認無誤后定尺小車方可動作。動作條件：

（1）定尺小車電動機的控制柜準備好；（2）定尺檔板在高位；（3）定尺小車的夾緊機構松開。

4）設定值大于原設定值時，定尺小車電動機正轉(zhuǎn)。反之，定尺小車電動機反轉(zhuǎn)；

5）由脈沖編碼器完成定尺實際值的測量回饋工作，當實際值與設定值相等時，定尺小車電動機自動停止；

6）定尺小車電動機停止后，定尺小車的夾緊機構要夾緊防止位置變動；

7）定尺小車的動作初始點距離鋸切切口4m，距離終點8m，即小車的活動范圍為4m；

8）所有的數(shù)字輸入信號，編碼器的輸出信號，經(jīng)PLC進行處理后，輸出到現(xiàn)場各控制器的執(zhí)行動作。

3.2 鋸切類型的識別與判斷

工藝要求對熱質(zhì)軋件進行切頭、切尾、定尺切段，或是軋件不足4m廢棄不要的處理。所以設計了自動識別判斷鋸切類型功能。

現(xiàn)場軋件的位置檢測由熱金屬檢測器進行檢測并輸入PLC，有PLC完成邏輯判斷，而后PLC輸出控制信號給各個控制器，控制器控制各個執(zhí)行元件動作，達到控制要求。

3.3 鋸切識別動作的執(zhí)行

1）軋件從鋸切的前一工序區(qū)域橫向移入鋸切區(qū)域后，經(jīng)RJ0測得后，鋸前BP輥道高速轉(zhuǎn)動。變頻器的給定頻率為70Hz；

2）軋件在到達RJ1后，要求鋸前BP輥道低速轉(zhuǎn)動，變頻器的給定頻率為30Hz。RJ1只是在軋件的頭部或尾部達到時起作用；

3）軋件的頭部到達RJ2時，鋸前BP輥道停止，變頻器的給定頻率為0HZ；

4）軋件頭部到達RJ3時，鋸前BP輥道低速運行，且定尺擋板落下，定尺擋板上的常開點被軋件撞擊閉合后，鋸前BP輥道停止運行；

5）軋件的尾部到達RJ4時，鋸前后輥道停止運行；

6）若RJ4有信號，而且RJ5已有信號，則可切尾，否則因不足4m作放棄不要處理。鋸前后BP輥道要高速轉(zhuǎn)動，將軋件送出鋸切區(qū)域；

7）確認鋸切的類型后，設計了夾緊機構將軋件夾緊，以免鋸切過程中軋件振動，損壞鋸片。夾緊機構分為水平方向和垂直方向兩種，進行垂直夾緊時，還要完成軋件的厚度測量任務。鋸切動作執(zhí)行完畢后，軋件夾緊機構要松開；

8）鋸切完成后，軋件要高速離開鋸切區(qū)域。切尾或放棄完成后，前一工序的軋件才可以進入鋸切區(qū)域。

3.4 各參量的計算

3.4.1 軋件厚度的測量

垂直夾緊機構的擺臂長度L=312mm，軋件的最大厚度Hmax=85mm。所以h要大于85mm，軋件方可以安全通過，設計取100mm。

擺臂的最大擺角為：θmax=sin-1（100/312）=18.693°

厚度H=312 sin（θmax-β）β——編碼器測定

3.4.2 鋸片直徑的測定

鋸臂的長度為1400mm，即從鋸臂的轉(zhuǎn)動軸心到鋸片圓心的距離。

鋸片直徑Φmax=1000mm，Φmin=600mm 鋸片最低點距離輥道的水平距離為200mm 。

3.4.3 中間位置的計算

鋸頭下落時要快速下落，而接近軋件后，鋸片最低點距離軋件40mm時，慢速下落，此位置稱中間位置。

中間位置θm=（700-Φ/2-40-h）Kd （Φ為鋸片的實際值；h為扎件的厚度）

3.4.4 鋸切終了位置的計算

鋸切深度為60mm終了位置θf=（700+60-Φ/2）Kd

4 控制系統(tǒng)軟件

編程軟件使用的是西門子的STEP7，是一種用于對西門子PLC進行組態(tài)和編程的專用集成軟件包。PLC編程可采用梯形圖語言，直觀易懂。近年來有發(fā)展了適應不同對象要求的跟多種類編程語言。如梯形圖、語句表、功能塊圖、順序功能圖、以及用于S7系列的C語言等，是編程更簡單方便。

鋸切控制程序從循環(huán)執(zhí)行主程序——組織塊開始依次調(diào)用各個子程序和功能塊，各個子程序和功能塊用于完成鋸切控制系統(tǒng)某一部分的邏輯控制（如各參數(shù)計程序流程圖、定尺程序流程圖、鋸切過程程序流程圖）或?qū)崿F(xiàn)某一 特定的功能（通過總線讀寫控制字、狀態(tài)字）。

5 結論

老式的鋸切設備由于設備及鋸片等方面的原因，經(jīng)常出現(xiàn)軋件斷口切斜、毛刺飛邊超標等質(zhì)量問題，鋸片單次鋸切壽命較低，造成停機換片頻繁，嚴重地影響了軋制生產(chǎn)的連續(xù)性，鋼材斷面質(zhì)量差。另外，鋸片在使用過程中還經(jīng)常出現(xiàn)糊齒、裂紋等現(xiàn)象，鋸切速度低，工作環(huán)境差，工人勞動強度大，既影響生產(chǎn)效率，也給生產(chǎn)現(xiàn)場的安全帶來了一定隱患。該鋸切軋件控制系統(tǒng)取代了生產(chǎn)效率較低的老式控制系統(tǒng)，已經(jīng)在國內(nèi)大型軋鋼生產(chǎn)企業(yè)得到應用，實際的運行效果表明該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，大大地提高了鋸切軋件的生產(chǎn)自動化水平和產(chǎn)品的質(zhì)量。

[1]Roger S.P.軟件工程——實踐者的研究方法[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[2]燕永生.工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的設計與應用[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

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