基于PLC 的鋼卷自動(dòng)打捆機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙嘉珩，王紅軍，3，康運(yùn)江，竇富萍

（1.北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；2.機(jī)械科學(xué)研究總院機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京100044 3.高端裝備智能感知與控制北京市國(guó)際科技合作基地，北京 100192）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、人們的生活水平也隨之提高，這也帶動(dòng)著人們的消費(fèi)觀念和消費(fèi)水平進(jìn)行著轉(zhuǎn)變與提升。在這個(gè)契機(jī)下，冷軋鋼卷行業(yè)也得到快速發(fā)展，對(duì)鋼材的質(zhì)量和數(shù)量有了更大的需求，粗鋼產(chǎn)量同比增長(zhǎng)。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2019 年1—12月全國(guó)生鐵、粗鋼和鋼材產(chǎn)量分別為80 937 萬噸、99 634 萬噸、120 477 萬噸，同比分別增長(zhǎng)5.3%、8.3%、9.8%，其中粗鋼產(chǎn)量超越了全球粗鋼總產(chǎn)量的53%[1-2]。隨著鋼材生產(chǎn)量的日益增加，對(duì)鋼材包裝的需求也進(jìn)一步提升。作為鋼材包裝的最后一道程序，鋼材的打捆包裝直接影響鋼材的質(zhì)量和運(yùn)輸儲(chǔ)存時(shí)的質(zhì)量。隨著鋼材生產(chǎn)量的日益增加，急需研發(fā)鋼材包裝的自動(dòng)化設(shè)備和裝置。

目前，國(guó)外的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)對(duì)鋼卷的包裝要求嚴(yán)格，自動(dòng)化程度高，擁有鎖扣質(zhì)量好的的全自動(dòng)包裝機(jī)的技術(shù)，使得這些企業(yè)的打捆機(jī)在國(guó)際市場(chǎng)上有著很高的競(jìng)爭(zhēng)力，如美國(guó)的SIGNODE 公司、意大利的ITIPACK 公司等。相比國(guó)外的情況，我國(guó)目前也是世界上的鋼材生產(chǎn)大國(guó)，國(guó)內(nèi)的大型鋼鐵企業(yè)有資金可以由國(guó)外引進(jìn)整組全自動(dòng)包裝打捆機(jī)，大多數(shù)國(guó)內(nèi)中小型的鋼材生產(chǎn)企業(yè)由于資金或技術(shù)的原因，仍采用半自動(dòng)打捆機(jī)或者手工進(jìn)行打捆。這些大大的增加了廠商的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)的成本。目前國(guó)內(nèi)的大部分全自動(dòng)打捆頭仍由國(guó)外進(jìn)口，并且國(guó)外對(duì)打捆技術(shù)也有著專利技術(shù)的封鎖，這直接導(dǎo)致國(guó)內(nèi)在鋼材打捆技術(shù)方面進(jìn)展緩慢，研究全自動(dòng)鋼材打捆頭是提升鋼鐵包裝行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑之一。國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)以及企業(yè)對(duì)于全自動(dòng)包裝進(jìn)行了相關(guān)的研究，并且取得了一些研究成果[3-10]，但是還不能完全適應(yīng)蓬勃發(fā)展的鋼材包裝的需求。亟需開展鋼材自動(dòng)包裝設(shè)備的研制和開發(fā)。

分析鋼卷自動(dòng)打捆機(jī)的自動(dòng)化工作需求，設(shè)計(jì)了基于PLC控制系統(tǒng)開發(fā)，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證測(cè)試，結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)功能完善、有效，滿足設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化控制。

1 鋼卷自動(dòng)打捆機(jī)的整體結(jié)構(gòu)與工藝

鋼卷打捆機(jī)主要由打捆機(jī)頭、打捆機(jī)頭升降裝置、機(jī)架、導(dǎo)帶槽、懸臂等部分組成，如圖1 所示。

圖1 周向打捆機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

鋼卷打捆機(jī)完成一個(gè)鋼卷打捆的工藝流程：首先機(jī)架移至指定點(diǎn)位，機(jī)頭下降；機(jī)頭降至鋼卷表面后由打捆機(jī)頭完成送帶、收緊、打鎖扣、切帶；重復(fù)進(jìn)行三次打捆。機(jī)頭復(fù)位后，判斷是否為最后一次打捆，若為第三次打捆，則使機(jī)架復(fù)位至初始位置，若不為第三次打捆，則準(zhǔn)備進(jìn)行下一點(diǎn)位打捆，如圖2 所示。

