人機界面與可編程控制器在冷帶連續加工機組中的結合應用
通過借鑒我國20世紀80年代從國外引進的寶鋼30萬噸熱鍍鋅機組自動化技術，并通過濟南鋼鐵公司20萬噸熱鍍鋅工程、張家港華達涂層有限公司15萬噸熱鍍鋅工程實例的對比、分析，提出目前國內冷帶連續加工機組自動化系統的合理配置方式，并闡述了人機界面技術和PLC技術在冷帶加工機組中的具體應用。
1 引言
由我院技術總承包、近期已順利投產的張家港華達涂層有限公司年產15萬熱鍍鋅板工程和我院目前為濟南鋼鐵公司技術總承包的年產20萬噸熱鍍鋅板工程，采用新型自動化系統配置模式，從根本上改進和簡化了自動化系統，目前張家港項目運行良好，濟鋼項目進展順利。
2 系統配置原則和方式
冷帶連續加工機組的過程控制系統一般按照工藝特點可以進行比較詳細的分類，如焊機控制、鋅鍋控制、加熱爐控制、輥涂控制、光整機控制等，但一般而言，冷帶連續加工機組(鍍鋅機組、彩色涂層機組還是退火機組等)其通用的過程控制系統均為傳動控制系統和與它關系密切的PLC系統再加上上位監控系統;20世紀80年代，寶鋼2030冷軋廠08鍍鋅機組(1850mm、年產30萬噸)的自動化系統根據當時自動化技術水平按照工藝區段方式共配置5臺西門子公司的S5-150KPLC和一臺上位工業控制機300-R30，屬當時國際先進水平，目前自動化技術與20世紀80年代相比，進步極大，沿襲2030冷軋廠帶鋼生產機組工藝分段配置自動化系統的傳統模式已不適應目前的自動化技術水平，表1為S7-400系列PLC、S7-300系列PLC與S5-150K系列PLC的技術性能對比;以表1技術性能對比為依據，通過分析，濟南鋼鐵公司20萬噸鍍鋅機組集成的自動化系統我們采用一塊S7-400主CPU:CPU416-2DP;張家港機組(年產15萬噸)采用一塊S7-300主CPU:S7-315-2DP，實踐證明，我們的系統配置模式完全滿足生產要求;可以有以下結論:目前國內大型鋼鐵企業年產在20萬噸左右的冷帶連續加工機組自動化系統，只需1臺S7-400主CPU就可以滿足生產要求，對于年產在15萬噸以下的中小機組只需要一臺S7-300主CPU:CPU315-2DP就完全可以滿足生產要求，這無疑極大地簡化了冷帶加工機組的自動化系統，使廣大用戶從中受益。
采用新型方式配置冷帶連續加工機組自動化系統的好處可以歸納如下:
(1)充分發揮CPU技術性能，淘汰按照工藝區段分配PLC的老模式，從根本上簡化自動化系統結構，降低設備投資。
(2)充分采用現場通訊總線技術和遠程I/O單元，從而大量節省輸入/輸出點和施工電纜，降低投資費用。
(3)充分采用現代HMI技術，省卻大量操作按鈕、指示燈和顯示儀表，從而提高自動化生產的操作和管理水平，使操作更加人性化和簡約化。
3 系統組成及功能
冷帶連續加工機組自動化系統構成方式為:基礎傳動+PLC+上位監控;PLC(主CPU、遠程I/O站)、HMI、傳動系統之間通過PROFIBUS-DP網絡進行信息交換。
3.1上位機監控系統組成及功能
監控系統通過PROFIBUS-DP總線與PLC主CPU連接，接受和采集原料、生產過程、產品有關信息，實現生產管理人員-設備-原料-產品之間的信息交換，對機組的正常生產和產品進行自動化管理;通過網絡，把工藝參數設定值和對電氣設備的操作從人-機界面接口傳送到PLC，把機組的狀態、電氣參數及故障由PLC收集送到人-機接口的CRT顯示器上;我院目前為濟南鋼鐵公司技術總承包的20萬噸熱鍍鋅板工程上位監控系統采用WinCC組態技術對整個機組運行狀態進行監控。
上位監控系統軟件功能如下:
