出坯系統(tǒng)鉤鋼機PLC控制

..出坯系統(tǒng)鉤鋼機PLC控制摘要：本文在介紹攀鋼方圓坯連鑄機出坯系統(tǒng)的工藝構成及功能的基礎上,闡述了出坯PLC系統(tǒng)的硬件組成和網絡結構以及編程軟件,重點詳細分析了出坯系統(tǒng)鉤鋼機的工作流程、控制策略、走行速度及定位、提升速度及定位等控制功能的實現(xiàn)。對鉤鋼機的高效、穩(wěn)定、有序的自動控制,可以提高連鑄機鉤鋼機的出坯效率,對提高生產效率也有重要意義。關鍵詞：鉤鋼機連鑄機出坯PLC引言攀鋼新上的6機6流200mmX200mm/R200mm方圓坯連鑄機,設計年產方、圓坯100萬噸,用于向攀成鋼、攀長特提供齒輪鋼、軸承鋼、優(yōu)質管坯鋼等低成本原料,有利于實現(xiàn)〔集團公司整體效益最大化。工程投產后,將解決攀鋼煉鋼廠連鑄機產能小于轉爐產能的問題,優(yōu)化了工藝流程,從而釋放煉鐵、煉鋼現(xiàn)有設施生產能力,減少了生產成本,進一步提升了產品質量。鉤鋼機是方圓坯連鑄機的重要設備之一,也是試生產期間故障多發(fā)設備。從事故統(tǒng)計情況來看,鉤鋼機一旦發(fā)生故障而不能及時排除就會造成少流斷澆事故。因此對鉤鋼機進行高效、穩(wěn)定、有序的自動控制,可以提高連鑄機的出坯效率。方圓坯連鑄機出坯系統(tǒng)工藝構成及功能橫向移鋼機翻鋼機翻轉冷床六道鑄坯橫向移鋼機翻鋼機翻轉冷床拉鋼機過跨輥道鉤鋼機拉鋼機過跨輥道鉤鋼機圖1出坯系統(tǒng)工藝流程圖方圓坯連鑄機出坯系統(tǒng)由翻鋼機、橫向移鋼機、翻轉冷床、鉤鋼機、過跨輥道、拉鋼機、出坯液壓站等七部分組成,其工藝流程如圖1所示。該系統(tǒng)中各部分的功能及工藝介紹如下：翻鋼機停止在出坯輥道上的鑄坯打號完成后,翻鋼機將鑄坯從標高+0.5m的出坯輥道翻轉提升到標高+1m滑道上,以便于橫向移鋼機移坯。橫向移鋼機移鋼機前行將滑道上的鑄坯推至冷床前的收集臺架上。橫向移鋼機的走行電機由1臺變頻器控制,其光電編碼器信號進入變頻器,由變頻器進行脈沖計數(shù),再通過DP網傳給出坯PLC,由PLC控制移鋼機的走行速度及走行定位。翻轉冷床翻轉冷床由床前收集臺架、步進式翻轉冷床、撥鋼機及床后收集臺架組成。床前收集臺架為固定臺架,位于冷床前,橫向移鋼機將鑄坯推到此處后,冷床的活動齒條在此取坯送到冷床固定齒條上。通過活動齒條的升降、平移,鑄坯在冷床上緩慢翻轉前行,達到均勻冷卻的目的。床后收集臺架、撥鋼機位于冷床后側,冷床活動齒條將鑄坯依次放到臺架上,撥鋼機將鑄坯推往臺架后側,集滿6根后,由鉤鋼機移送至過跨輥道。鉤鋼機鉤鋼機用于鑄坯運輸,從床后收集臺架至過跨輥道。鉤鋼機的走行及吊鉤提升分別由1臺變頻器控制,行走編碼器、提升編碼器信號進入出坯PLC,由PLC控制鉤鋼機的走行速度、走行定位、提升速度及提升定位。過跨輥道過跨輥道用于將鑄坯從機械維修跨輸送至出坯跨。由22個輥組成,其中前21個輥分別由1臺電機單獨傳動,最后1個輥為自由輥,21臺電機分2組〔11+10,每組用1臺變頻裝置控制。拉鋼機拉鋼機位于出坯跨過跨輥道旁,用于臨時存放鑄坯,等待車間吊車起吊下線。拉鋼機旁過跨輥道有坯時,拉鋼機動作,將鑄坯由輥道拉至收集臺架上。