高速線材工程自動化系統(tǒng)設計與研究

丁長文

（哈爾濱哈飛工業(yè)有限責任公司機電設備制造公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

1 控制系統(tǒng)總體方案

1.1 總體技術(shù)方案。全連續(xù)機自動化和調(diào)速傳動系統(tǒng)由高性能工業(yè)微機、可編程序控制器（PLC）及全數(shù)字交直流傳動控制裝置構(gòu)成。整個自動化系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和兩層通訊網(wǎng)絡構(gòu)成。

1.2 控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由過程控制管理級（L2）、人機界面（HMI）與基礎自動化控制系統(tǒng)L1構(gòu)成，調(diào)速傳動控制系統(tǒng)可理解為L0級。它們分別完成不同的控制功能。

1.3 過程控制。具有物料自動跟蹤功能，生產(chǎn)過程管理功能（生產(chǎn)報表等）。

1.4 人機界面（HMI）。人機界面（HMI）由現(xiàn)場終端組成，主要實現(xiàn)自動化系統(tǒng)的人機界面功能，包括：軋制表的輸入、存儲和修改，軋制參數(shù)的設定，軋制過程中各設備狀態(tài)和電氣參數(shù)的動態(tài)顯示及工藝參數(shù)的人工調(diào)整，電氣設備的一般操作及顯示，故障報警與記錄、存儲及打印等。

1.5 基礎自動化系統(tǒng)?；A自動化系統(tǒng)采用西門子公司PLC和遠程I/O站；突出特點如下：（1）高速。（2）堅固。（3）功能完善、強大。（4）強通訊能力。

所選CPU裝備了ProfiBus-DP接口，保證了對分布式I/O進行快速數(shù)據(jù)交換。強大的通訊模板允許點對點通訊，并可用工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊?；A自動化系統(tǒng)由多臺PLC完成全部自動化控制功能（不包括加熱爐本體控制），其控制功能分別如下：（1）PLC1：軋線換輥、軋線輔助軋區(qū)液壓站和稀油潤滑站的控制。（2）PLC2：完成從粗軋機到吐絲機的自動化控制?？刂频闹饕O備有：粗軋機、中軋機、預精軋機、精軋機、活套、吐絲機及夾送輥，并完成對1～3＃飛剪、碎斷剪的接口通訊。（3）PLC3：完成收集設備系統(tǒng)的自動化控制。主要控制功能包括：a.風冷輥道、風機的控制；b.集卷站控制。

2 通訊網(wǎng)絡

2.1 自動化系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡

第一層：人機界面與PLC之間及PLC彼此之間連成以太網(wǎng)，實現(xiàn)彼此的信息交換。

第二層：PLC與各自的遠程I/O站之間和調(diào)速傳動之間采用ProfiBus-DP通訊網(wǎng)絡，PLC把設定參數(shù)和控制指令傳送到各調(diào)速傳動系統(tǒng)，并收集各調(diào)速傳動系統(tǒng)的狀態(tài)和電氣參數(shù)送到人機界面的CRT上顯示。

2.2 以太網(wǎng)

本系統(tǒng)采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)、采用TCP/IP協(xié)議。它可連接各PLC、HMI工作站，使之交換信息。

其主要特點如下：

（1）數(shù)據(jù)傳輸率：100Mbps。（2）網(wǎng)上工作站數(shù)：最多為1024個。（3）傳輸介質(zhì)為多模光纖及五類絞線。（4）信息協(xié)議幀（或包）的大小可變。

2.3 ProfiBus－DP 網(wǎng)

ProfiBus－DP網(wǎng)是一種實時、開放性工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。它的最大優(yōu)點是能充分利用智能設備的能力。

優(yōu)點完全歸功于以下幾個方面：（1）一個優(yōu)化的ProfiBus－DP信息服務于子集的構(gòu)造和提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。（2）高度的容錯性。（3）數(shù)據(jù)的完整性。（4）標準信息幀結(jié)構(gòu)。（5）在操作中可自由地訪問每個站。

2.4 人機界面（HMI）

人機界面配置4臺高性能工業(yè)微機操作站。其中2臺放置于軋線主操作室，集卷操作臺1臺，另外，1#主電室設置一個工程師站（MS）。采用的WinCC（WindowsControlCenter-窗口控制中心）系統(tǒng)軟件包是HMI的核心軟件，它具有數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制自動化過程的強大功能，是基于個人計算機的操作監(jiān)視系統(tǒng)。

其軋區(qū)主操作臺操作站主要功能和畫面有：（1）軋制表的存貯、修改和打印。（2）故障報警信息的顯示與打印。（3）工藝參數(shù)的預設定及修改，包括：a.級聯(lián)速度設定。b.沖擊速降補償設定。c.輥徑設定。d.活套高度設定。e.微張力控制張力系數(shù)設定。f.切頭、切尾長度設定。（4）軋制過程狀態(tài)顯示包括：a.主傳動電流和速度的直方圖和趨勢圖。b.活套高度基準值和實際值的直方圖。c.各電氣設備的就緒、運行、停止和故障畫面。d.故障報警畫面。e.顯示畫面的主菜單和子菜單。f.幫助畫面等。（5）電氣設備的一般操作，主要為軋制開始前的操作，主要包括：a.各調(diào)速傳動系統(tǒng)的合/分閘、啟動/停止操作。b.自動/手動方式選擇操作。c.介質(zhì)系統(tǒng)的方式選擇及設備啟動、停止操作等。d.非軋制狀態(tài)的模擬操作等。（6）爐區(qū)操作室操作站（加熱爐供貨商設計、制造范圍）。