(1)原料數據(板材寬度、厚度、鋼卷編號等)，過程數據(機組各段張力、機組速度)，產品數據(鋼卷卷號、卷重、卷徑、焊縫位置等)的自動生成、存儲和修改，將自動生成的配方工藝參數下載到PLC。
(2)所有生產技術數據的匯總、存儲、打印;
(3)各主要工藝設備狀態顯示;(4)在人-機界面上或者在操作臺上對上述生產技術數據進行人工干預;
(4)加熱爐的溫度顯示、運行狀態監視、故障報警;
3.2 PLC系統組成及功能
以濟南20萬噸熱鍍鋅項目為例，PLC系統采用西門子公司S7-400系列PLC，主CPU采用S7-416-2DP，遠程I/O采用ET200，由CPU、存儲單元、電源模板、通訊模板、輸入/輸出模板、高速計數模板、中繼器等組成，PLC與分布式I／O及傳動系統采用Profibus-DP網。具體配置見表3。PLC控制系統主要完成加工線工藝功能的控制，根據工藝需要完成區段速度設定、張力設定、活套控制、邏輯控制、監測和報警、與上位機進行通訊等控制功能;在三個操作臺(入口操作臺、工藝操作臺、出口操作臺)上分別設有模塊化I/O單元，由通訊電纜匯總到PLC系統，為提高系統可靠性，PLC與各自的遠程I/O站之間的通訊、PLC與調速傳動裝置之間采用獨立通訊網絡，PLC把設定參數和控制指令傳送到終端和各調速傳動系統，并收集各調速傳動系統的狀態和電氣參數送到人-機接口的CRT上顯示。
4 PLC軟件功能
冷帶連續加工機組的PLC軟件主要是焊縫跟蹤任務，包括自動剎車、慢速定位和緊急剎車;焊縫跟蹤任務是靠現場遠程I/O站信號通過ProfiBUS-DP與S7-400主CPU通訊，依據編制好的過程控制軟件完成，它的任務主要包括:
(1)根據帶鋼焊縫在機組的位置實現機組的自動剎車
a)開卷機的自動甩尾剎車。
b)入口活套/出口活套的自動剎車。
c)卷取機的自動剎車。
d)拉矯機的輥道自動開/閉。
(2)根據焊縫位置實現機組的慢速定位
a)入口上/下通道帶頭在焊機處的慢速定位。
b)入口上/下通道在助卷器和夾送輥兩種方式下的穿帶。
c)入口/出口側剪刀處的帶鋼定位。
d)焊縫的自動打孔。
e)根據焊縫位置計算帶長。
(3)機組的緊急剎車
a)傳動設備故障的機組緊急剎車。
b)斷帶故障的緊急剎車。
(4)4個程序模塊
上述所有工藝要求的控制功能其軟件核心為4個程序模塊，根據需要分別在自動剎車、慢速定位和緊急剎車過程中調用，它們是:
a)狀態控制模塊MDCT01。
b)張力調節模塊TEAD01。
c)定位模塊POSI01。
d)自動剎車模塊AUBK01。
定位模塊POSI01、自動剎車模塊AUBK01的功能主要是接受來自現場狀態控制點的狀態，并且根據狀態控制點狀態去觸發或者調用狀態控制模塊MDCT01和張力調節模塊TEAD01的不同設定值程序,它們附屬于張力調節模塊和狀態控制模塊，主要是開關順序連鎖和通／斷關系;狀態控制模塊MDCT01和張力調節模TEAD01的主要功能是速度-張力的設定。
狀態控制模塊MDCT01和張力調節模塊TEAD01按照機組工作狀態的不同可以分為目標速度非“0”狀態的生產請求和目標速度為“0”生產請求兩種基本情況;
(5)目標速度非“0”狀態的生產請求，可以分為兩種情況:
a)初始速度為“0”，既生產線為停止狀態，這種情況下，首先要進入張力準備階段，根據工藝要求進行張力預選，接通張力，建立靜態張力，其次是張力調節階段，建立該運行區所有設備的工作張力，并且對張力的建立和調節進行確認和檢查，在確認和檢查無誤的情況下，進入速度調節階段，經過一定時間Δt(如出口段為4秒、工藝段為3秒、出口段為6秒)檢查速度不為“0”，說明請求實現，具體張力-速度請求-確認曲線模型如圖3所示。