圖2 打捆機(jī)工藝流程

2 鋼卷自動(dòng)打捆機(jī)的控制方案設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)打捆機(jī)的自動(dòng)化控制，共分為4 種模式：自動(dòng)控制模式及手動(dòng)分步控制模式、報(bào)警模式和急停模式。

當(dāng)處于報(bào)警模式或急停模式時(shí)，設(shè)備不會(huì)執(zhí)行任何指令以保證安全，只有解除報(bào)警模式或急停模式后，方可對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作?？刂葡到y(tǒng)主控流程如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)流程方案

2.2 打捆機(jī)頭控制單元設(shè)計(jì)

當(dāng)機(jī)架移動(dòng)到位后，PLC 向控制機(jī)頭上下運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，機(jī)頭開始下降動(dòng)作。由于在實(shí)際生產(chǎn)過程中，有著不同規(guī)格、不同大小的鋼卷尺寸，故在機(jī)頭下降時(shí)根據(jù)鋼卷尺寸進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。

在機(jī)頭處設(shè)置一個(gè)行程開關(guān)并附有檢測(cè)裝置，在機(jī)頭下降到鋼卷時(shí)行程開關(guān)與鋼卷表面接觸。當(dāng)行程開關(guān)觸碰到鋼卷表面時(shí)，觸發(fā)行程開關(guān)自動(dòng)接通，同時(shí)向PLC 發(fā)出感應(yīng)信號(hào)，停止機(jī)頭移動(dòng)伺服電機(jī)工作。

機(jī)頭到位是否是整個(gè)打捆過程必不可少的一個(gè)位置檢測(cè)信息，根據(jù)此信息實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)數(shù)字輸入信號(hào)的觸發(fā)，即實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)頭行進(jìn)時(shí)的到位檢測(cè)。打捆機(jī)頭下降到位檢測(cè)裝置如圖4所示。

圖4 打捆機(jī)頭下降位置到位檢測(cè)裝置

機(jī)頭下降控制單元程序流程如圖5 所示。收到懸臂在液壓缸驅(qū)動(dòng)下閉合完成信號(hào)后或操作員由操作面板發(fā)出機(jī)頭下降命令后，PLC 向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出啟動(dòng)命令使打捆機(jī)頭開始下降，當(dāng)下降到鋼卷表面時(shí)觸發(fā)行程開關(guān)，PLC 收到信號(hào)使控制打捆機(jī)頭下降的電機(jī)停止工作，等待下一步驟的指令發(fā)出。

圖5 打捆機(jī)頭控制單元流程

2.3 送帶過程控制單元設(shè)計(jì)

送帶過程中，當(dāng)鋼帶到達(dá)所需要的指定位置后，執(zhí)行后續(xù)捆帶卡緊、收緊等操作。需要對(duì)位置到位與否進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)裝置為彈性撥片，當(dāng)導(dǎo)帶槽捆帶終點(diǎn)位置無捆帶時(shí)，撥片處于初始位置；待捆帶到達(dá)導(dǎo)帶槽末端時(shí)，由鋼帶推動(dòng)撥片，使撥片接觸到行程開關(guān)，此時(shí)行程開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，向PLC 發(fā)出感應(yīng)信號(hào)，PLC 收到行程開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變后向捆帶壓緊裝置發(fā)送開始命令同時(shí)停止送帶伺服電機(jī)工作，鋼卷到位檢測(cè)裝置如圖6 所示。

圖6 捆帶到位檢測(cè)裝置

送帶控制單元信號(hào)流程如圖7 所示。當(dāng)手動(dòng)打捆模式時(shí)操作員按下送帶按鈕或自動(dòng)打捆模式中PLC 收到上一步驟到位信號(hào)后，由PLC 輸出信號(hào)控制送帶電機(jī)進(jìn)行捆帶送出，當(dāng)捆帶沿著導(dǎo)帶槽到達(dá)指定位置后經(jīng)由上述檢測(cè)裝置，觸發(fā)行程開關(guān)，PLC 收到到位信號(hào)向送帶電機(jī)發(fā)送停止信號(hào)并向下一步工序發(fā)送開始命令或等待操作云進(jìn)行下一步驟的操作。

