高速線材工程自動化系統設計與研究

丁長文

（哈爾濱哈飛工業有限責任公司機電設備制造公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

1 控制系統總體方案

1.1 總體技術方案。全連續機自動化和調速傳動系統由高性能工業微機、可編程序控制器（PLC）及全數字交直流傳動控制裝置構成。整個自動化系統由控制系統和兩層通訊網絡構成。

1.2 控制系統。控制系統由過程控制管理級（L2）、人機界面（HMI）與基礎自動化控制系統L1構成，調速傳動控制系統可理解為L0級。它們分別完成不同的控制功能。

1.3 過程控制。具有物料自動跟蹤功能，生產過程管理功能（生產報表等）。

1.4 人機界面（HMI）。人機界面（HMI）由現場終端組成，主要實現自動化系統的人機界面功能，包括：軋制表的輸入、存儲和修改，軋制參數的設定，軋制過程中各設備狀態和電氣參數的動態顯示及工藝參數的人工調整，電氣設備的一般操作及顯示，故障報警與記錄、存儲及打印等。

1.5 基礎自動化系統。基礎自動化系統采用西門子公司PLC和遠程I/O站；突出特點如下：（1）高速。（2）堅固。（3）功能完善、強大。（4）強通訊能力。

所選CPU裝備了ProfiBus-DP接口，保證了對分布式I/O進行快速數據交換。強大的通訊模板允許點對點通訊，并可用工業以太網進行通訊。基礎自動化系統由多臺PLC完成全部自動化控制功能（不包括加熱爐本體控制），其控制功能分別如下：（1）PLC1：軋線換輥、軋線輔助軋區液壓站和稀油潤滑站的控制。（2）PLC2：完成從粗軋機到吐絲機的自動化控制。控制的主要設備有：粗軋機、中軋機、預精軋機、精軋機、活套、吐絲機及夾送輥，并完成對1～3＃飛剪、碎斷剪的接口通訊。（3）PLC3：完成收集設備系統的自動化控制。主要控制功能包括：a.風冷輥道、風機的控制；b.集卷站控制。

2 通訊網絡

2.1 自動化系統通訊網絡

第一層：人機界面與PLC之間及PLC彼此之間連成以太網，實現彼此的信息交換。

第二層：PLC與各自的遠程I/O站之間和調速傳動之間采用ProfiBus-DP通訊網絡，PLC把設定參數和控制指令傳送到各調速傳動系統，并收集各調速傳動系統的狀態和電氣參數送到人機界面的CRT上顯示。

2.2 以太網

本系統采用環形工業以太網結構、采用TCP/IP協議。它可連接各PLC、HMI工作站，使之交換信息。

其主要特點如下：

（1）數據傳輸率：100Mbps。（2）網上工作站數：最多為1024個。（3）傳輸介質為多模光纖及五類絞線。（4）信息協議幀（或包）的大小可變。

2.3 ProfiBus－DP 網

ProfiBus－DP網是一種實時、開放性工業現場總線網絡。它的最大優點是能充分利用智能設備的能力。

優點完全歸功于以下幾個方面：（1）一個優化的ProfiBus－DP信息服務于子集的構造和提高了數據傳輸速率。（2）高度的容錯性。（3）數據的完整性。（4）標準信息幀結構。（5）在操作中可自由地訪問每個站。

2.4 人機界面（HMI）

人機界面配置4臺高性能工業微機操作站。其中2臺放置于軋線主操作室，集卷操作臺1臺，另外，1#主電室設置一個工程師站（MS）。采用的WinCC（WindowsControlCenter-窗口控制中心）系統軟件包是HMI的核心軟件，它具有數據采集、監視和控制自動化過程的強大功能，是基于個人計算機的操作監視系統。

其軋區主操作臺操作站主要功能和畫面有：（1）軋制表的存貯、修改和打印。（2）故障報警信息的顯示與打印。（3）工藝參數的預設定及修改，包括：a.級聯速度設定。b.沖擊速降補償設定。c.輥徑設定。d.活套高度設定。e.微張力控制張力系數設定。f.切頭、切尾長度設定。（4）軋制過程狀態顯示包括：a.主傳動電流和速度的直方圖和趨勢圖。b.活套高度基準值和實際值的直方圖。c.各電氣設備的就緒、運行、停止和故障畫面。d.故障報警畫面。e.顯示畫面的主菜單和子菜單。f.幫助畫面等。（5）電氣設備的一般操作，主要為軋制開始前的操作，主要包括：a.各調速傳動系統的合/分閘、啟動/停止操作。b.自動/手動方式選擇操作。c.介質系統的方式選擇及設備啟動、停止操作等。d.非軋制狀態的模擬操作等。（6）爐區操作室操作站（加熱爐供貨商設計、制造范圍）。

