順序控制在天鋼棒材廠的應(yīng)用及優(yōu)化

王曉東，劉曉營(yíng)，田壽松

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

順序控制系統(tǒng)是指按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序分解成為幾個(gè)獨(dú)立的控制動(dòng)作或工序，并且將這些動(dòng)作或工序在各類滿足條件的作用下，嚴(yán)格按照其設(shè)計(jì)的先后次序完成動(dòng)作的執(zhí)行，保障正常生產(chǎn)運(yùn)行。通過順序控制程序的應(yīng)用分析和改造實(shí)踐的研究可知，順序控制通過狀態(tài)及連接線組成的功能圖，能夠清晰地分解分析被控設(shè)備的工序要求，使復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，同時(shí)使PLC編程的邏輯關(guān)系明晰，從而大大提高編程的質(zhì)量和效率。順序控制應(yīng)用廣泛，尤其是在生產(chǎn)制造行業(yè)，幾乎都會(huì)利用順序控制來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)循環(huán)。以天鋼棒材車間打捆收集輥道為例，對(duì)S7-400系列PLC順序控制編程進(jìn)行應(yīng)用分析，通過具體實(shí)踐探討順序編程控制方式的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

1 順序控制的特點(diǎn)分析

1.1 棒材線成品收集簡(jiǎn)介

天鋼棒材線棒材在收集完成后，成品定尺組被卸入打包輥道上，由輥道運(yùn)輸?shù)酱虬恢?，在這里成品定尺組由成捆機(jī)形成大致的捆形，再由打包設(shè)備打成成品捆。成品捆打包完成后，由輥道送至收集臺(tái)架。在收集臺(tái)架對(duì)應(yīng)的輥道端布置一個(gè)固定擋板，進(jìn)行最終對(duì)齊。由收集鏈托起完成收集。我們截取一部分過程步驟的功能圖進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 收集輥道啟動(dòng)功能圖

1.2 功能圖的基本概念

功能圖是功能流程圖的簡(jiǎn)稱，這種圖形表示方法用于描述順序控制系統(tǒng)，是分析、設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)編譯程序的重要工具，也稱為順序控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的功能性說明語言。功能圖主要由“狀態(tài)”、“轉(zhuǎn)移”及“有向線段”等元素組成，能全面地描述出控制系統(tǒng)的工作過程、性能和特性。我們?cè)谶m當(dāng)運(yùn)用3個(gè)元素的基礎(chǔ)上，在得到控制系統(tǒng)的靜態(tài)表述方法之后，可以根據(jù)轉(zhuǎn)移觸發(fā)規(guī)則進(jìn)行系統(tǒng)模擬運(yùn)行，從中獲得控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析過程。

例如，在圖1截取的部分，STEP6是工藝要求中收集完成后棒材放入打捆輥道后，代表準(zhǔn)輥道準(zhǔn)備好的步；STEP7是輥道準(zhǔn)備好后檢測(cè)到收集臂回收完成后，輥道開始正轉(zhuǎn)輸送的步。其中中間環(huán)節(jié)輥道上有坯料，和收集臂回收到位是轉(zhuǎn)換條件，完成檢測(cè)后的輥道輸送是執(zhí)行動(dòng)作，也就是我們分析的步。步與步之間，步與轉(zhuǎn)換條件之間都會(huì)用有向連線聯(lián)接，并用箭頭進(jìn)行指向。因此可以總結(jié)出，步是一個(gè)接一個(gè)的完成相應(yīng)指令，通過有向連線把代表各步的方框連接起來，滿足一個(gè)狀態(tài)后再執(zhí)行下一個(gè)狀態(tài)的相應(yīng)條件。結(jié)合程序編寫（如圖2所示），我們可以更好地理解3個(gè)組成因素。

