PLC在2 100mm熱粗軋機(jī)的應(yīng)用

田鴻宇，陳俊君，黃海成

(東北輕合金有限公司，哈爾濱150060)

1 PLC簡(jiǎn)介

可編程控制(Programmable Logic Controller)簡(jiǎn)稱為PLC，它的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域得到了廣泛的使用。

西門子的PLC以其極高的性能價(jià)格比，在國(guó)內(nèi)占有很大的市場(chǎng)份額，在我國(guó)的各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。S7－300/400屬于模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成，各種模塊安裝在機(jī)架上。通過CPU模塊或通信模塊上的通信接口，PLC被連接到通信網(wǎng)絡(luò)上，可以與計(jì)算機(jī)、其他PLC或其他設(shè)備通信。

1.1 PLC組成

1.1.1 CPU模塊

CPU模塊主要由微處理器和存儲(chǔ)器組成。在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出;存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。S7－300/400將CPU模塊簡(jiǎn)稱為CPU。

1.1.2 信號(hào)模塊

輸入(Input)模塊和輸出(Output)模塊簡(jiǎn)稱為I/O模塊，開關(guān)量輸入、輸出模塊簡(jiǎn)稱為DI模塊和DO模塊，模擬量輸入、輸出模塊簡(jiǎn)稱為AI模塊和AO模塊，它們統(tǒng)稱為信號(hào)模塊。

輸入模塊用來接收和采集輸入信號(hào)，開關(guān)量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等來的開關(guān)量輸入信號(hào);模擬量輸入模塊用來接收電位器、測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)。

開關(guān)量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。

CPU模塊內(nèi)部的工作電壓一般是DC5V，而PLC的輸入/輸出信號(hào)電壓一般較高，例如DC24V或AC220V。從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信號(hào)模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內(nèi)部電路和外部的輸入、輸出電路。信號(hào)模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。

1.1.3 功能模塊

為了增強(qiáng)PLC的功能，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，PLC廠家開發(fā)了各種各樣的功能模塊。它們主要用于完成某些對(duì)實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)容量要求很高的控制任務(wù)。

1.1.4 接口模塊

CPU模塊所在的機(jī)架稱為中央機(jī)架，如果一個(gè)機(jī)架不能容納全部模塊，可以增設(shè)一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。接口模塊用來實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴(kuò)展機(jī)架供電。

1.1.5 通信處理器

通信處理器用于PLC之間、PLC與遠(yuǎn)程I/O之間、PLC與計(jì)算機(jī)和其他職能設(shè)備之間的通信，可以將PLC接入MPI、Profibus－DP、AS－i和工業(yè)以太網(wǎng)，或者用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等。CPU模塊集成有MPI通信接口，有的還集成了其他通信接口。

1.1.6 電源模塊

PLC一般使用AC220V電源或DC24V電源，電源模塊用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC24V電壓和背板總線上的DC5V電壓，供其他模塊使用。

1.1.7 編程設(shè)備

S7－300/400使用安裝了編程軟件STEP7的個(gè)人計(jì)算機(jī)作為編程設(shè)備，在計(jì)算機(jī)屏幕上直接生成和編程各種文本程序或圖形程序，可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送，編程軟件還具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)和硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控和故障診斷等功能。

1.2 PLC的特點(diǎn)

(1)編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)。梯形圖是使用得最多的PLC的編程語言，其電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學(xué)易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術(shù)人員只需花幾天時(shí)間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。

(2)功能強(qiáng)，性價(jià)比高。一臺(tái)小型PLC內(nèi)有成百上千個(gè)可供用戶使用的編程元件，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能價(jià)格比。PLC可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。

(3)硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)。PLC產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和中小型交流接觸器。硬件配置確定后，通過修改用戶程序，就可以方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。

(4)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器。由于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障。PLC用軟件代替了中間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件元件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的十分之一以下，大大減少了因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障。

(5)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少。PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。PLC的梯形圖程序可以用順序控制設(shè)計(jì)法來設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法很有規(guī)律，很容易掌握。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如果掌握了正確的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)梯形圖的時(shí)間比設(shè)計(jì)繼電器系統(tǒng)電路圖的時(shí)間要少得多。