如果收集臺架上已放滿鑄坯,輥道繼續(xù)來坯,拉鋼機將繼續(xù)動作,將鑄坯推至收集臺架旁的地面上堆放。出坯液壓站出坯區(qū)液壓系統(tǒng)由如下設備組成：油箱、給油循環(huán)泵、高壓泵、過濾器、吸油口蝶閥及電氣監(jiān)控設備等等。液壓油存貯在帶有液位監(jiān)視的油箱內,油箱的溫度由溫度變送器檢測和顯示。給油循環(huán)泵用來把油從油箱通過過濾器泵出供給高壓泵。高壓泵用來把油通過過濾器泵出供給各閥站,再通過返回管路的過濾器回到油箱。壓力開關用來檢測監(jiān)控管路的壓力。出坯PLC控制系統(tǒng)PLC系統(tǒng)硬件組成考慮到先進性、可靠性和經濟性,備件來源,技術支撐等因素,方圓坯連鑄機出坯系統(tǒng)選用了SIMATIC公司的S7-400PLC控制器。因為S7-400有極高的處理速度、強大的通訊性能和卓越的CPU資源裕量,為保證控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,本系統(tǒng)選用的CPU型號為CPU414-3PN/DP。CPU414-3PN/DP是用于對編程、處理速度和通訊有較高要求的中型設備。CPU414-3PN/DP的主要技術性能如下：CPU處理速度快,執(zhí)行每個二進制指令僅需0.04微秒；最多可支持131072點數(shù)字量和81932點模擬量輸入/輸出；通過MPI,可簡單地將最多32個站連成網絡,數(shù)據(jù)傳輸速率高達12Mbit/S。CPU可與通訊總線〔C總線和MPI的站之間建立最多32個連接；通過使用IF964-DP接口模板,還可以將其他DP主站系統(tǒng)連接到CPU414-3PN/DP上；通過PROFIBUSDP主站接口,可以實現(xiàn)分布式自動化組態(tài),從而提高了速度,便于利用。本系統(tǒng)考慮到各個模塊的耗電量,則采用的電流較大的電源模塊,其型號為PS40710A。還采用了一個計數(shù)器模塊,其型號為FM450-1。FM450-1是智能的、雙通道計數(shù)器模板,用于簡單的計數(shù)任務,它的每一通道直接連接一個增量型編碼器。該模塊通過集成的數(shù)字量輸出模板實現(xiàn)了比較功能和輸出響應信號,減輕了CPU的負擔。出坯控制系統(tǒng)模塊選型表及硬件配置圖如下所示。表1模塊選型模塊名稱型號電源模塊PS40710ACPU模塊CPU414-3PN/DPDP網模塊IF964-DP數(shù)字量輸入模塊DI32×DC24V數(shù)字量輸出模塊DO32×DC24V/0.5A模擬量輸出模塊AO8×13Bit計數(shù)器模塊FM450-1COUNTER圖2出坯PLC系統(tǒng)配置圖PLC系統(tǒng)網絡結構方圓坯連鑄機自動化控制系統(tǒng)由兩級系統(tǒng)組成,即基礎自動化系統(tǒng)〔L1級和過程計算機系統(tǒng)〔L2級。L1基礎自動化系統(tǒng)網絡由三層網絡構成：HMI監(jiān)控光纖以太網、PLC控制光纖以太環(huán)網和現(xiàn)場總線網。出坯系統(tǒng)的監(jiān)控站接入L1級HMI監(jiān)控光纖以太網,再經L1級HMI數(shù)據(jù)服務器與PLC光纖以太環(huán)網進行通訊。