3 系統操作

3.1 概述。全線的操作系統由操作站、操作臺和機旁操作箱構成。

（1）操作站，主要用于工藝和電氣參數設定、運行方式選擇、軋制前的一般操作；（2）操作臺，主要用于手動操作和在自動方式下實施人工干預；（3）機旁操作箱，主要用于機械設備的調整和檢修時的操作。

3.2 監視保護功能

在設備啟動/動作和軋制之前，要檢查影響其運行的有關條件，包括：（1）檢查潤滑系統。（2）檢查液壓系統。（3）檢查調速傳動系統重故障。（4）檢查調速傳動系統啟動和運行條件。a.潤滑、液壓故障等。b.電壓聯鎖等。（5）緊急系統包括：快停、急停。

3.3 操作方式。操作方式分為：自動方式、手動方式、檢修方式三種，可通過操作站或操作臺和機旁操作箱進行選擇和切換。

3.4 軋機區操作。軋機區的手動操作（包括軋機調整）和檢修操作一般在機旁操作箱上進行。各操作臺、箱操作的設備如下：

（1）軋線主操作臺。a.粗軋機組啟停控制；b.1#飛剪控制；c.中軋機組啟停控制；d.2#飛剪控制；e.3#飛剪控制；碎斷剪控制；f.預精軋機組啟停控制；g.精軋機組啟停控制；h.軋線活套；i.吐絲機、夾送輥控制；（2）機旁操作箱若干。完成軋機換輥及正反點動或設備機旁調整等。（3）集卷區操作。集卷區操作的操作由操作臺和機旁操作箱完成。（4）基礎自動化控制系統主要功能。基礎自動化控制系統由4臺S7－400構成，PLC1完成軋線輔助控制；主軋線PLC2主要用于軋制過程中的快速性控制（如速度級聯、微張、活套、飛剪控制等）；PLC3負責風冷線及集卷站控制系統；PLC4負責數據采集和故障診斷。（5）基礎自動化系統配置。基礎自動化控制系統的配置原則：a.采用SIEMENS最新型CPU，其運行速度快、存儲容量大、網絡速度強大；b.系統配置考慮系統的先進性、可靠性；c.每套PLC均配置一定數量的遠程I/O站，現場的檢測信號、操作臺和現場操作箱上的操作和顯示信號，均連接到就近的遠程I/O站；d.為了提高PLC2控制主軋線控制精度、可靠穩定運行和產品質量，將遠程I/O和調速傳動系統考慮連接至兩個獨立的ProfiBus-DP網，以保證系統控制的快速性；e.軟件設計上將盡量編制規范的程序塊，并合理地安排程序塊的調用和執行，最大限度地減少程序周期，提高系統的控制速度。（6）PLC基礎自動化控制系統主要控制功能。a.速度級聯控制。b.軋線速度設定自適應。c.微張力控制。d.活套控制。e.精軋機控制。f.軋件跟蹤控制。g.飛剪的剪切控制。h.控制冷卻。i.吐絲機前夾送輥控制。j.吐絲機控制。k.斯太爾摩運輸線控制：速度控制；風機控制。l.集卷站控制。m.速度級聯控制。（7）模擬軋制。通過模擬軋件的軋制來確定電氣、機械的動作是否正常，它通過自動化控制系統編制模擬軋制控制程序來實現。軋件跟蹤及報表生成系統（L2）。軋件跟蹤及報表生成系統（L2）由1臺L2服務器與3臺微機組成，主要實現生產統計和報表的生成與打印。由系統硬件和系統軟件組成。（8）軋線檢測儀表。檢測元件能夠產生正確的檢測信號并送給控制系統，是保證生產線正常生產的前提。（9）熱金屬檢測器。用于熱坯或軋線上軋件頭尾檢測，產生軋件跟蹤信號。（10）活套掃描器。用于軋件活套高度檢測，產生活套控制及軋件跟蹤信號。（11）高溫計。用于軋件溫度檢測，產生軋件跟蹤信號及溫度檢測、溫度閉環控制。（12）溫度巡檢儀。用于軋線馬達或機械設備關鍵位置的溫度檢測。溫度檢測信號通過DP轉換模塊送至PLC。

[1]許劼.高速線材介質分布控制系統研究[D].武漢：武漢工業大學，2005.