PLC在鋸切軋件中的應用

郭東旭

煙臺南山學院自動化工程學院，山東龍口 265713

1 工藝流程簡介

鋸切是在軋鋼過程中的一個收尾環節。首先鋼坯由入爐輥道經過上料臺送入步進式加熱爐。加熱爐采用煤氣作為燃料。根據坯料的性能、種類要求的不同，調節爐內煤氣的流量使坯料由進爐到出爐這一過程達到所要求的軋制溫度。

紅色的坯料經過出爐輥道到達軋機，軋機在這里屬于第一道軋制工序。調換不同孔型的軋輥及調節軋輥之間的距離，使得坯料達到預先的形狀、大小完成開坯的工作。

以上的開坯準備工作完成后，軋件達到了往復式WF軋機。這種軋機采用了水平安裝平、立、平、立、平5個軋輥。控制系統全由計算機程序操作，根據不同的軋制程序調節軋輥之間的距離及導衛系統，較好地達到了高精度的90度棱角。

根據廠家對鋼料長短尺寸的需求，以及鋸切的表面要保證光滑、平整，采用了帶有定尺機的熱摩擦鋸。當坯料達到鋸前由水平垂直夾緊裝置夾緊坯料，然后自動鋸切完成快速進鋸→負載進鋸→鋸切終了→快速返回，四個切割過程。而這些控制過程都是由直流控制器進行控制。而直流電機的轉速控制是由PLC為直流控制器輸出一個給定的速度模擬信號，由直流控制器對直流他勵電機進行速度閉環調節控制，從而保證了切割線速度。而熱鋸的擺臂及垂直夾緊由PLC進行矢量位移式閉環控制，這樣就較穩定地實現了系統的自動控制。

經過熱鋸的切割軋件成品達到冷床，等待下一部的深加工，完成了整個的生產過程。

工藝流程簡圖

2 工藝要求

根據廠家對鋼坯長度尺寸以及鋸切表面保證光滑的需求，應滿足如下的工藝要求：

1）要求對尺寸為50mm×50mm～85mm×85mm的方形軋件及（13mm～50mm）×（100mm～310mm）的扁形軋件進行定尺切割；

2）軋件的定尺長度范圍在4m～8m之間，不足4m的軋件要求廢棄，對軋件還要求切頭，切尾的處理；

3）鋸切軋件時，要求鋸切的線速度恒定，以保證鋸切截面的工藝要求；

4）為保證鋸切工序的速度，要求鋸切快速下落，在接近軋件時要求慢速進鋸切割，而鋸切終了時要求鋸切高速抬起；

5）軋件進入鋸切區域后，在各種外部條件（液壓、潤滑、除塵、風機散熱等）滿足的情況下，操作人員給出定尺數據并允許操作后其它動作由控制系統自動控制。

控制系統應完成如下任務：

1）定尺數據的給定及顯示；

2）判斷識別軋件是切頭、切尾、切段（定尺切割）或是廢棄的任務；

3）軋件厚度的測量；

4）鋸片直徑的測量；

5）鋸片下落中間位置（鋸片接近軋件后快速下落變成慢速下落的位置）的擺角計算；

6）鋸切終了位置的擺角計算；

7）鋸片拖動電動機的速度給定計算。

3 控制系統硬件設計

通過對鋸切的工藝過程分析得知，系統主要有自動轉換開關、限位開關等開關量輸入量和輸出模塊的開關量輸出量。根據統計該系統需要72個輸入量和34個輸出量。再考慮留有15%的輸入、輸出點余量，實際選用6塊16點數字輸量輸入模塊SM321，4塊16點數字輸出模塊SM322，共計96個輸入點和64個輸出點。控制系統硬件框圖如圖所示。S7-300PLC是本控制系統的核心，它完成所有開關量輸入、輸出型號的處理。在控制系統中為了完成對型材鋸切長度的控制和主鋸切機前進或者后退的控制，選用CPU 314。本控制系統中為了實現對鋸切長度的控制和主鋸切機前進或者后退的控制選用了一塊計數模板，FM350-2，該模塊帶8個通道，用于和24V增量編碼器配合使用。