由功能圖可以看出，一個(gè)連貫的過程分解成若干順序相連的不同步序階段，上步依賴的系統(tǒng)狀態(tài)變化轉(zhuǎn)入下步。相連兩步間的基本差別是執(zhí)行不同的操作或系統(tǒng)輸出狀態(tài)發(fā)生了變化。而我們從程序編寫中可以看出，步的完成狀態(tài)是由轉(zhuǎn)換條件來完成的，它與控制過程相對(duì)應(yīng)。我們?cè)谟?jì)劃功能圖時(shí)，比如根據(jù)工藝描述，收集完成是STEP6，而接下來我們要完成輥道輸送，即正轉(zhuǎn)前進(jìn)，定義為STEP7。根據(jù)工藝要求，將STEP7的輸出編寫出輥道前進(jìn)的狀態(tài)輸出。將一個(gè)系統(tǒng)控制過程分解成分步進(jìn)行后，會(huì)把復(fù)雜的邏輯關(guān)系進(jìn)行相關(guān)順序排序，在完成這類排序后，再編寫程序時(shí)只需要考慮步與步之間的邏輯關(guān)系，編寫出步與步之間轉(zhuǎn)換時(shí)的轉(zhuǎn)換條件，就可以一步步完成比較龐大繁雜的控制系統(tǒng)。該方法簡(jiǎn)化了編程的復(fù)雜性，降低了編程失誤的風(fēng)險(xiǎn)性。同時(shí)讓應(yīng)用者排查故障也變得非常簡(jiǎn)單直觀從舉例可以看出，被控系統(tǒng)要執(zhí)行某一步的狀態(tài)是通過施控系統(tǒng)向被控系統(tǒng)發(fā)出的指令動(dòng)作。轉(zhuǎn)換條件是與轉(zhuǎn)換相關(guān)的邏輯條件，是系統(tǒng)從當(dāng)前步進(jìn)入下一步的條件，這是順序控制的本質(zhì)特征。

順序控制類似于接力賽，參賽人一定要取得接力棒才能進(jìn)入比賽，任何時(shí)刻只能一人參賽，交棒后，前一個(gè)參賽人要及時(shí)退出比賽。交棒就是步序發(fā)生過程，隨之才是運(yùn)動(dòng)員的各自奔跑。在順序控制系統(tǒng)中，步的活動(dòng)狀態(tài)的進(jìn)展由轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)來完成。

2 順序控制系統(tǒng)的注意事項(xiàng)

2.1 所有轉(zhuǎn)換的前級(jí)步都是活動(dòng)步

整個(gè)順序是在過程運(yùn)動(dòng)中完成的，不論是實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成各類動(dòng)作，或者是計(jì)時(shí)的時(shí)間步序，系統(tǒng)進(jìn)入順序控制，其實(shí)一直是在活動(dòng)中的。

2.2 相應(yīng)的轉(zhuǎn)換條件要得到滿足

如果轉(zhuǎn)換條件得不到滿足，也就意味著步不能繼續(xù)，在實(shí)踐中我們經(jīng)常會(huì)遇到這種邏輯，一般設(shè)計(jì)中可以找尋兩種方式：一個(gè)是當(dāng)條件不滿足時(shí)跳轉(zhuǎn)到其它步；一個(gè)是設(shè)計(jì)起始步STEP0。如果條件都得不到滿足時(shí)，系統(tǒng)回到STEP0的起始步，可以時(shí)刻了解系統(tǒng)實(shí)時(shí)所處的狀態(tài)。

2.3 兩個(gè)步不能直接相連

必須用轉(zhuǎn)移分開，步與步之間要有必要的轉(zhuǎn)換條件，而轉(zhuǎn)換條件可以是狀態(tài)檢測(cè)，也可以是時(shí)間轉(zhuǎn)換等。

2.4 兩個(gè)轉(zhuǎn)換不能直接相連

必須用狀態(tài)分開，一個(gè)轉(zhuǎn)換條件后要有一步在有兩個(gè)轉(zhuǎn)換條件時(shí)，我們應(yīng)該在兩個(gè)轉(zhuǎn)換條件之間增加一步，步步推進(jìn)，這樣編程完成后的系統(tǒng)才不會(huì)有節(jié)點(diǎn)失誤。

