5000t鎳及鎳合金軋制生產線控制系統的設計

張天紅，劉 軍，胡廣平

（金川集團公司鎳鈷研究設計院，甘肅金昌737100）

1 引言

5000t鎳及鎳合金線材、棒材軋制生產線產品以Φ7-Φ12mm線材盤園和Φ14-Φ30mm棒材為主，品種為純鎳、電阻電熱合金、鎳鐵合金、膨脹合金、軟磁合金、高溫合金、耐蝕合金、不銹鋼，設計年生產能力5000t，產品精度不低于±0.3mm。

2 主要工藝設備及系統配置

2.1 工藝設備

軋線的主題設備包括：粗軋機Φ450×1；一中軋機組Φ350×6；二中軋機組Φ300×6；線材預精軋機組Φ285×2；精軋機組Φ230×4；加熱爐周圍輔助設備；熱剪；兩臺飛剪機；活套器；步進式冷床；冷剪；線材卷取機；升降臺和輥道等。

2.2 自動控制系統配置

PLC控制系統采用當今國際主流產品S7-400和S7-300，軋機主傳動采用以直流傳動6RA70為核心的直流傳動單元，輔助傳動調速部分采用ACS800變頻器，MCC柜、控制柜以及操作臺的電氣元件均采用國際國內知名品牌。

2.3 設備網絡組態

控制系統是由基礎自動化級和過程自動化級組成。基礎自動化級由S7系列PLC系統組成，PLC之間通過以太網實現數據交換，Ethernet網上掛有工業PC作為人機接口，完成對軋線的監控，PLC與傳動系統之間采用Profibus-DP網絡通訊，提高了整個系統的響應速度；過程自動化級由高檔微機組成，完成對軋制過程的生產管理、過程數據監控、軋制程序存儲及調用、各類狀態報警、軋件跟蹤、生產報表編制打印等功能。控制系統網絡圖如圖1所示。

3 控制系統設計

控制系統軟件主要由兩部分組成：上位組態軟件采用 WinCC V6.2；下位 PLC編程軟件則是Step-7。

3.1 Step7 簡介

Step7是用于Simatic S7-300／400站創建可編程邏輯控制程序的標準軟件，可使用梯形邏輯、功能塊或語句表等三種方法編程。包括了以下工程工具：LAD梯形邏輯圖、FBD功能塊圖、STL語句表、S7-SCL類Pasical高級語言；S7-Graph順序功能圖、S7-Plcsim仿真軟件。

圖1 控制系統網絡圖

Step7編程軟件用于對PLC硬件組態和網絡組態以及程序編制，可在Win2000／WinXP平臺下使用，并且采用了集成的全局數據管理和統一的Simatic程序管理器組態工具，在Simatic程序管理器下，可以將Step7和組態軟件WinCCFlexible集成在一起，這樣在Step7中符號變量表一旦建立，就可以在觸摸屏組態中引用，可大大提高工作效率。

S7-Plcsim仿真軟件可以對用戶程序進行離線功能測試，通過接口S7-Plcsim還可以和其Windows應用程序之間進行過程值交換，為此，可以在早期開發階段進行參數錯誤識別和排除，有利于后期調試更加順利地進行。軟硬件組態原理圖如圖2所示。

圖2 軟硬件組態原理圖

3.2 下位控制程序

下位控制程序是該系統的重要組成部分，整條生產線各個設備的起停、參數設定、數據采集和處理以及設備之間的連鎖保護等都由其完成。

1號PLC為S7-400，負責控制連軋區18臺軋機、2臺飛剪、熱剪以及聯軋前輥道電機；

2號PLC為S7-300，負責控制粗軋區各設備，包括出鋼機、推鋼機、粗軋機以及各輥道電機；

3號PLC為S7-300，負責控制棒材精整區和線材精整區，包括冷床、冷剪、卷曲機、翻卷機以及各輥道電機等。

連軋區硬件網絡結構如圖3所示。

因為LAD梯形邏輯圖、FBD功能塊圖、STL語句表各有優缺點，所以編程的過程中三種編程方式混合使用。例如在控制設備時采用梯形圖編程，如圖4所示，其中用到SR觸發器來進行對冷剪剪切過程的控制，而在一些表達算法或者公式的計算中則采用語句表編程，1H軋機軋輥轉速計算的STL語句如圖5所示。

圖3 連軋區硬件網絡結構

圖4 冷剪聯動剪切控制中的部分程序（梯形圖編程）

圖5 1H軋機軋輥轉速計算（STL語句）

3.3 WinCC 人機界面

WinCC是在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業技術核心系統。它提供了適用于工業現場的圖形顯示、消息報告、歸檔以及報表的功能模版。高性能的過程耦合、快速的畫面更新以及可靠的數據傳輸使其具有很強的實用性。