3.1 定尺的數據給定、動作執行的設計

1）定尺長度的數據輸入由操作人員在操作臺完成，設增／減按鈕各一個；

2）操作臺上設三位的數據顯示兩個：設定值和實際值。顯示最小單位：cm；

3）設定數據確認按鈕，確認無誤后定尺小車方可動作。動作條件：

（1）定尺小車電動機的控制柜準備好；（2）定尺檔板在高位；（3）定尺小車的夾緊機構松開。

4）設定值大于原設定值時，定尺小車電動機正轉。反之，定尺小車電動機反轉；

5）由脈沖編碼器完成定尺實際值的測量回饋工作，當實際值與設定值相等時，定尺小車電動機自動停止；

6）定尺小車電動機停止后，定尺小車的夾緊機構要夾緊防止位置變動；

7）定尺小車的動作初始點距離鋸切切口4m，距離終點8m，即小車的活動范圍為4m；

8）所有的數字輸入信號，編碼器的輸出信號，經PLC進行處理后，輸出到現場各控制器的執行動作。

3.2 鋸切類型的識別與判斷

工藝要求對熱質軋件進行切頭、切尾、定尺切段，或是軋件不足4m廢棄不要的處理。所以設計了自動識別判斷鋸切類型功能。

現場軋件的位置檢測由熱金屬檢測器進行檢測并輸入PLC，有PLC完成邏輯判斷，而后PLC輸出控制信號給各個控制器，控制器控制各個執行元件動作，達到控制要求。

3.3 鋸切識別動作的執行

1）軋件從鋸切的前一工序區域橫向移入鋸切區域后，經RJ0測得后，鋸前BP輥道高速轉動。變頻器的給定頻率為70Hz；

2）軋件在到達RJ1后，要求鋸前BP輥道低速轉動，變頻器的給定頻率為30Hz。RJ1只是在軋件的頭部或尾部達到時起作用；

3）軋件的頭部到達RJ2時，鋸前BP輥道停止，變頻器的給定頻率為0HZ；

4）軋件頭部到達RJ3時，鋸前BP輥道低速運行，且定尺擋板落下，定尺擋板上的常開點被軋件撞擊閉合后，鋸前BP輥道停止運行；

5）軋件的尾部到達RJ4時，鋸前后輥道停止運行；

6）若RJ4有信號，而且RJ5已有信號，則可切尾，否則因不足4m作放棄不要處理。鋸前后BP輥道要高速轉動，將軋件送出鋸切區域；

7）確認鋸切的類型后，設計了夾緊機構將軋件夾緊，以免鋸切過程中軋件振動，損壞鋸片。夾緊機構分為水平方向和垂直方向兩種，進行垂直夾緊時，還要完成軋件的厚度測量任務。鋸切動作執行完畢后，軋件夾緊機構要松開；

8）鋸切完成后，軋件要高速離開鋸切區域。切尾或放棄完成后，前一工序的軋件才可以進入鋸切區域。

3.4 各參量的計算

3.4.1 軋件厚度的測量

垂直夾緊機構的擺臂長度L=312mm，軋件的最大厚度Hmax=85mm。所以h要大于85mm，軋件方可以安全通過，設計取100mm。

擺臂的最大擺角為：θmax=sin-1（100/312）=18.693°

厚度H=312 sin（θmax-β）β——編碼器測定

3.4.2 鋸片直徑的測定

鋸臂的長度為1400mm，即從鋸臂的轉動軸心到鋸片圓心的距離。

鋸片直徑Φmax=1000mm，Φmin=600mm 鋸片最低點距離輥道的水平距離為200mm 。

3.4.3 中間位置的計算

鋸頭下落時要快速下落，而接近軋件后，鋸片最低點距離軋件40mm時，慢速下落，此位置稱中間位置。

中間位置θm=（700-Φ/2-40-h）Kd （Φ為鋸片的實際值；h為扎件的厚度）

3.4.4 鋸切終了位置的計算

鋸切深度為60mm終了位置θf=（700+60-Φ/2）Kd

4 控制系統軟件

編程軟件使用的是西門子的STEP7，是一種用于對西門子PLC進行組態和編程的專用集成軟件包。PLC編程可采用梯形圖語言，直觀易懂。近年來有發展了適應不同對象要求的跟多種類編程語言。如梯形圖、語句表、功能塊圖、順序功能圖、以及用于S7系列的C語言等，是編程更簡單方便。

鋸切控制程序從循環執行主程序——組織塊開始依次調用各個子程序和功能塊，各個子程序和功能塊用于完成鋸切控制系統某一部分的邏輯控制（如各參數計程序流程圖、定尺程序流程圖、鋸切過程程序流程圖）或實現某一 特定的功能（通過總線讀寫控制字、狀態字）。

5 結論

老式的鋸切設備由于設備及鋸片等方面的原因，經常出現軋件斷口切斜、毛刺飛邊超標等質量問題，鋸片單次鋸切壽命較低，造成停機換片頻繁，嚴重地影響了軋制生產的連續性，鋼材斷面質量差。另外，鋸片在使用過程中還經常出現糊齒、裂紋等現象，鋸切速度低，工作環境差，工人勞動強度大，既影響生產效率，也給生產現場的安全帶來了一定隱患。該鋸切軋件控制系統取代了生產效率較低的老式控制系統，已經在國內大型軋鋼生產企業得到應用，實際的運行效果表明該控制系統運行穩定、可靠，大大地提高了鋸切軋件的生產自動化水平和產品的質量。

[1]Roger S.P.軟件工程——實踐者的研究方法[M].北京：機械工業出版社，1999.

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