3 順序控制的實(shí)踐優(yōu)化

3.1 棒材線收集中出現(xiàn)的問題

下面通過一個(gè)小的工藝改造實(shí)踐，具體分析順序控制的優(yōu)點(diǎn)。天鋼棒材車間成品在收集完成后放入打捆輥道，由輥道輸送完成打捆收集。通過工藝介紹可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際生產(chǎn)中由于坯料放入打捆輥道后，勢(shì)必會(huì)存在兩端不齊的現(xiàn)象，在收集臺(tái)架對(duì)應(yīng)的輥道端部有一個(gè)固定擋板可以進(jìn)行最終對(duì)齊。但這個(gè)工藝過程由于缺少尾端的對(duì)齊，所以會(huì)造成成品尾端不齊的現(xiàn)象發(fā)生。

要想進(jìn)行尾端對(duì)齊，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，只能在打捆輥道的對(duì)應(yīng)端增加一個(gè)固定擋板。增加固定擋板，棒材收集完成放入打捆輥道后，先不向前輸送，而是先反轉(zhuǎn)運(yùn)行一段時(shí)間，待輥道停止后，再進(jìn)行正轉(zhuǎn)輸送，這樣就實(shí)現(xiàn)了在打捆前先進(jìn)行尾端對(duì)齊，打捆完成后再進(jìn)行頭端對(duì)齊，使成品外觀表象質(zhì)量更加美觀，提升品牌優(yōu)勢(shì)。

3.2 優(yōu)化解決辦法

根據(jù)上面的工藝改造建議，結(jié)合圖1，可以發(fā)現(xiàn)收集完成放入打捆輥道（即輥道準(zhǔn)備好）和輥道前進(jìn)分別是STEP 6和STEP7，因此要將“反轉(zhuǎn)尾端對(duì)齊”的功能插入到6、7步之間。由于對(duì)齊動(dòng)作要進(jìn)行兩個(gè)步，一個(gè)是反轉(zhuǎn)運(yùn)行，另一個(gè)是反轉(zhuǎn)停止，因此增加STEP 70和STEP71步來完成這個(gè)功能。其中STEP70為反轉(zhuǎn)動(dòng)作，轉(zhuǎn)換條件中增加功能選擇和功能時(shí)間設(shè)定，STEP71為反轉(zhuǎn)停止動(dòng)作，為保障變頻器停穩(wěn)，增加3s延時(shí)設(shè)定，功能圖修改見圖3。

圖3 輥道反轉(zhuǎn)功能圖

從功能圖中可以看到，STEP71是一個(gè)等待步，等待時(shí)間3s，而STEP70是有實(shí)際動(dòng)作執(zhí)行的。改造工作并未完成，需要將STEP70執(zhí)行動(dòng)作進(jìn)行編輯。在完成狀態(tài)輸出上，要確定兩個(gè)問題，一是執(zhí)行變頻器的運(yùn)行執(zhí)行，二是變頻器的運(yùn)行給定。解決了這兩個(gè)問題，也就完成了STEP70的既定動(dòng)作。變頻器的運(yùn)行見圖2，在其中加入STEP70即可，但變頻器運(yùn)行給定是正轉(zhuǎn)運(yùn)行，所以我們?cè)谌TEP70時(shí)要取反，得到變頻器的反轉(zhuǎn)速度給定，如圖4所示。

圖4 執(zhí)行輥道反轉(zhuǎn)輸送

成品定尺在打捆輥道兩端固定擋板各撞擊一次后，最終首尾對(duì)齊，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)束語

棒材線PLC4負(fù)責(zé)控制精整區(qū)收集、打包、區(qū)域內(nèi)液壓潤(rùn)滑等及其他輔助設(shè)備。因其區(qū)域大、設(shè)備多、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，導(dǎo)致梯形圖程序較長(zhǎng)，有的一個(gè)單一指令多達(dá)數(shù)十行，程序的可讀性較低。為解決這些問題，采用PLC的順序控制編程語言來編寫控制程序，具有編程簡(jiǎn)單而且直觀等特點(diǎn)。該控制程序投入使用至今，一直工作穩(wěn)定，方便了修改和查找問題，贏得了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用人員的一致好評(píng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的和要求，為更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)提供了技術(shù)保障?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用人員通過進(jìn)行過程步的研究分析，提升了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可控利用空間，有針對(duì)性地進(jìn)行演算和改造，取得了一定的企業(yè)效益。