(6)維修工作量小，維修方便。PLC的故障率很低，并且有完善的故障診斷功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程軟件提供的信息，方便地查明故障原因，用更換模塊的方法可以迅速的排出故障。

(7)體積小，能耗低。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，小型PLC的體積僅相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，因此可以將開關(guān)柜的日體積縮小到原來的1/2～1/10。PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)相比，配線用量小，安裝接線工時(shí)短，加上開關(guān)柜體積的縮小，因此可以節(jié)省大量的費(fèi)用。

熱粗軋機(jī)共用3臺(tái)PLC S7－400作為PLC的主站，分別主管熱粗軋機(jī)的介質(zhì)部分、機(jī)列部分與厚調(diào)部分。

2 介質(zhì)PLC

PLC主要由電源模塊PS407 10A、CPU模塊414－2DP與通訊模塊CP443－1所組成。介質(zhì)PLC主要負(fù)責(zé)處理介質(zhì)部分的程序包括高壓泵站、輔助泵站、工藝潤(rùn)滑部分和稀油潤(rùn)滑部分與油霧潤(rùn)滑部分的啟?？刂婆c狀態(tài)信號(hào)等。介質(zhì)PLC下掛有4臺(tái)工藝潤(rùn)滑凈乳液供油泵所用的四臺(tái)變頻器(西門子MM430)與7個(gè)ET200子站，它們之間采用的通訊方式是PROFIBUS－DP，通過DP線把下面所掛的子站與主站以串聯(lián)的形式連接起來，如圖1。

圖1 介質(zhì)PLC站及子站通訊連接

ET200M(B10)為1號(hào)交流控制柜內(nèi)PLC，主要由5個(gè)數(shù)字量輸入模塊SM321－1BL00 32 DI與3個(gè)數(shù)字量輸出模塊SM322－1BL00 32 DO組成。該P(yáng)LC主要控制工藝潤(rùn)滑部分的啟停操作、主電機(jī)靜止加熱器與冷卻風(fēng)機(jī)的操作、立輥及壓下風(fēng)機(jī)啟停操作等。

ET200M(B11)為2號(hào)交流控制柜內(nèi)PLC，主要由4個(gè)數(shù)字量輸入模塊SM321－1BL00 32 DI與3個(gè)數(shù)字量輸出模塊SM322－1BH01 16 DO組成。該P(yáng)LC主要控制高壓泵站電源停送、輔助泵站電源停送、重輕剪廢料小車電源等。

ET200M(B13與B14)是左右噴嘴控制箱內(nèi)的PLC，由3個(gè)數(shù)字量輸出模塊SM322－1BL00 32 DO組成。主要控制機(jī)架內(nèi)乳液噴嘴的工作。

ET200S(FZOP)是輔助泵站操作箱內(nèi)的PLC，由9個(gè)數(shù)字量輸入模塊4DI 24VDC與2個(gè)數(shù)字量輸出模塊4DO 24VDC/0.5A和2個(gè)數(shù)字量輸出模塊4DO 24VDC/2A組成。主要用于控制輔助泵站的啟停工作，主要有一臺(tái)循環(huán)泵和四臺(tái)供油泵，還要反饋壓力溫度等數(shù)據(jù)。

ET200S(GBOP)是高壓泵站操作箱內(nèi)的PLC，由10個(gè)數(shù)字量輸入模塊4DI 24VDC與3個(gè)數(shù)字量輸出模塊4DO 24VDC/0.5A和2個(gè)數(shù)字量輸出模塊4DO 24VDC/2A組成。主要用于控制高壓泵站的啟停工作，主要有兩臺(tái)循環(huán)泵和五臺(tái)供油泵，啟動(dòng)供油泵前要將兩臺(tái)循環(huán)泵全部開啟。

