步進(jìn)冷床PLC自動(dòng)控制改造分析

程宗強(qiáng) 賈建紅 安曉鋼 李海鋒

摘要 ? ?本文介紹了 1#連鑄機(jī)步進(jìn)冷床來用傳統(tǒng)的繼電器控制存在的一些缺陷，并詳細(xì)闡述了PLC自動(dòng)控制改造的一些思路，使步進(jìn)冷床電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高，同時(shí)控制性能較原系統(tǒng)更強(qiáng)，操作與維護(hù)變得更簡(jiǎn)單。

關(guān)鍵詞： 步進(jìn)冷床 ?撈鋼 ?放鋼 ?翻鋼 ?PLC自動(dòng)控制

一、前言

連鑄機(jī)步進(jìn)冷床是我公司高速線材的配套工程之一，生產(chǎn)多年后，原電氣控制系統(tǒng)的一些缺陷逐步顯現(xiàn)出來，給生產(chǎn)和維護(hù)均帶來了許多麻煩。

二、步進(jìn)冷床原電控系統(tǒng)存在的缺陷

控制元器件本身存在的缺陷主要有三個(gè)方面：

① 由于二次控制回路電壓為DC220V，直流型，備品備件的采購(gòu)不便，使步進(jìn)冷床的電控備件一直較為緊張。

② 用傳統(tǒng)的繼電器控制來實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的自動(dòng)控制功能，繼電器的使用量較多，控制線路復(fù)雜，故障處理時(shí)間長(zhǎng)。而繼電器的使用量越多，無(wú)形中就降低了電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在近年的生產(chǎn)運(yùn)行中，因中間繼電器、時(shí)間繼電器本身的原因而造成的電氣和設(shè)備事故也是屢見不鮮。

③ 控制電機(jī)工作的接觸器為交流型的。面該接觸器的控制線圈電壓等級(jí)為DC220V ，使用中存在的一些缺陷。該控制線圈為雙線圖串聯(lián)，如圖1串聯(lián)線圈控制中，接觸器本體的常閉輔助觸點(diǎn)KM先處于閉合狀態(tài)，L2被短路，L.1 的線圈匝數(shù)較少、內(nèi)阻較小，在外加電壓下短時(shí)大電流從而產(chǎn)生 大的電磁吸力，保證接觸器靠吸合：接觸器吸合后， KM處于打開狀態(tài)，L2中聯(lián)的匝數(shù)多線徑細(xì)，內(nèi)阻大，使回路的電阻增大，LI 與L2串聯(lián)，從而電流減小，達(dá)到小電流保持的效果。實(shí)際上由于交流接觸器工作在直流回路中，控制能力大大降低，已達(dá)不到額定容量，我們知道，觸頭分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，在分?jǐn)嗤瑯哟笮‰娏鲿r(shí)，交流電弧的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于直流電弧，且工頻電弧每秒100次過零點(diǎn)而直流電弧幾乎是恒定的，直流電弧比交流電弧難熄滅，直流接觸器具有縱縫和串激線圈磁吹滅弧結(jié)構(gòu)，而交流接觸器連最簡(jiǎn)單的滅弧罩都不用，由于串聯(lián)線圈在吸合過程中存在電流過零點(diǎn)，釋放過程中反激電壓過高、交流接觸器的常閉輔助觸頭易損壞，在實(shí)踐中該觸頭工作時(shí)間不長(zhǎng)便出現(xiàn)嚴(yán)重的燒蝕現(xiàn)象。輕微的燒蝕可造成觸點(diǎn)接觸面積變小，有時(shí)可能造成閉合不好，使接觸器的L1和L2在未動(dòng)作前便同時(shí)接入回路，吸力變小而使接觸器無(wú)法正常動(dòng)作。嚴(yán)重的燒蝕可造成該觸頭粘接而使DC220V電壓長(zhǎng)時(shí)間加于L1線圈上，最終使接觸器線圈L1燒毀。由于該接觸器故障率較高，嚴(yán)重打亂了連鑄機(jī)正常的生產(chǎn)秩序。

另外，步進(jìn)冷床電氣設(shè)計(jì)方面還存在一些不合理：

①原撈鋼車自控系統(tǒng)的安保系統(tǒng)不完善，極易造成設(shè)備事故。當(dāng)其自動(dòng)流程還在進(jìn)行中，只要接收到返回按鈕信號(hào)，不管車和撈鋼鉤子的位置是否具備返回條件，車便會(huì)停止現(xiàn)有的工作而執(zhí)行返回動(dòng)作。這樣極易發(fā)生撈鋼鉤子被輥道上停放的鋼坯頂壞變形的事故。