3 系統(tǒng)操作

3.1 概述。全線的操作系統(tǒng)由操作站、操作臺和機旁操作箱構(gòu)成。

（1）操作站，主要用于工藝和電氣參數(shù)設定、運行方式選擇、軋制前的一般操作；（2）操作臺，主要用于手動操作和在自動方式下實施人工干預；（3）機旁操作箱，主要用于機械設備的調(diào)整和檢修時的操作。

3.2 監(jiān)視保護功能

在設備啟動/動作和軋制之前，要檢查影響其運行的有關(guān)條件，包括：（1）檢查潤滑系統(tǒng)。（2）檢查液壓系統(tǒng)。（3）檢查調(diào)速傳動系統(tǒng)重故障。（4）檢查調(diào)速傳動系統(tǒng)啟動和運行條件。a.潤滑、液壓故障等。b.電壓聯(lián)鎖等。（5）緊急系統(tǒng)包括：快停、急停。

3.3 操作方式。操作方式分為：自動方式、手動方式、檢修方式三種，可通過操作站或操作臺和機旁操作箱進行選擇和切換。

3.4 軋機區(qū)操作。軋機區(qū)的手動操作（包括軋機調(diào)整）和檢修操作一般在機旁操作箱上進行。各操作臺、箱操作的設備如下：

（1）軋線主操作臺。a.粗軋機組啟停控制；b.1#飛剪控制；c.中軋機組啟?？刂?；d.2#飛剪控制；e.3#飛剪控制；碎斷剪控制；f.預精軋機組啟?？刂疲籫.精軋機組啟?？刂疲籬.軋線活套；i.吐絲機、夾送輥控制；（2）機旁操作箱若干。完成軋機換輥及正反點動或設備機旁調(diào)整等。（3）集卷區(qū)操作。集卷區(qū)操作的操作由操作臺和機旁操作箱完成。（4）基礎自動化控制系統(tǒng)主要功能。基礎自動化控制系統(tǒng)由4臺S7－400構(gòu)成，PLC1完成軋線輔助控制；主軋線PLC2主要用于軋制過程中的快速性控制（如速度級聯(lián)、微張、活套、飛剪控制等）；PLC3負責風冷線及集卷站控制系統(tǒng)；PLC4負責數(shù)據(jù)采集和故障診斷。（5）基礎自動化系統(tǒng)配置?；A自動化控制系統(tǒng)的配置原則：a.采用SIEMENS最新型CPU，其運行速度快、存儲容量大、網(wǎng)絡速度強大；b.系統(tǒng)配置考慮系統(tǒng)的先進性、可靠性；c.每套PLC均配置一定數(shù)量的遠程I/O站，現(xiàn)場的檢測信號、操作臺和現(xiàn)場操作箱上的操作和顯示信號，均連接到就近的遠程I/O站；d.為了提高PLC2控制主軋線控制精度、可靠穩(wěn)定運行和產(chǎn)品質(zhì)量，將遠程I/O和調(diào)速傳動系統(tǒng)考慮連接至兩個獨立的ProfiBus-DP網(wǎng)，以保證系統(tǒng)控制的快速性；e.軟件設計上將盡量編制規(guī)范的程序塊，并合理地安排程序塊的調(diào)用和執(zhí)行，最大限度地減少程序周期，提高系統(tǒng)的控制速度。（6）PLC基礎自動化控制系統(tǒng)主要控制功能。a.速度級聯(lián)控制。b.軋線速度設定自適應。c.微張力控制。d.活套控制。e.精軋機控制。f.軋件跟蹤控制。g.飛剪的剪切控制。h.控制冷卻。i.吐絲機前夾送輥控制。j.吐絲機控制。k.斯太爾摩運輸線控制：速度控制；風機控制。l.集卷站控制。m.速度級聯(lián)控制。（7）模擬軋制。通過模擬軋件的軋制來確定電氣、機械的動作是否正常，它通過自動化控制系統(tǒng)編制模擬軋制控制程序來實現(xiàn)。軋件跟蹤及報表生成系統(tǒng)（L2）。軋件跟蹤及報表生成系統(tǒng)（L2）由1臺L2服務器與3臺微機組成，主要實現(xiàn)生產(chǎn)統(tǒng)計和報表的生成與打印。由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成。（8）軋線檢測儀表。檢測元件能夠產(chǎn)生正確的檢測信號并送給控制系統(tǒng)，是保證生產(chǎn)線正常生產(chǎn)的前提。（9）熱金屬檢測器。用于熱坯或軋線上軋件頭尾檢測，產(chǎn)生軋件跟蹤信號。（10）活套掃描器。用于軋件活套高度檢測，產(chǎn)生活套控制及軋件跟蹤信號。（11）高溫計。用于軋件溫度檢測，產(chǎn)生軋件跟蹤信號及溫度檢測、溫度閉環(huán)控制。（12）溫度巡檢儀。用于軋線馬達或機械設備關(guān)鍵位置的溫度檢測。溫度檢測信號通過DP轉(zhuǎn)換模塊送至PLC。

[1]許劼.高速線材介質(zhì)分布控制系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢工業(yè)大學，2005.