Siemens系列產品在冷軋實驗機中的應用

1 引言
目前，西門子PLC以其強大的功能，優越的性能和良好的穩定性，在各行各業的生產線的控制中被廣泛地使用，尤其是在軋鋼領域應用得更是普遍。冷軋實驗機的控制系統對控制器的精度和速度的要求都很苛刻，因為冷軋機的產品原料通常都很薄，軋制過程厚度控制的難度較大，同時還要對張力、速度進行精確控制。作為實驗機，不僅要控制好，同時還要對控制過程的實驗數據精確的測量，以便對工藝過程參數做進一步地分析和研究。
整個冷軋的機械部分包括主軋機(機架、兩支撐輥和工作輥)、卷取機、減速機等。控制部分包括主傳動電機、電動壓下電機、左/右卷取電機、西門子直流調速器和液壓缸。液壓站中的五個電機和潤滑站中的工藝潤滑、設備潤滑兩個電機、加熱器等。

2 系統的硬件設計
控制系統包括兩部分，即控制部分和數據采集處理部分。控制部分采用西門子公司的S7-400系列PLC，并利用FM458作為高速模擬量控制器，與ET200組成ProfibusDP網，對分散的對象如操作臺的控制時減少接線。使用S7-300PLC作為從站對液壓站和潤滑站進行控制。利用S7-400系列的443-1完成S7-400主站與人機界面計算機的通訊，人機界面計算機位于操作臺上，采用西門子公司的觸摸屏，軟件為WinCCflexible。
主液壓缸位移的測量選用德國的MTS絕對值傳感器，左/右卷機的轉速測量選用雷恩增量編碼器，利用FM458控制器通過FM438-1擴展板上的絕對值和增量編碼器模塊讀取位移和轉速值，另外卷徑也是通過增量編碼器計算出來的。冷軋薄帶鋼在卷取時的張力是通過力傳感器檢測的。硬件配置見圖1所示。

圖1 控制系統硬件配

3 系統原理設計
首先慢速點動將原料帶鋼上卷，此時的主傳動電機和卷取電機都是由S7-400站上的FM458通過6RA70直流調速器來控制的，其反饋信號如電機的速度是由FM438上的增量編碼器檢測，電機電流有調速器提供。構成速度閉環和電流(即轉矩)閉環，同時通過力傳感器檢測到帶鋼的張力，完成力閉環控制。然后在觸摸屏上輸入工藝參數，如軋制的道次及相應的厚度值等。帶鋼的厚度控制是有MTS高精度位移傳感器檢測液壓缸的位置，通過FM438模板上的絕對值編碼器采集信號，經過PID算法后，輸出電壓值到高速伺服閥，從而完成對液壓缸的位置閉環控制。當軋輥需要大位移移動時，需要對壓下電機的控制來完成。
軋機在工作之前，液壓站要首先工作，即要將主泵和背壓泵打開，冷卻水泵打開，以降低油溫。將加熱器打開，使乳化液的溫度控制在50℃左右，打開攪拌電機時乳化液溫度均勻。打開工藝潤滑泵和設備潤滑泵。
乳化液的溫度控制是有S7-315 CPU，通過8通道模擬量輸入模塊7KF02檢測來自溫度變送器的溫度值，通過與設定值的比較，控制兩個加熱器的通和斷。當實際溫度與設定溫度相差較大時，兩個加熱器都打開，當實際溫度接近設定溫度的一個范圍內時，關掉一個加熱器。當軋機工作時，S7-315還要檢測乳化液出口處的壓力，并將壓力、溫度、液壓站濾油器的狀態等值通過Profibus-DP網發送到S7-400主站中的DB塊中，以便在HMI計算機上顯示，同時將速度、電流、張力等信號保存的數據庫中。

4 系統通訊設計
在控制系統中將S7-400設為主站，將S7-300設為從站，它們之間的地址映射關系見圖2和圖3。
●Mode:通訊模式，MS為主從方式的通訊模式。
●Partner DP Addr:DP通訊伙伴的地址。
●Partner Addr:通訊伙伴的輸入/輸出地址。
●Local Addr:本站的輸入/輸出地址(S7-300站的地址)。
●Length:連續的輸入/輸出地址區的長度為32個字節。
●Consistency:數據的連續性。

圖2 主、從站的地址映射關系

圖3 報警信號發送到主站

5 系統軟件設計
冷軋實驗機機組的控制軟件分為兩部分，一部分是軋機的邏輯控制，即由梯形圖或語句表編寫，另一部分是模擬量閉環控制，由CFC結構流圖編寫。液壓站部分的軟件都是由梯形圖或語句表編寫。
液壓站部分的軟件分為模擬量檢測，即乳化液溫度和壓力，溫度控制;邏輯控制。具體的子程序塊及其功能如下。
(1) 模擬量檢測及主從站通訊子程序:完成乳化液溫度、壓力的檢測，溫度控制，并將溫度、報警信號等，發送的S7-400主站，同時主站要對從站中控制乳化液的兩個閥進行控制。
(2) AGC及彎輥站邏輯控制子程序:完成對主、輔電機及其伴隨閥的邏輯控制。
(3) 水泵及攪拌器的邏輯控制子程序:完成液壓站的油溫控制，使其溫度保持在一定范圍內，按工藝要求完成攪拌器電機邏輯控制，使乳化液的溫度保持均勻。
(4) 工藝潤滑和設備潤滑站電機邏輯控制子程序
(5) 故障報警子程序:當液壓站油溫持續過高、濾油器堵塞、乳化液溫度不工藝在要求范圍內等，將產生報警信號。
(6) 公共子程序:公共子程序包括很多，如圖4、圖5、圖6示出了數據標。度變換、數據類型轉換、控制算法、數據處理等子程序。

圖4 標度變換子程序

圖5 溫度邏輯控制子程序

圖6 數據檢測子程序

6 結束語
該實驗軋機的控制系統采用了性能穩定穩定、抗干擾性強的西門子系列PLC，使整個設備的運行安全可靠，完全達到了設計要求，利用該設備承攬了與韓國一家公司的潤滑油性能研究的科研項目。該實驗機是具有自主知識產權的設備，得到了國家九八五自然科學基金的資助，在此基礎上我單位又與上海寶山鋼鐵公司上鋼一廠簽定研制一臺了同型號的實驗軋機。該設備是冷軋科研部門不可缺少的實驗手段。