圖7 送帶控制單元流程

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算I/O 點(diǎn)數(shù)

可編程邏輯控制器通過模塊來實(shí)現(xiàn)與工業(yè)生產(chǎn)的聯(lián)系，模塊的選擇非常重要。在選用I/O 模塊的時(shí)候，并不是點(diǎn)數(shù)越多，效果越好；如果所選擇的I/O 模塊的點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于設(shè)備控制時(shí)所需要的點(diǎn)數(shù)，會(huì)造成資源浪費(fèi)。通常，先對(duì)設(shè)備所需要的I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照實(shí)際需求的點(diǎn)數(shù)預(yù)留出15%～20%的富余量，以便在后續(xù)過程中對(duì)模塊進(jìn)行擴(kuò)展。一般情況下，一個(gè)I/O元件需要占用一個(gè)I/O 點(diǎn)，在考慮到程序設(shè)計(jì)過程中需要的調(diào)整與補(bǔ)充，設(shè)計(jì)選用12 個(gè)輸入點(diǎn)與9 個(gè)輸出點(diǎn)，I/O 點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 I/O 點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.2 計(jì)算I/O 存儲(chǔ)器容量

PLC 的內(nèi)存分為多種類型，它的容量決定著PLC 控制程序可被容納的長(zhǎng)短，一般來說以字節(jié)為單位進(jìn)行計(jì)算。此外，用戶程序的占用內(nèi)存量取決于很多方面，例如：I/O 點(diǎn)數(shù)的多少，整體程序段的大小，程序采用的運(yùn)算方法以及程序所需的控制需求等一系列的因素。根據(jù)資料查詢，以往的大部分PLC 設(shè)計(jì)、I/O點(diǎn)數(shù)、以及其他功能元件的內(nèi)存占用情況估算：

開關(guān)量輸入元件：10-15B/點(diǎn)

開關(guān)量輸出元件：4-10B/點(diǎn)

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：3B/個(gè)

模擬量：110-160B/個(gè)

通信接口：一個(gè)接口需要300B 以上

根據(jù)上述的元件內(nèi)存占用情況，額外增加20%左右的備用量，估算出大致需要的內(nèi)存大小，以此為依據(jù)選擇使用的PLC型號(hào)。系統(tǒng)12 個(gè)輸出點(diǎn)與9 個(gè)輸入點(diǎn)，共用到12 個(gè)定時(shí)器，共需要370B 的內(nèi)存。CPU 模塊的選用可為西門子PLC 315-2DP。

3.3 PLC 產(chǎn)品選用

同一條生產(chǎn)線中對(duì)于PLC 的選用應(yīng)盡量保持一致，有益于工作人員對(duì)于備用設(shè)備的管理與采購、檢修與維護(hù)，采用西門子公司生產(chǎn)的可編程邏輯控制器作為全自動(dòng)鋼卷打捆機(jī)的控制系統(tǒng)。

4 自動(dòng)控制模式程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)打捆程序使用順序程序設(shè)計(jì)法，將打捆機(jī)對(duì)鋼卷全部打捆工作按時(shí)序排列進(jìn)行程序開發(fā)。整個(gè)打捆機(jī)工作流程圖如圖8 所示，每個(gè)鋼卷需要進(jìn)行三次打捆操作。

圖8 打捆機(jī)自動(dòng)控制程序流程

4.1 懸臂閉合

機(jī)架到達(dá)指定位置后，傳感器向PLC 發(fā)出到位信號(hào)，機(jī)架下端的懸臂在液壓缸的控制驅(qū)動(dòng)下，開始閉合，使導(dǎo)帶槽導(dǎo)通，觸發(fā)到位傳感器，使懸臂到位傳感器置狀態(tài)由0 變?yōu)?，PLC 向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送動(dòng)作停止命令，懸臂動(dòng)作停止，延時(shí)1 s 后發(fā)出下一步驟的操作命令。若超過一定時(shí)間未檢測(cè)到動(dòng)作到位信號(hào)，則自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至報(bào)警模式。自動(dòng)控制模式下懸臂伸出程序如圖9所示。