出坯系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網有兩層網絡,第一層為工業(yè)以太網,由CPU414-3PN/DP的PN口進行通訊；第二層為PROFIBUS-DP網,由414-3PN/DP的DP口進行通訊。建立兩層網絡可以實現(xiàn)下層分布式DP總線網連接通訊和上層工業(yè)以太網通訊,進而使網絡層次分明,易于維護和通訊資源利用最大化。該系統(tǒng)的控制器有一個本地站〔即主站和若干遠程I/O站〔即RIO,本地站與RIO之間用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線連接。PROFIBUS-DP是SIEMENS專用的現(xiàn)場總線協(xié)議,通過該總線實現(xiàn)主從輪詢方式的數(shù)據(jù)通訊,本地站作為PROFIBUS-DP的主節(jié)點,RIO站使用CPU414-3PN/DP自帶的PN口和DP口進行通訊,其出坯系統(tǒng)網絡配置圖如圖3所示。圖3出坯系統(tǒng)PLC網絡配置圖編程軟件方圓坯連鑄機出坯系統(tǒng)使用STEP7軟件對PLC進行開發(fā),上位機采用C/S結構的Intouch監(jiān)控軟件,其中PLC對整個系統(tǒng)進行全自動控制,Intouch則提供良好的人機界面和監(jiān)控管理視窗,它們之間的通信采用以太網。STEP7軟件是SIEMENS公司開發(fā)的用于SIMATICS7、C7和WinAC自動化系統(tǒng)的標準工具,是SIMATIC工業(yè)軟件的重要組成部分。它的基本功能包括：組態(tài)和參數(shù)化硬件定義通信編程仿真測試編制文件及歸檔監(jiān)視及診斷功能STEP7包含梯形圖<LAD>、語句表<STL>、功能塊圖<FBD>等編程語言,并且所有這些編程語言可在同一項目中一起使用。STEP7的編程界面如圖4所示。圖4STEP7的用戶界面梯形圖〔LAD的英語全稱是LadderLogic。梯形圖〔LAD是用得最多的可編程序控制器梯編程語言,是融邏輯操作、控制于一體,面向對象的、實時的、圖形化的編程語言,主要由觸點、線圈和用方框表示的功能塊組成,具有直觀易懂、易于調試、易于移植的優(yōu)點,特別適用于開關量邏輯控制,有時把梯形圖稱為電路或程序。在方圓坯出坯系統(tǒng)中,需要控制的設備很多,設備之間的邏輯連鎖條件也較多,控制時序復雜,因此出坯PLC控制系統(tǒng)采用梯形圖〔LAD語言進行編程。InTouch軟件是Wonderware公司開發(fā)的一套人機界面<HMI>自動化軟件,用于可視化和控制工業(yè)生產過程。InTouch軟件負責與PLC控制器通訊,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、各種工藝參數(shù)的監(jiān)視、報警、設置、實時/歷史趨勢顯示及記錄,以及工藝設備的操作及控制等。其易用的配置工具和強大的功能特性適用于各種大小的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)為一個基于windowsXP多任務操作平臺,操作方便,使用簡單的監(jiān)控系統(tǒng)。