工藝潤(rùn)滑凈乳液供油泵所用變頻器為西門子MM430，它與PLC之間通過Profibus－DP方式通訊，變頻器上有一塊Profibus－DP通訊板用于連接DP數(shù)據(jù)線到PLC中。用于發(fā)送接收變頻器內(nèi)控制字與狀態(tài)字的程序塊是STEP7中內(nèi)部的程序塊，其程序如圖2。

SFC14是用于讀取變頻器中的數(shù)據(jù)，而SFC15是用于向變頻器中發(fā)送數(shù)據(jù)，LADDR是指該變頻器在STEP7軟件硬件組態(tài)中的DP地址號(hào)，在程序中以十六進(jìn)制形式表示，SFC14的RECORD是指從字節(jié)DB1096.DBX20.0開始從變頻器讀取4個(gè)字節(jié)，而SFC15的RECORD是指從字節(jié)DB1096.DBX120.0開始發(fā)送4個(gè)字節(jié)到變頻器。RET_VAL可以通過它顯示的數(shù)值來讀取變頻器的狀態(tài)。對(duì)于控制字與狀態(tài)字接收與發(fā)送在DB數(shù)據(jù)塊中的編寫，要按照變頻器說明書中的高低字節(jié)所對(duì)應(yīng)，才能正確的反映出變頻器的狀態(tài)和對(duì)變頻器進(jìn)行控制。

3 機(jī)列PLC

機(jī)列PLC由電源模塊PS407 20A、CPU模塊414－2DP、FM458－1DP模塊與通訊模塊CP443－1組成。機(jī)列PLC主要控制軋機(jī)機(jī)列部分的動(dòng)作，包括重剪、輕剪、出口入口的推床、輥道、主機(jī)動(dòng)作、立輥動(dòng)作、壓下部分動(dòng)作、出入口導(dǎo)板動(dòng)作、出口的清輥器、測(cè)溫儀數(shù)值反饋、物料追蹤、換輥和自動(dòng)邏輯等主要控制部分。由于粗軋機(jī)的部分設(shè)備動(dòng)作是依靠液壓系統(tǒng)來進(jìn)行動(dòng)作，所以機(jī)列PLC要通過液壓閥臺(tái)中的PLC子站來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。機(jī)列PLC也是以Profibus－DP的通訊方式來控制現(xiàn)場(chǎng)閥臺(tái)中的PLC子站，其通訊連接如圖3。

圖2 數(shù)據(jù)傳送塊

圖3 機(jī)列PLC站及子站通訊連接

機(jī)列PLC共有2條DP總線，DP1A與DP1B?？偩€DP1A所帶的子站PLCET200M(B12)為檢測(cè)元件控制柜內(nèi)用于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)限位開關(guān)的信號(hào)、油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)、稀油潤(rùn)滑狀態(tài)信號(hào)和過濾機(jī)的狀態(tài)信號(hào)。ET200S(W1FT)為立輥閥臺(tái)，主要控制立輥的開口度與電磁閥的帶電停電。ET200S(LQ1FT)與ET200S(LQ2FT)是1號(hào)冷卻閥臺(tái)與2號(hào)冷卻閥臺(tái)，用于控制輥道冷卻噴淋的電磁閥和接收用于物料追蹤的光電開關(guān)的信號(hào)。