b)初始速度不為“0”，既生產線為正常生產狀態，這種情況下，所有張力均已存在，各段張力均為正常生產值，此時，可以直接進行速度調節，具體張力-速度曲線模型如圖4所示。
目標速度為“0”，這種請求是實現目標速度為“0”的狀態，具體張力-速度曲線模型如圖5所示。
可以知道，當速度為“0”后大約0.7秒，取消工作張力，建立靜態張力，若沒有外部中斷請求，那么在大約900s之后，系統自動取消靜態張力，張力值“0”。
鍍鋅機組入口段軟件功能框圖，整個框圖基本包括狀態控制模塊MDCT01、張力調節模塊TEAD01、定位模塊POSI01和自動剎車模塊AUBK01。
冷帶連續加工機組的PLC控制程序編制，應該注意以下情況:
a)現場執行元件的可靠性直接關系到自動化系統的穩定運行，傳動電機、抱閘和限位開關、光電檢測在自動化系統中具有同樣的重要性，機組的連續性生產和限位開關這樣小的元件密切相關。
b)冷帶連續加工線自動化系統控制的主要設備是輥系設備，主要參數是張力-加速度-速度-位置這樣四個力學參數，其控制過程屬于剛性物料輸送過程，其前后聯系非常緊密，單體設備之間相關性極大，在控制精度上有一定要求，否則會出現斷帶、拉帶、堆帶或者機組振蕩故障現象。c)冷帶連續加工線自動化系統的硬件結構應合理采用遠程I/O和總線通訊方式，軟件結構上應該按照程序模塊把所有開關量信號與張力-加速度-速度-位置參數有機地整合在一起，否則，機組靜態張力、穿帶張力、工作張力、入口/出口活套充/放套等工作狀態很可能會出現意想不到的故障。
5 結束語
目前，由我院承擔的我國國內所有冷帶連續加工機組的自動化系統運行均非常穩定、可靠，這和我們多年吸收、借鑒我國花巨資從國外引進的同類機組自動化技術、不斷跟蹤自動化技術發展趨勢是分不開的，我們的工作為我院和廣大用戶創造了良好的經濟效益和社會效益。
1 引言
由我院技術總承包、近期已順利投產的張家港華達涂層有限公司年產15萬熱鍍鋅板工程和我院目前為濟南鋼鐵公司技術總承包的年產20萬噸熱鍍鋅板工程，采用新型自動化系統配置模式，從根本上改進和簡化了自動化系統，目前張家港項目運行良好，濟鋼項目進展順利。
2 系統配置原則和方式
冷帶連續加工機組的過程控制系統一般按照工藝特點可以進行比較詳細的分類，如焊機控制、鋅鍋控制、加熱爐控制、輥涂控制、光整機控制等，但一般而言，冷帶連續加工機組(鍍鋅機組、彩色涂層機組還是退火機組等)其通用的過程控制系統均為傳動控制系統和與它關系密切的PLC系統再加上上位監控系統;20世紀80年代，寶鋼2030冷軋廠08鍍鋅機組(1850mm、年產30萬噸)的自動化系統根據當時自動化技術水平按照工藝區段方式共配置5臺西門子公司的S5-150KPLC和一臺上位工業控制機300-R30，屬當時國際先進水平，目前自動化技術與20世紀80年代相比，進步極大，沿襲2030冷軋廠帶鋼生產機組工藝分段配置自動化系統的傳統模式已不適應目前的自動化技術水平，表1為S7-400系列PLC、S7-300系列PLC與S5-150K系列PLC的技術性能對比;以表1技術性能對比為依據，通過分析，濟南鋼鐵公司20萬噸鍍鋅機組集成的自動化系統我們采用一塊S7-400主CPU:CPU416-2DP;張家港機組(年產15萬噸)采用一塊S7-300主CPU:S7-315-2DP，實踐證明，我們的系統配置模式完全滿足生產要求;可以有以下結論:目前國內大型鋼鐵企業年產在20萬噸左右的冷帶連續加工機組自動化系統，只需1臺S7-400主CPU就可以滿足生產要求，對于年產在15萬噸以下的中小機組只需要一臺S7-300主CPU:CPU315-2DP就完全可以滿足生產要求，這無疑極大地簡化了冷帶加工機組的自動化系統，使廣大用戶從中受益。