操作員通過監(jiān)控畫面能對出坯系統(tǒng)的翻鋼機、橫向移鋼機、翻轉冷床、鉤鋼機、過跨輥道電機、拉鋼機等設備進行遠程控制,并自動顯示、記錄各設備運行狀態(tài)、報警狀態(tài)及運行參數(shù)。同時,可通過對變頻器狀態(tài)的檢測,來實現(xiàn)對電動機的監(jiān)測,減輕了維護人員的負擔,提高了生產效率。出坯系統(tǒng)的監(jiān)控畫面如圖5所示。圖5出坯系統(tǒng)監(jiān)控畫面鉤鋼機的控制功能實現(xiàn)鉤鋼機是方圓坯連鑄機的重要設備之一,其動作較多,控制尤為復雜。能否對鉤鋼機做出高效、穩(wěn)定、有序的控制,直接影響了出坯系統(tǒng)的出坯效率。鉤鋼機的工作流程鉤鋼機的動作有冷床前取坯和冷床后取坯。正常運轉下,鉤鋼機都會在冷床后取坯；當冷床發(fā)生故障或冷床上沒有鋼坯時,鉤鋼機會在冷床前取坯。當鉤鋼機在冷床后取坯時,既可以自動控制,也可以手動控制；手動方式下,由操作人員在操作臺上手動啟動執(zhí)行一個工作周期；自動方式下,由程序根據(jù)聯(lián)鎖條件,自動循環(huán)執(zhí)行多個工作周期。當鉤鋼機在冷床前取坯時,只可以手動控制,每執(zhí)行一次操作,鉤鋼機運行一個周期回到非正常待機位。鉤鋼機冷床前取坯和冷床后取坯的工作流程如圖6、圖7所示。圖6鉤鋼機冷床后取坯圖7鉤鋼機冷床前取坯為了對鉤鋼機做出穩(wěn)定有序地控制,本系統(tǒng)把鉤鋼機的整個運行過程分成很多步來進行控制,鉤鋼機按照設定的步,一步一步地按順序動作,增強了鉤鋼機運行的穩(wěn)定性。鉤鋼機床后取坯和床前取坯按步動作的走行示意圖如圖8、圖9所示。圖8鉤鋼機床后取坯走行示意圖圖9鉤鋼機床前取坯走行示意圖鉤鋼機冷床后取坯的工作流程：冷床后收集臺架上的鑄坯達到預定數(shù)目后,鉤鋼機在正常待機位接到床后鉤坯指令后,按圖8所示的步執(zhí)行。①進鉤,鉤鋼機從待機位行走,停在床后取坯位置；②鉤坯,提升鉤上升取坯；③運坯,當提升鉤上升到設定高度后,鉤鋼機駛向過跨輥道,并停在放坯位置；④放坯,提升鉤下降將鑄坯放在輥道上；⑤退空鉤,鉤鋼機繼續(xù)向東行走退鉤,停止；⑥升空鉤,提升鉤空鉤上升；⑦返回正常待機位,鉤鋼機向西行駛并停在正常待機位；⑧落空鉤,提升鉤下降,等待下次取坯。鉤鋼機冷床前取坯的工作流程和冷床后取坯的工作流程類似,鉤鋼機在正常待機位接到床前鉤坯指令后,按圖9所示的步執(zhí)行。eq\o\ac<○,11>升空鉤,提升鉤上升；eq\o\ac<○,12>行走至非正常待機位,鉤鋼機由正常待機位行走至非正常待機位,停止；eq\o\ac<○,13>落空鉤,提升鉤下降到設定高度；eq\o\ac<○,14>進鉤,鉤鋼機向西行走,并停在床前取坯位置；eq\o\ac<○,15>鉤坯,提升鉤上升取坯；其后和床后取坯工作流程相同,按③④⑤⑥⑦步行走,最后返回非正常待機位,等待下次取坯。鉤鋼機PLC最優(yōu)化控制由于鉤鋼機的動作很多,控制復雜,并且有很多重復和相似的動作。所以,在PLC控制程序里,把鉤鋼機需要重復執(zhí)行的動作都作為一個單獨的功能塊,如回零位、空鉤上升、空鉤下降、走行控制、手動卸坯、按步運行控制等功能塊。