PLC在武鋼滾焊機系統中的應用

【摘要】
　　在武鋼硅鋼廠滾焊機電氣改造中應用PLC組成兩級監控系統，它具有完善的故障處理功能。本文簡要介紹了生產工藝流程及主要控制功能的實現，著重論述了PLC在系統中的功能及其軟、硬件的設計方法。系統投入運行后取得了良好的經濟效益。
　　
　　【關鍵詞】
　　滾焊機；PLC；通信；狀態設計法
　　
　　　　武鋼硅鋼廠在生產硅鋼帶時，為連續生產，用滾焊機將前后兩卷鋼帶首尾焊接，生產工藝完成后，再由剪切機切割分開，以提高生產效率。該廠的滾焊機系統是70年代從日本全套引進的，經過20多年的長期運行，電氣設備老化嚴重，動作可靠性差，嚴重影響正常生產。在對其電控系統的技術改造中，用先進的PLC控制取代繼電器邏輯控制，添加通信功能，實時顯示各主體設備的狀態變化及故障報警畫面，組成控制、監管相結合的一體化系統。
　　
　　1生產工藝簡介
　　　　焊接時，兩卷鋼帶首尾搭接，在接觸面流通強電流，接觸電阻及金屬固有電阻產生電阻熱，使焊接接點溫度達到金屬可熔化的適當溫度，同時對其加壓使之接合。
　　　　鋼帶焊接生產工藝如圖1所示。主要由鋼帶搭接定位、壓緊，鋼帶焊接，焊接復位、作業線運行三個階段組成。簡介如下。
　　　　運行中的先行帶經鋼帶檢測器檢測到末端時，停止在下部電極上→擋板下降→后行帶前進至擋板位置與先行帶搭接→導輥下降→壓板下降→電極下降→小車前進。
　　　　鋼帶檢測器、電極輪及其升降裝置搭載在小車上，小車前進到鋼帶上方時，鋼帶檢測開關由OFF→ON，使電極通電開始焊接。焊接電流的傳導方向為：焊接變壓器→電極輪1→焊接鋼帶→下部電極→電極輪2→焊接變壓器。當焊接到鋼帶邊沿時，鋼帶檢測開關變為OFF而使焊接停止。
　　

　　　　小車前進到“前進極限點”停止→沖頭下降，延時0.5S后自動上升→電極、擋板、壓板依次上升→剝離器上升，使鋼帶脫離下部電極，延時2S后剝離器下降→導輥上升。
　　　　以上過程即完成一個單程焊接。為加固兩帶焊接，通常需來回焊接兩次，即再增加一次后退焊接。當需后退焊接時，先將兩鋼帶重合部向前移動一段（但不得偏離下部電極），再按以上次序將焊機各裝置重復動作一次，所不同的是小車此次為后退運行，并后退到“原位置”停止。此時啟動作業線又可循環運行。
　　
　　2系統硬件配置
　　　　根據生產工藝，采用典型的兩級監控方式。上位機為生產管理級，完成對下位機的監控、生產操作管理等，主要面向操作人員；下位機為基礎測控級，完成生產現場的數據采集及過程控制等，面向生產過程。
　　　　上位機選用國內廣泛應用的研華IPC-610工控機，配有PIII處理器、64MB內存，具有較高性價比。因現場通信距離較遠，配置一塊RS422/485通信卡，用雙絞線將其串口與PLC通信模塊（AJ71UC24）RS422端口相連，以串行通信方式完成二級間通信，實現監控焊接過程。上位機RS232口經適配器（SC-09）轉換與PLC CPU模塊連接，用于對PLC控制軟件的編程。
　　　　鋼帶生產現場噪聲干擾及環境污染嚴重。我們選作主控單元的三菱公司A2A系列PLC，采用模塊式結構，可靠性高，配置靈活，且具有良好的環境適應性和抗干擾能力；使用簡單，只需相應外設或編程軟件包（如MEDOC），即可完成控制程序的編寫。它負責焊接工藝的電氣邏輯控制，包括各焊接設備的狀態檢測、鋼帶檢測；執行邏輯、算術運算；輸出執行指令，完成小車前后運行、焊接啟停、各電磁閥及狀態過程等的控制。PLC控制系統硬件配置如圖2所示。
　　