總線DP1B所帶的子站PLCET200S(CFT)為C閥臺(tái)，主要控制鑄錠清洗缸的工作，入口導(dǎo)板的工作、抱軸器的工作、還有入口推床壓力傳感器的模擬量輸入信號(hào)和入口側(cè)推床夾緊力控制信號(hào)。DP1B通過Profibus電氣中繼器分出兩條DP線，DP2與DP3。DP2所帶PLC子站ET200S(HGOP)為換輥操作箱，主要用于控制換輥工作。PG17是工作輥換輥激光測(cè)距儀，其工作原理是由測(cè)距儀發(fā)出一束激光，通過前方的反光板將光束返回到測(cè)距儀內(nèi)經(jīng)過計(jì)算顯示成數(shù)值，再通過DP線將數(shù)值傳送到PLC中。ET200M(OP1G)是主操作臺(tái)控制柜內(nèi)的PLC子站接收主操作臺(tái)發(fā)出的所有命令，用于控制整體軋機(jī)，除重剪與輕剪部分。ET200S(OP3)是重剪操作箱內(nèi)的PLC子站，用于接收控制重剪、重剪推床、重剪廢料小車、重剪處接觸式熱電偶支架和重剪前輥道的命令。ET200S(OP2)是輕剪操作箱內(nèi)的PLC子站，用于接收控制輕剪、輕剪推床、輕剪廢料小車、輕剪處接觸式熱電偶支架和輕剪前輥道的命令。ZCOP與QCOP是重剪廢料小車與輕剪廢料小車所使用的變頻器型號(hào)為西門子MM440，其使用方法與凈乳液供油泵的變頻器使用方法相同。ET200S(A－B閥臺(tái))主要控制彎輥與上支承輥平衡和接收濾油器堵塞信號(hào)。ET200S(D閥臺(tái))主要控制出口導(dǎo)板、出口側(cè)推床與出口側(cè)清輥器。ET200S(E閥臺(tái))控制上下傳動(dòng)軸的平衡、工作輥鎖緊缸及一些換輥動(dòng)作。ET200S(F閥臺(tái))控制重剪及重剪相關(guān)設(shè)備動(dòng)作的閥子。ET200S(冷卻3、4、5號(hào)閥臺(tái))控制輥道冷卻噴淋電磁閥的動(dòng)作，及反饋用于物料追蹤的光電開關(guān)的信號(hào)。

以上PLC控制部分開關(guān)量的輸入輸出比較容易理解，復(fù)雜一些的是模擬量信號(hào)控制。以入口推床的夾持力大小控制為例，推床夾持力大小的給定是根據(jù)物料厚度的不同而變化的，推床的夾持力是通過液壓系統(tǒng)來完成，所以控制夾持力大小的不同就靠PLC給比例閥的開口度設(shè)定值，因?yàn)镻LC無法直接控制比例閥，需要通過一個(gè)比例閥放大板來控制比例閥，PLC通過模擬量控制給比例閥放大板一個(gè)0～10V的電壓信號(hào)(電流信號(hào)或電壓信號(hào)及數(shù)值的范圍由被控元件的型號(hào)決定)來控制比例閥的開口度，也就是說0V為最小開口度，10V為最大開口度。其控制程序如圖4。

圖4 最大推床力與最小推床力給定

模擬量信號(hào)傳送到PLC內(nèi)部后，在程序中會(huì)顯示為0～27648的一個(gè)內(nèi)部值，所以設(shè)定最大推床力內(nèi)部值為27647、最小推床力內(nèi)部值為2764.8。

圖4是設(shè)定DB1350.DBD10(最小推床力對(duì)應(yīng)的最小厚度m)為0.1m，DB1350.DBD14(最大推床力對(duì)應(yīng)的最大厚度m)為0.6m。

功能FC108是線性標(biāo)定塊，將最大推床力DB1350.DBD18與板材最大厚度DB1350.DBD14、最小推床力DB1350.DBD10與板材最小厚度DB1350.DBD22對(duì)應(yīng)計(jì)算，再將傳送進(jìn)來的板材實(shí)時(shí)厚度按照這個(gè)比例進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算出此厚度所對(duì)應(yīng)的推床力內(nèi)部值大小傳送到DB1350.DBD40中。其計(jì)算公式如下式，設(shè)當(dāng)前的板材厚度DB1350.DBD6為X，對(duì)應(yīng)推床力大小DB1350.DBD40為Y:

圖5 最大推床力與最小推床力所對(duì)應(yīng)厚度

圖6 線性標(biāo)定板材厚度所對(duì)應(yīng)的夾持力

經(jīng)過計(jì)算后，板材厚度X對(duì)應(yīng)夾持力Y公式如下:

推床力內(nèi)部值DB1350.DBD40再傳送至模擬量輸出PQW656，656是模擬量輸出地址，即比例閥放大板接線的PLC的模擬量輸出模塊所對(duì)應(yīng)的地址。