然后在執(zhí)行某一操作時只需要調用相應的功能塊,避免了重復寫相同的程序,實現(xiàn)了控制程序的最優(yōu)化。圖10則為鉤鋼機〔hook控制結構圖。由圖10可以看出,在控制鉤鋼機運行時,程序中設有4個標識位,首先進行冷床前取坯、冷床后取坯、卸坯和復位/回零的判斷,當選擇冷床后自動取坯時,則調用鉤鋼機按步運行控制功能塊〔FC92,鉤鋼機自動按規(guī)定的八個步進行自動循環(huán)運行；當選擇復位/回零操作時,調用鉤鋼機回零位功能塊〔FC104,鉤鋼機執(zhí)行回零位操作；當選擇卸坯操作時,則調用卸坯功能塊〔FC105,鉤鋼機執(zhí)行卸坯操作。圖10鉤鋼機控制結構圖鉤鋼機的走行速度及定位控制圖11鉤鋼機走行定位示意圖對鉤鋼機走行速度及定位的控制示意圖如圖11所示,鉤鋼機走行軌道的東、西兩側分別布置2個行程開關,作為鉤鋼機的工作停止位和極限位；在鉤鋼機的正常待機位,設置1個行程開關,作為零位。鉤鋼機每次經過正常待機位時,行走編碼器自動歸零；當鉤鋼機行走到工作停止位,則自動給鉤鋼機發(fā)停止命令；如果停止命令沒有發(fā)出或鉤鋼機不能停止,當鉤鋼機行走至極限位,則自動對鉤鋼機做急停操作,直接斷電。鉤鋼機行走的距離通過增量編碼器檢測,信號進入PLC進行數(shù)據(jù)處理并作出控制。為了讓鉤鋼機在行走時能夠準確定位,則鉤鋼機的走行速度設置了三個檔位,即高速、中速、低速。以鉤鋼機從正常待機位向放坯位行走為例,作如下說明。以正常待機位為參考零位；X表示正常待機位到放坯位的距離,即X=-14200mm；L表示鉤鋼機行走的距離,即鉤鋼機偏離零點的距離,L值有正負,設置向西為正〔+、向東為負〔－,其具體控制模式為：當QUOTE時,設置變頻器輸出頻率為45Hz,鉤鋼機高速行走；當QUOTE時,設置變頻器輸出頻率為20Hz,鉤鋼機中速行走；當QUOTE時,設置變頻器輸出頻率為5Hz,鉤鋼機低速行走；當鉤鋼機行走到停止位時,設置變頻器輸出頻率為0,鉤鋼機停止行走。圖12鉤鋼機高速行走控制程序如圖12所示,SUB_R模塊和ABS模塊的作用是計算鉤鋼機當前位置和目標位置的距離QUOTE,CMP＞＝R模塊是比較QUOTE是否大于等于2000mm。若QUOTE大于等于2000mm,則第一個MOVE模塊的作用啟動變頻器,第二個MOVE模塊的作用是讓變頻器輸出頻率為45Hz,控制鉤鋼機高速行走。鉤鋼機的提升速度及定位控制圖13鉤鋼機走行定位示意圖對鉤鋼機提升速度及定位的控制示意圖如圖13所示,鉤鋼機升降的上下各有一個光電開關,作為鉤鋼機升降的極限位；中間有一個光電開關,作為鉤鋼機升降的零位,用于升降編碼器歸零。如果鉤鋼機在上升或下降停止位不能停止,則鉤鋼機升降至極限位時,程序自動對鉤鋼機做急停操作,直接斷電。鉤鋼機的提升高度通過增量編碼器檢測,編碼器數(shù)據(jù)先進入變頻器實現(xiàn)提升速度閉環(huán)控制,同時該數(shù)據(jù)由變頻器送入PLC進行提升定位控制。為了讓鉤鋼機在升降時能夠準確定位,則鉤鋼機的提升速度設置了三個檔位,即高速、中速、低速,并在鉤鋼機提升鉤的上升行程及下降行程中各設置一個減速位和停止位,其位置由編碼器測得。