圖9 自動(dòng)控制模式下懸臂伸出程序

4.2 機(jī)頭下降動(dòng)作

在完整的一次自動(dòng)打捆過程中，共有3 次機(jī)頭下降動(dòng)作，每一次的動(dòng)作開始信號(hào)，均為接收到上一步中懸臂到位傳感器發(fā)出到位信號(hào)后才開始進(jìn)行機(jī)頭下降，否則不會(huì)發(fā)出機(jī)頭動(dòng)作開始的命令。當(dāng)PLC 收到懸臂到位信號(hào)后，PLC 向機(jī)頭電機(jī)啟動(dòng)器發(fā)出開始信號(hào)，機(jī)頭在電機(jī)的帶動(dòng)下逐漸向鋼卷靠近，當(dāng)檢測(cè)裝置檢測(cè)到機(jī)頭到達(dá)鋼卷表面，向電機(jī)發(fā)送停止命令，機(jī)頭下降結(jié)束。自動(dòng)控制模式下懸臂閉合程序如圖10 所示。

圖10 自動(dòng)控制模式下懸臂閉合程序

除上述兩段程序外，此次設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的其他程序段，同樣是在PLC 接收到上一動(dòng)作到位的信號(hào)后，向下一動(dòng)作的執(zhí)行件發(fā)送執(zhí)行命令。且在動(dòng)作結(jié)束后有到位傳感器提示PLC 停止此動(dòng)作。

在機(jī)頭復(fù)位程序后，會(huì)執(zhí)行一個(gè)判斷程序，判斷此次打捆是否為此鋼卷的第三次打捆，若為第三次打捆，進(jìn)行機(jī)架復(fù)位；若不是第三次打捆，繼續(xù)進(jìn)行下一次打捆操作。

4.3 控制系統(tǒng)的控制面板設(shè)計(jì)

運(yùn)用了WinCC flexible SMART 組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)控制面板設(shè)計(jì)，上部為打捆的示意圖，下部為打捆的工作流程，如圖11所示。手動(dòng)打捆時(shí)，操作員通過面板上的步驟分步完成打捆操作；當(dāng)采用自動(dòng)打捆模式后，打捆機(jī)依照預(yù)先設(shè)定的順序程序依次進(jìn)行打捆的各個(gè)操作，控制面板中可以顯示當(dāng)前打捆步驟與打捆狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可按下控制面板上的急停按鈕，設(shè)備立即停止工作，在急停按鈕未回復(fù)前無法啟動(dòng)打捆機(jī)。

圖11 打捆機(jī)控制面板

4.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真檢驗(yàn)

將PLC 程序下載到虛擬裝配的可編程邏輯控制器中，使用仿真軟件S7-PLCsim，進(jìn)行仿真。啟動(dòng)仿真軟件WinCC RT Start，通過操作控制面板中的預(yù)設(shè)按鈕控制打捆機(jī)進(jìn)行打捆，驗(yàn)證結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)達(dá)到實(shí)際要求，實(shí)用有效。該方法為系統(tǒng)的實(shí)施驗(yàn)證提供了有力的工具。急停狀態(tài)仿真如圖12所示，運(yùn)行狀態(tài)判斷框如圖13 所示，第一次打捆完成仿真如圖14 所示。

圖12 急停狀態(tài)仿真示意圖

圖13 運(yùn)行狀態(tài)判斷框示意圖

圖14 第一次打捆完成仿真示意圖

5 結(jié)束語

分析了鋼卷自動(dòng)打捆機(jī)的結(jié)構(gòu)和工藝流程，按照其自動(dòng)化控制需求，基于可編程邏輯控制器，研制了全自動(dòng)鋼卷打捆機(jī)的控制系統(tǒng)。基于西門子博圖V15.1 軟件開發(fā)了打捆機(jī)的控制面板，采用S7-PLCsim，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證了系統(tǒng)程序的有效性及可行性。該系統(tǒng)可以方便實(shí)現(xiàn)打捆機(jī)的自動(dòng)化控制。