主傳動(dòng)、多傳動(dòng)及立輥壓下部分通過Profibus－DP通訊方式將數(shù)據(jù)傳送到機(jī)列PLC的FM458模塊中，通過CFC程序FM458toPLC_DB與FM458toPLC_I/O將數(shù)據(jù)包打開發(fā)送至PLC的CPU中進(jìn)行使用。FM458模塊是通過PLC的背板總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到CPU中。同樣，CPU中的數(shù)據(jù)也是通過CFC程序PLCtoFM458_DB與PLCtoFM458_I/O發(fā)送到FM458模塊中，再通過DP數(shù)據(jù)線發(fā)送到西門子S120中執(zhí)行命令。FM458－1DP應(yīng)用模塊專為SIMATIC S7－400站中的高動(dòng)態(tài)性能閉環(huán)控制和應(yīng)用技術(shù)而設(shè)計(jì)?？梢酝ㄟ^CFC或SFC自由組態(tài)這些控制任務(wù)。而且，該模塊還提供了PROFIBUS－DP連接。FM458模塊有以下技術(shù)特點(diǎn):

(1)計(jì)算性能，用于算術(shù)計(jì)算的64位RISC浮點(diǎn)處理器，0.1ms(通常為0.5ms)的最短循環(huán)時(shí)間，用于通訊任務(wù)的32位控制器。

(2)DRAM/SDRAM工作存儲(chǔ)器，12MB/60MB可供用戶程序使用，從存儲(chǔ)器模塊初始化時(shí)，裝載并擴(kuò)展程序代碼，用于該操作系統(tǒng)、用戶程序、通訊、信息緩沖區(qū)、跟蹤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

(3)SRAM(256kB/512kB)。

(4)可更換的程序存儲(chǔ)器(2MB、4MB或8MB)。

(5)有兩個(gè)接口可用于向程序存儲(chǔ)器裝載用戶程序，通過MPI接口直接連接PC和通過MMC卡槽。

(6)通過8個(gè)二進(jìn)制輸入可以調(diào)用8個(gè)報(bào)警任務(wù)。

(7)顯示工作狀態(tài)的11個(gè)LED。

(8)LE總線，本地?cái)U(kuò)展總線可確保在FM458－1DP應(yīng)用模塊與其擴(kuò)展模塊EXM438－1和EXM448/EXM448－2之間快速傳送數(shù)據(jù)。

4 厚調(diào)PLC

厚調(diào)PLC主要用于控制軋機(jī)的輥縫、壓下量、彎輥、立輥的輥縫開口度及機(jī)架內(nèi)乳液噴嘴的噴淋模式等部分。厚調(diào)PLC主要由電源模塊PS 407 10A、CPU414－2DP、兩個(gè)通訊模塊CP443－1DP、FM458模塊及兩個(gè)FM458模塊的擴(kuò)展通訊模塊EXM438－1DP、兩個(gè)SM431模塊、一個(gè)SM432模塊組成。厚調(diào)PLC主要通過磁尺來測(cè)量輥縫位置的大小，信號(hào)通過光電隔離模塊將電流信號(hào)與電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換傳送到PLC中。用于測(cè)量油缸桿腔壓力和活塞腔壓力的傳感器也是通過隔離放大板將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后再傳送至PLC內(nèi)，這樣做是防止信號(hào)的變化會(huì)直接對(duì)PLC造成損壞，起到一個(gè)保護(hù)作用。

綜上所述，PLC在2 100mm熱粗軋機(jī)應(yīng)用非常廣泛，涉及管理設(shè)備很多，所以學(xué)好PLC的工作原理與程序至關(guān)重要，可以很好地幫助我們查找處理電氣問題。

［1］劉美俊.通用變頻器應(yīng)用技術(shù)［M］.福建:福建科學(xué)技術(shù)出版社，2001，6:P2－P3.

［2］幻劉國(guó)光.提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的軟件設(shè)計(jì).機(jī)床電器［J］.2004，11:P10－P11.

［3］秦虹.PLC控制系統(tǒng)的編程方法簡(jiǎn)述.機(jī)床電氣［J］.2002，7:P4－P5