②由于冷床自動(dòng)翻鋼設(shè)計(jì)上的不盡合理，冷床翻鋼一直由操作工用手動(dòng)操作。每放一次鋼就要執(zhí)行一次手動(dòng)翻鋼動(dòng)作，一旦操作工偶爾工作疏忽少翻一次鋼，就會(huì)發(fā)生撈鋼車放鋼時(shí)被冷床上的鋼坯頂壞撈鋼鉤子的現(xiàn)象。

③該自動(dòng)系統(tǒng)沒有防止撈長(zhǎng)坯的功能。前區(qū)火焰切割系統(tǒng)故障，開澆或停澆的頭、尾坯極易出現(xiàn)超長(zhǎng)坯現(xiàn)象，由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的特殊情況，操作室無(wú)法正對(duì)輥道，造成操作工的視線受影響，對(duì)長(zhǎng)坯的判斷有一定的困難。這樣一旦操作工失誤撈起長(zhǎng)坯，車輛往冷床執(zhí)行送鋼的動(dòng)作，鋼坯長(zhǎng)度超出了撈鋼車的長(zhǎng)度，造成紅鋼坯后部撞到撈鋼車底梁立柱上，極易造成鋼坯彎曲報(bào)廢和撈鋼車的損壞。

三PLC改造思路

由于在原電控系統(tǒng)上進(jìn)行改造很難解決原系統(tǒng)器件方面固有的缺陷，同時(shí)在功能及可靠性上難有大的改觀，我們徹底放棄了傳統(tǒng)的繼電器電控系統(tǒng)，決定采用PLC控制系統(tǒng)。

首先要對(duì)PLC的機(jī)型進(jìn)行選擇，由于步進(jìn)冷床的控制為純開關(guān)量的控制。且所需要的I/O點(diǎn)數(shù)也不太多，因此選用一般的小型機(jī)即可。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備通用、資源共享，我們認(rèn)為選用目前公司通用的S7-200 PLC 較為合適。

對(duì)步進(jìn)冷床的輸入、輸出點(diǎn)經(jīng)一再壓縮后，輸入點(diǎn)最少為30個(gè)，輸出點(diǎn)為15個(gè)。因?yàn)?ES7 214- 1BD21- OXBO的基本單元有輸入點(diǎn)14個(gè)，輸出點(diǎn)為10個(gè).因此必須選擇擴(kuò)展單元。如果選擇一個(gè)16點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出的擴(kuò)展單元，剛好能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但沒有留下一點(diǎn)裕量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)撈到位、放到位及放鋼位等關(guān)鍵控制位置的雙重保護(hù)。因此又選取了一塊16點(diǎn)輸入、16點(diǎn)輸出的擴(kuò)展單元。為了便于維護(hù)，將現(xiàn)場(chǎng)的位置開關(guān)輸入放在一組，冷床的輸入放在另外一組，這兩組同在基本單元上;所有的輥道輸入放在第二塊擴(kuò)展單元上，剩余的輸入均放在第一塊擴(kuò)展單元。輸出的配置是：第一塊擴(kuò)展單元是撈鋼車與冷床的輸出，第二塊擴(kuò)展單元是所有輥道的輸出，基本單元上無(wú)輸出線路。這樣該系統(tǒng)無(wú)論輸人、輸出均有足夠的裕量，可滿足擴(kuò)充和改進(jìn)的需要。

根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，將撈鋼車的狀態(tài)定為手動(dòng)/半自動(dòng)/全自動(dòng)，冷床設(shè)手動(dòng)/自動(dòng)兩個(gè)狀態(tài)。冷床和撈鋼車的狀態(tài)彼此獨(dú)立，即二者有六種組合可供操作人員選擇使用。因所有的手動(dòng)程序都很簡(jiǎn)單，半自動(dòng)程序與全自動(dòng)只是在撈鋼車、冷床的啟動(dòng)方面有所不同，其余完全一致，現(xiàn)只舉例介紹撈鋼車全自動(dòng)+冷床自動(dòng)狀態(tài)下的操作控制：

①PLC首先接收到輥道上有坯到來的電信號(hào)，用一定的邏輯關(guān)系判斷坯是否到位。為了全自動(dòng)啟動(dòng)無(wú)誤，要判斷是單流坯到位，還是兩流坯都到位，如果是雙流坯到位，確立一個(gè)流的優(yōu)先權(quán)。在程序中2流的優(yōu)先權(quán)高于1流的。

②若坯已到位，并且撈鋼車的狀態(tài)是放完鋼之后的等待位置，符合上述條件后，車才能啟動(dòng)返回至相應(yīng)的位置。車啟動(dòng)后，程序?qū)⑼Ｖ馆伒览^續(xù)送坯。