提升定位的具體控制模式為：空鉤上升：起步時,設置變頻器輸出頻率為30Hz,鉤鋼機高速提升,當提升至上升減速位時,設置變頻器輸出頻率為7Hz,鉤鋼機低速提升,當提升至上升停止位時,設置變頻器輸出頻率為0,鉤鋼機停止上升?？浙^下降與此控制模式相同。有坯上升：起步時,設置變頻器輸出頻率按一定斜率從1Hz增加到10Hz,以使變頻器建立起足夠的提升力矩,當提升至下降減速位時再設置變頻器輸出頻率為30Hz,鉤鋼機高速提升,當提升至上升減速位時,設置變頻器輸出頻率為7Hz,鉤鋼機低速提升,當提升至上升停止位時,設置變頻器輸出頻率為0,鉤鋼機停止上升。有坯下降：起步時,設置變頻器輸出頻率為20Hz,鉤鋼機中速下降,當下降到下降減速位時,設置變頻器輸出頻率為7Hz,鉤鋼機低速下降,當下降到下降停止位時,設置變頻器輸出頻率為0,鉤鋼機停止下降。圖14鉤鋼機提升控制部分程序如圖14所示,鉤鋼機提升啟動時,第二段程序中,CMP＜R模塊首先比較提升距離是否到達上升減速位,若沒到上升減速位,則MOVE模塊啟動變頻器,并設定變頻器輸出頻率為30Hz,鉤鋼機高速提升。第二段程序中,CMP＞R模塊首先比較提升距離是否到達上升減速位,若已到達上升減速位,然后CMP＜R模塊又比較提升距離是否到達上升停止位,若還未到上升停止位,則MOVE模塊啟動變頻器,并設定變頻器輸出頻率為7Hz,鉤鋼機減速并低速速提升。鉤鋼機床后取坯的控制流程及連鎖圖15為鉤鋼機床后取坯的控制流程圖,鉤鋼機啟動后,首先檢查各設備是否故障,若無故障再進行手動/自動判斷,如在自動方式下,則再檢測床后收集臺架上的鑄坯數(shù)是否多于4根〔包括4根,當鑄坯數(shù)達到4根或以上,鉤鋼機才會動作,按預先設定的八個步順序運行,自動方式下鉤鋼機可以重復執(zhí)行多個周期；如在手動方式下,則鉤鋼機無需檢測床后收集臺架上的鑄坯數(shù),直接按預先設定的八個步順序運行,手動方式下鉤鋼機只執(zhí)行一個周期后停在正常待機位,鉤鋼機一次最多可鉤6根鑄坯。圖15鉤鋼機床后取坯控制流程圖鉤鋼機動作時,在程序中設有兩個步完成標識,即當前步〔step和完成步〔achieve,當前步從1開始計數(shù),完成步從0開始計數(shù)。在每個步序執(zhí)行時調用的功能塊中隨時檢測判斷該步序是否完成,當鉤鋼機走行定位或提升鉤位置及電機狀態(tài)達到步完成條件,則當前步和完成步計數(shù)信號將分別加1,當前步執(zhí)行結束,轉入執(zhí)行下一步。以鉤鋼機執(zhí)行運坯步為例,在東側設有2個行程開關作為工作停止位和極限位,若出現(xiàn)故障,鉤鋼機沒有在放坯位停止,則當其行走至工作停止位時,程序會自動發(fā)停止指令；若仍行走到了極限位,則系統(tǒng)的純電氣急停聯(lián)鎖起效,直接切斷電機電源,從而避免鉤鋼機不能安全停止而造成事故。如圖16所示,圖中ADD模塊的作用即為給當前步〔step和完成步〔achieve計數(shù)值加1,每完成一個周期回到正常待機位時自動將當前步和完成步的計數(shù)值清空,重新開始新一輪計數(shù)。圖16當前步完成,轉入下一步如鉤鋼機在運行過程中發(fā)生意外停止或人為停止,則程序會自動存儲當前步〔step的計數(shù)值,并且將完成步〔achieve的計數(shù)值賦為100,以免影響