采用新型方式配置冷帶連續加工機組自動化系統的好處可以歸納如下:
(1)充分發揮CPU技術性能，淘汰按照工藝區段分配PLC的老模式，從根本上簡化自動化系統結構，降低設備投資。
(2)充分采用現場通訊總線技術和遠程I/O單元，從而大量節省輸入/輸出點和施工電纜，降低投資費用。
(3)充分采用現代HMI技術，省卻大量操作按鈕、指示燈和顯示儀表，從而提高自動化生產的操作和管理水平，使操作更加人性化和簡約化。
3 系統組成及功能
冷帶連續加工機組自動化系統構成方式為:基礎傳動+PLC+上位監控;PLC(主CPU、遠程I/O站)、HMI、傳動系統之間通過PROFIBUS-DP網絡進行信息交換。
3.1上位機監控系統組成及功能
監控系統通過PROFIBUS-DP總線與PLC主CPU連接，接受和采集原料、生產過程、產品有關信息，實現生產管理人員-設備-原料-產品之間的信息交換，對機組的正常生產和產品進行自動化管理;通過網絡，把工藝參數設定值和對電氣設備的操作從人-機界面接口傳送到PLC，把機組的狀態、電氣參數及故障由PLC收集送到人-機接口的CRT顯示器上;我院目前為濟南鋼鐵公司技術總承包的20萬噸熱鍍鋅板工程上位監控系統采用WinCC組態技術對整個機組運行狀態進行監控。
上位監控系統軟件功能如下:
(1)原料數據(板材寬度、厚度、鋼卷編號等)，過程數據(機組各段張力、機組速度)，產品數據(鋼卷卷號、卷重、卷徑、焊縫位置等)的自動生成、存儲和修改，將自動生成的配方工藝參數下載到PLC。
(2)所有生產技術數據的匯總、存儲、打印;
(3)各主要工藝設備狀態顯示;(4)在人-機界面上或者在操作臺上對上述生產技術數據進行人工干預;
(4)加熱爐的溫度顯示、運行狀態監視、故障報警;
3.2 PLC系統組成及功能
以濟南20萬噸熱鍍鋅項目為例，PLC系統采用西門子公司S7-400系列PLC，主CPU采用S7-416-2DP，遠程I/O采用ET200，由CPU、存儲單元、電源模板、通訊模板、輸入/輸出模板、高速計數模板、中繼器等組成，PLC與分布式I／O及傳動系統采用Profibus-DP網。具體配置見表3。PLC控制系統主要完成加工線工藝功能的控制，根據工藝需要完成區段速度設定、張力設定、活套控制、邏輯控制、監測和報警、與上位機進行通訊等控制功能;在三個操作臺(入口操作臺、工藝操作臺、出口操作臺)上分別設有模塊化I/O單元，由通訊電纜匯總到PLC系統，為提高系統可靠性，PLC與各自的遠程I/O站之間的通訊、PLC與調速傳動裝置之間采用獨立通訊網絡，PLC把設定參數和控制指令傳送到終端和各調速傳動系統，并收集各調速傳動系統的狀態和電氣參數送到人-機接口的CRT上顯示。
4 PLC軟件功能
冷帶連續加工機組的PLC軟件主要是焊縫跟蹤任務，包括自動剎車、慢速定位和緊急剎車;焊縫跟蹤任務是靠現場遠程I/O站信號通過ProfiBUS-DP與S7-400主CPU通訊，依據編制好的過程控制軟件完成，它的任務主要包括:
(1)根據帶鋼焊縫在機組的位置實現機組的自動剎車
a)開卷機的自動甩尾剎車。
b)入口活套/出口活套的自動剎車。
c)卷取機的自動剎車。
d)拉矯機的輥道自動開/閉。
(2)根據焊縫位置實現機組的慢速定位
a)入口上/下通道帶頭在焊機處的慢速定位。
b)入口上/下通道在助卷器和夾送輥兩種方式下的穿帶。