③車到達(dá)相應(yīng)的撈鋼位置后，再進(jìn)行一次判斷，判斷即將撈的坯是否為長(zhǎng)坯。若是長(zhǎng)坯，車將在此位置停留，而不再進(jìn)行撈鋼操作，直至無(wú)長(zhǎng)坯信號(hào)為止。若判斷坯正常，執(zhí)行撈鋼動(dòng)作，撈到位后撈鋼動(dòng)作結(jié)束，啟動(dòng)行走機(jī)構(gòu)向放鋼位送鋼。

④送鋼至放鋼位后，判斷“冷床自動(dòng)”是否處于運(yùn)行狀態(tài)。若運(yùn)行，說明上次自動(dòng)流程與本次自動(dòng)流程的時(shí)間隔過短，若此時(shí)放鋼可能會(huì)因兩根坯間距較小而碰壞撈鋼鉤子，程序?qū)⒉贿M(jìn)行放鋼操作，直至“冷床自動(dòng)”運(yùn)行停止。這樣可使冷床上鋼坯間距恒定，既有利于鋼坯的冷卻，又可避免一些設(shè)備事故的發(fā)生。

⑤放鋼到位后，停止放鋼動(dòng)作，啟動(dòng)車返回，同時(shí)啟動(dòng)冷床自動(dòng)翻鋼，冷床在翻鋼19S后，停止翻鋼動(dòng)作。

⑥車自動(dòng)返回5S后停止，整個(gè)車的自動(dòng)流程全部結(jié)束。車停下后重新啟動(dòng)輥道繼續(xù)送坯，待條件符合后，執(zhí)行下一次自動(dòng)流程。

這里需要對(duì)2流的優(yōu)先權(quán)問題做詳細(xì)說明。優(yōu)先權(quán)在程序的設(shè)計(jì)中是相對(duì)的，而非絕對(duì)的。為了不使全自動(dòng)控制下出現(xiàn)車誤動(dòng)作，只要1流坯符合條件并已啟動(dòng)車運(yùn)行，2流坯才剛剛滿足撈鋼條件，這種情況下程序先撈1流坯，然后再撈2流坯，除此之外2流坯均具有先撈的優(yōu)先權(quán)。

四、改造后的PLC電控系統(tǒng)與原電控系統(tǒng)的比較

①改造后的PLC電控系統(tǒng)與原電控系統(tǒng)相比，控制線路變得非常簡(jiǎn)單。由于在編程時(shí)啟用了PLC內(nèi)部標(biāo)志位和計(jì)時(shí)器等功能，使原電控系統(tǒng)中的所有中間繼電器和時(shí)間繼電器在PLC電控系統(tǒng)中不再有使用價(jià)值。在新的電控系統(tǒng)中僅保留了具有保護(hù)電機(jī)作用的堵轉(zhuǎn)繼電器（線圖電壓為AC380V）。繼電器的使用量減少許多，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

② 改造后PLC電控系統(tǒng)的功能較原電控系統(tǒng)有較大的改進(jìn)和提高。PLC電控系統(tǒng)設(shè)置的半自動(dòng)控制功能與原電控系統(tǒng)自動(dòng)功能等同，但新的系統(tǒng)增加了許多保護(hù)功能，如防止誤操作、誤動(dòng)作的功能。新系統(tǒng)還具備全自動(dòng)功能，即無(wú)需人工操作，由PLC根據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬯P(guān)系實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撈鋼、放鋼、冷床翻鋼、停走輥道等一系列動(dòng)作的準(zhǔn)確執(zhí)行，新電控系統(tǒng)使操作變得更簡(jiǎn)單。

③ 改造后的PLC電控系統(tǒng)操作臺(tái)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所有的二次控制線路電壓均為DC24V，而原電控系統(tǒng)的電壓多為DC220V。系統(tǒng)更安全，維護(hù)更方便。

④PLC電控系統(tǒng)的備件與連鑄機(jī)常用的備品備件完全一致，可互備互用，方便維修和管理。

⑤ PLC電控系統(tǒng)的改造成本較小，僅僅是新增電控器件的費(fèi)用，有更為優(yōu)越的性能價(jià)格比。

五、結(jié)語(yǔ)

連鑄機(jī)步進(jìn)冷床PLC控制改造是成功的，與原電控系統(tǒng)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，在以后的生產(chǎn)中，還要根據(jù)具體情況對(duì)其不斷完善和發(fā)展。

1、《節(jié)能交流接觸器線圈控制分析》李強(qiáng)、胡景泰、潘志剛

2、《交流接觸器在直流電路中使用應(yīng)注意的問題》范福康