WinCC擁有先進人機界面產品的所有功能，其集成的功能包括：①WinCC瀏覽器：快速訪問所有工程數據和全局設定的中心項目管理器；②圖形系統編輯器：用于自由地組態畫面，并完全通過圖形對象進行操作，圖形對象具有動態屬性并可對屬性進行在線組態；③報警信息系統：記錄和存儲事件并予以顯示，可自由選擇信息分類、信息顯示和報表，操作非常簡便；④變量存檔：接收、記錄和壓縮測量值，用于曲線和圖表顯示及進一步的編輯功能；⑤報表系統：通過控制屬性，可以準確選擇需要在報表中顯示的圖片、變量、組態信息、組態的測量值的歸檔；⑥數據處理：對圖形對象的動作VB腳本；⑦標準接口：通過ODBC、OPC訪問用于組態和過程數據的數據庫。

除了這些系統功能外，WinCC還提供了開放的界面便于用戶解決方案。這使得將WinCC集成為復雜、廣泛的自動控制解決方案成為可能。可以集成通過ODBC和SQL方式的歸檔數據訪問，以及通過OLE2.0和ActiveX控件的對象和文檔的鏈接。這些機制使WinCC成為Windows世界中性能卓越、善于溝通的伙伴。

3.4 上位畫面組態

在WinCC畫面設計上，需要考慮顯示各個設備的運行參數和設備運行狀態，操作員可以進行數據設定和策略選擇。另外，在WinCC中還需要做出事件及報警記錄、趨勢圖等。

5000t鎳及鎳合金軋制線工藝流程大致可以分為四部分，依次為：粗軋區、連軋區、棒材精整區、線材精整區。所以，根據工藝流程，畫面也分為以上四個部分，其中連軋區為實際生產中主要顯示畫面。

控制畫面用彈出窗口的形式表達，例如點開一個電機啟動畫面后，點另外一個電機啟動畫面，前一個畫面需要自動關閉來方便操作工操作，所以用動態范圍的變化來完成此項功能。如圖6所示，點擊紅色箭頭出現圖7畫面，然后根據建立的一個變量“棒材操作”，隨著該變量的變化，調用不同的控制畫面，顯示不同的標題，其控制窗口畫面位置也可以隨其變化。

圖6 棒材區畫面窗口1屬性設定

WinCC作為一款強大的圖形控制軟件，它提供了多種動作生成的方法，我們可以根據各自習慣和熟悉程度來方便地實現自己的控制要求。大致分為三類：①用WinCC提供的固定連接格式來建立變量和設備之間的動作連接，由于已經成形，所以WinCC提供的固定連接的方式也很強大，很多動作的要求可以直接通過簡單的連接變量來實現；②用C語言寫腳本來控制變量，實現動作要求這種方法需要一定的C語言基礎，但是它的實現比第一種更為強大，我們可以根據自己的要求隨意改變程序來實現各種復雜的控制動作和要求；③用VB語言編程生成腳本來生成相應的動作，這種方法和C語言類似。

圖7 動態范圍相關設定

棒材區一個畫面里面的參數如圖8所示，顯示多臺電機實際數值，通過C語言實現操作某臺電機便調用該電機相應參數的功能。

圖8 用C語言調用變頻參數

WinCC還提供了開放的界面用于用戶解決方案，所以由于其在動畫方面的效果不太理想，所以在這個項目畫面的設計中我們引入了一個第三方控件anigif.ocx，將該控件注冊到WinCC畫面編輯器的控件中，可以實現對gif動態圖片的支持，所以在軋機轉動以及輥道滾動上能達到較滿意的效果。因為做gif的動態圖可以通過其他很多圖形處理的軟件實現，所以只要用外部一些圖形軟件組合做成效果逼真的動態gif圖片，然后通過anigif.ocx控件將其添加到所需要的畫面中，則可以取得良好的動態效果。控件的屬性編輯窗口如圖9所示，在Properties菜單下可以設置例如速度、正反轉以及填充大小等。

圖9 anigif控件屬性編輯窗口

4 結束語

5000t鎳及鎳合金線棒材軋制生產線是我國第一條關于鎳及鎳合金的軋制生產線，它的運營實現對于我國有色金屬深加工領域有著極其重要的意義，而這套自動化控制系統的設計是控制其正常生產的關鍵，起著非常重要的作用。此生產線的成功投用將為國內有色金屬深加工行業開辟了一條嶄新的道路，為全國有色金屬加工領域樹立了一個很好的榜樣。

［1］丁修堃.軋制過程自動化［M］.冶金工業出版社，2006.

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［4］鄭申白，曾慶亮，李子林.軋制過程自動化基礎［M］.冶金工業出版社，2006.

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