　　
　　3 系統優化及功能實現
　　　　系統設有自動/手動2種控制方式，由選擇開關轉換。由于鋼帶搭接定位時的不確定性，故以手動操作為主要控制方式。自動方式僅在手動操作將鋼帶搭接定位、壓緊后，才自動按預定邏輯順序運行。當系統發生緊急故障時，按急停按鈕可終止當前所有設備運行；當設備出現故障或工藝參數不正常時，由PLC啟動燈光及蜂鳴器報警，且僅當故障排除后，才能有效通過按鈕使報警復位。焊機設備工作時，PLC控制主電控柜上的對應狀態指示燈亮，上位機模擬顯示現場各機電設備的動作，方便了中控室操作員對整個工藝流程的監視。
　　　　調節焊接電流和小車速度，可有效焊接不同板厚（0.28~0.9mm）鋼帶。小車驅動裝置由變頻調速器、控制電機、皮帶及進給絲桿構成。工作時，變頻調速器啟動電機，經皮帶傳動進給絲桿，驅動小車前后移動，移動到前后極限點即停。通過設定變頻調速器輸出頻率的上下限及調整速度調節器，可實現小車速度在要求范圍內（6~12m/min）連續調節。
　　　　焊接電流與焊縫質量直接相關。焊接電流回路主要由晶閘管、電流監視器及焊接變壓器3部分組成。在焊接變壓器前串聯了一套交流調壓裝置，控制晶閘管門極導通角，調節焊接電壓值，即可控制焊接電流。由于晶閘管工作時電流較大（瞬間可達800A），易發熱致損，為此設有循環冷卻水路。對系統的氣路、水路、焊接電流主回路中的電流平衡、晶閘管異常等都設有檢測保護開關。各檢測信號串聯，作為PLC啟動焊接的聯鎖條件，保證系統在正常條件下工作。
　　為提高系統的可靠性，還作了如下優化設計：
　　　　（1）控制電機選用具有先進抱閘技術的進口日立電機，它動態性能好，啟動平穩，轉矩大，停止反應迅速、準確，有效克服了原電機因反應滯后而產生的誤動作。
　　　　（2）先行鋼帶檢測由接近開關改為光電開關。由于鋼帶在運行中經常產生顫動而摩擦到接近開關，使其致損失靈。改用可遠距離檢測的光電開關后，隱患消除。
　　　　（3）對電極、壓板、擋板、導輥及剝離器等動作的檢測由限位開關改為接近開關。由于接近開關的非接觸性檢測，有效克服了氣缸因氣壓不穩等因素對檢測開關的沖撞。
　　　　（4）為抑制電源及變頻調速器對PLC控制系統的噪聲干擾，采用線路濾波器、隔離變壓器及分離開關單獨供電。線路濾波器安裝時盡量靠近PLC電源，用最短的雙絞線連接，且將其輸入、輸出線的配線分開；變頻調速器及其配置的濾波器盡量置于柜體底部，縮短柜內線段，濾波器的外殼接地。
　　　　（5）對檢測開關、PLC的I/O信號采用專用的24V凈化電源，提高信號線路的抗干擾能力及整套設備的電磁兼容性。
　　　　（6）采取合理的配線方式。控制線路、電源線路和信號線路分別獨立配線，而且相互間保持一定距離，設法避免長距離平行配線，采取垂直交叉走線方式，以及輸入、輸出信號線分槽布置。對速度調節、時間設定等模擬信號采用雙絞屏蔽電纜傳送，并將信號線屏蔽層一端可靠接地。
　　
　　4系統軟件設計
　　4.1 PLC軟件設計
　　　　采用狀態設計法編制控制程序梯形圖。狀態設計法就是根據具體對象的運動狀態分配中間變量作標記，然后針對各個狀態給予實際控制的設計方法。其關鍵是確定系統在工藝流程中的狀態及狀態轉化的條件，分析系統的狀態必須充分考慮各種情況。在本系統軟件設計中，首先按工藝流程對焊機各運行狀態（如擋板下降、導輥上升、小車前進、焊接開始等）分配中間變量；然后確定各狀態的先后次序及聯鎖關系；明確系統所要涉及到的輸入、輸出量，畫出PLC各輸出信號與輸入信號的邏輯關系；再由邏輯關系轉化為梯形圖。該程序分別由鋼帶定位、小車控制、過程監控、故障診斷等控制程序組成，采用狀態設計法編制后，梯形圖程序流程有序、邏輯清晰。鋼帶焊接過程時間雖短，但條件多，動作復雜，為此，將系統的運行和故障聯鎖等全部由PLC控制，以提高系統的可靠性；在軟件設計中適當添加聯鎖條件，使各動作間嚴格確保相互約束或定時關系；建立合適的狀態標志位，如對焊機的“焊接完了”、“小車前后條件”、“故障停機”等建立標志位，并準確應用于各控制狀態的設計中；設置識別及處理故障的能力，對系統中的冷卻水、空壓及變頻器等異常采用延時確認方式。
　　
　　4.2上位機軟件設計
　　　　上位機監控軟件以中文Windows98作操作系統，選用Intellution公司的Fix6.1編程，該組態軟件具有較高的穩定性和兼容性，直觀的圖形界面便于操作人員學習和使用。監控軟件與PLC的通信采用三菱PLC的MultiLink協議，波特率為19.2Kb/s，8位數據位，端口設為COM3。采用模塊化結構方式編制，用以完成計算機通信硬件參數的初始化和PLC通信數據的格式定義，實現兩極間的通信管理：包括PLC發送數據的接收、校驗和譯碼；對PLC內存單元數據的實時采集、處理，在屏幕上以抽象圖形模擬顯示現場各機電設備的運行狀態，反映系統各電氣信號的數據變化；根據實際控制需要，向PLC內存寫入新的數據，下發命令給CPU。當焊機出現故障時，除聲音報警外，還動態顯示故障點，并提供故障原因及解決措施的查詢畫面。若需要進一步查明設備的工作狀態，軟件的高級管理部分給出了PLC程序實時運行時的梯形圖，通過在線監視映象PLC I/O點的位軟元件的開/斷狀態，來確認對應外部設備的動作是否到位、PLC輸入輸出點與程序內部各點是否一致，從而給操作人員提供了更直接的故障探查手段，以迅速確定故障點。在進入高級管理畫面前設有口令管理，使合法操作員才可進入對PLC的監視。通過訪問高級管理，可拋開PLC編程軟件的監控，有效防止運行MEDOC對PLC可能產生的誤操作。具體監控程序框圖見圖3。
　　
　　5結束語
　　　　滾焊機采用PLC控制后，大大簡化了復雜的繼電器邏輯，提高了系統的可靠性；操作簡單，運行穩定，焊接效果良好，圓滿地完成了用戶提出的控制要求。運行近一年來，保持零故障，經濟效益和社會效益顯著。
　　
　　
　　[作者簡介]肖麟芬（1971—），男（漢），江西吉水人，工程師，主要從事自動化技術的研究和應用工作。