c)入口/出口側剪刀處的帶鋼定位。
d)焊縫的自動打孔。
e)根據焊縫位置計算帶長。
(3)機組的緊急剎車
a)傳動設備故障的機組緊急剎車。
b)斷帶故障的緊急剎車。
(4)4個程序模塊
上述所有工藝要求的控制功能其軟件核心為4個程序模塊，根據需要分別在自動剎車、慢速定位和緊急剎車過程中調用，它們是:
a)狀態控制模塊MDCT01。
b)張力調節模塊TEAD01。
c)定位模塊POSI01。
d)自動剎車模塊AUBK01。
定位模塊POSI01、自動剎車模塊AUBK01的功能主要是接受來自現場狀態控制點的狀態，并且根據狀態控制點狀態去觸發或者調用狀態控制模塊MDCT01和張力調節模塊TEAD01的不同設定值程序,它們附屬于張力調節模塊和狀態控制模塊，主要是開關順序連鎖和通／斷關系;狀態控制模塊MDCT01和張力調節模TEAD01的主要功能是速度-張力的設定。
狀態控制模塊MDCT01和張力調節模塊TEAD01按照機組工作狀態的不同可以分為目標速度非“0”狀態的生產請求和目標速度為“0”生產請求兩種基本情況;
(5)目標速度非“0”狀態的生產請求，可以分為兩種情況:
a)初始速度為“0”，既生產線為停止狀態，這種情況下，首先要進入張力準備階段，根據工藝要求進行張力預選，接通張力，建立靜態張力，其次是張力調節階段，建立該運行區所有設備的工作張力，并且對張力的建立和調節進行確認和檢查，在確認和檢查無誤的情況下，進入速度調節階段，經過一定時間Δt(如出口段為4秒、工藝段為3秒、出口段為6秒)檢查速度不為“0”，說明請求實現，具體張力-速度請求-確認曲線模型如圖3所示。
b)初始速度不為“0”，既生產線為正常生產狀態，這種情況下，所有張力均已存在，各段張力均為正常生產值，此時，可以直接進行速度調節，具體張力-速度曲線模型如圖4所示。
目標速度為“0”，這種請求是實現目標速度為“0”的狀態，具體張力-速度曲線模型如圖5所示。
可以知道，當速度為“0”后大約0.7秒，取消工作張力，建立靜態張力，若沒有外部中斷請求，那么在大約900s之后，系統自動取消靜態張力，張力值“0”。
鍍鋅機組入口段軟件功能框圖，整個框圖基本包括狀態控制模塊MDCT01、張力調節模塊TEAD01、定位模塊POSI01和自動剎車模塊AUBK01。
冷帶連續加工機組的PLC控制程序編制，應該注意以下情況:
a)現場執行元件的可靠性直接關系到自動化系統的穩定運行，傳動電機、抱閘和限位開關、光電檢測在自動化系統中具有同樣的重要性，機組的連續性生產和限位開關這樣小的元件密切相關。
b)冷帶連續加工線自動化系統控制的主要設備是輥系設備，主要參數是張力-加速度-速度-位置這樣四個力學參數，其控制過程屬于剛性物料輸送過程，其前后聯系非常緊密，單體設備之間相關性極大，在控制精度上有一定要求，否則會出現斷帶、拉帶、堆帶或者機組振蕩故障現象。c)冷帶連續加工線自動化系統的硬件結構應合理采用遠程I/O和總線通訊方式，軟件結構上應該按照程序模塊把所有開關量信號與張力-加速度-速度-位置參數有機地整合在一起，否則，機組靜態張力、穿帶張力、工作張力、入口/出口活套充/放套等工作狀態很可能會出現意想不到的故障。
5 結束語
目前，由我院承擔的我國國內所有冷帶連續加工機組的自動化系統運行均非常穩定、可靠，這和我們多年吸收、借鑒我國花巨資從國外引進的同類機組自動化技術、不斷跟蹤自動化技術發展趨勢是分不開的，我們的工作為我院和廣大用戶創造了良好的經濟效益和社會效益。
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