高線打包機PLC自動控制系統的設計

(佛山職業技術學院,廣東 佛山 528137)

0 引言

打包機是現代高速線材生產線特有的設備，它集機械、液壓、電氣控制于一體，位于高線的精整區域[1]。打包機將由C型鉤運來的盤卷經過打包機壓緊，沿線卷圓周方向成90°等分打4個平行結頭。打包后線卷最小長度可達0.5～0.6 m，大大方便了盤卷的儲藏和運輸[1-4]。

韶關市伯頓工業技術有限公司設計和制造的BT4600型打包機，其電氣控制系統動作準確、可靠、智能化程度高。控制系統采用分布式I/O進行數據采集和控制，降低了接線成本，提高了數據安全性，增加了系統靈活性[5]；實時監控打包機的狀態，便于操作維修人員對設備進行監控和及時發現設備所存在的隱患，及時采取有效措施，避免事故的擴大化。壓實車、線道架的速度和打包線張力能自動跟隨校正，保證了壓實和捆緊效果。

1 系統結構及工藝過程

1.1 系統結構

高線打包機是一套非常復雜的機電液一體化的全自動智能控制設備。它包括了幾方面的自動控制：位置控制、運動控制、速度控制、液壓控制、報警控制、聯鎖控制和順序控制等[2-4]。打包機PLC控制系統結構如圖1所示，按功能可以劃分成以下3大塊：①外圍設備，這部分包括液壓潤滑站、主控臺、配電柜；②打包機主體設備，包括4個打包頭、2臺壓實車、1個升降臺、4個喂線輪、線庫和線道架；③現場總線，用于主控臺和打包機、液壓站之間的信號連接和通信。

由圖1可知，打包機的控制比較分散，因此采用基于DP總線的分布式I/O控制系統設計[4]。PLC控制系統由1套S7-300 CPU主站、7套ET200S從站和1套MP277按鍵屏組成。DP主站選用CPU 317-2PN/DP，是整個控制系統的中心。A101、A201、A202、A203、A204、A205這6個從站均選用6ES7 151-1AA05-0AB0 ET-200S IM 151 DP接口模板。其中，A101站用作主控臺的本地控制和用戶接口；A201站用作線庫、舉升臺和壓實車驅動的控制；A202站用作1#、2#打包單元的控制和1#壓實車位置檢測；A203站用作3#、4#打包單元的控制；A204站用作1#～4#喂線單元的控制；A205站用作線道架的控制和2#壓實車位置檢測。A11站為智能從站，選用6ES7 151-7AA21-0AB0 ET-200S IM 151 帶CPU的DP接口模板，集成24 kB工作內存，用作液壓潤滑站的控制。

圖1 打包機PLC控制系統結構圖

1.2 工藝過程

當帶有盤卷的C型鉤停在打包機中心線位置時，定位夾緊器閉合鎖定，PF線自動控制系統發出開始打包指令啟動打包機。打包機檢測信號布置圖如圖2所示。

圖2 打包機檢測信號布置圖

打包機自動打包工藝流程說明如下。

① 預壓緊。1#、2#壓實車在液壓缸的驅動下朝盤卷方向同時運動，線道架從壓實車上開始朝前運動，舉升臺往上運動到盤卷剛好與C型鉤之間保持著自由狀態。

② 壓緊。2#壓實車剛好接觸到盤卷邊時(S8光電開關動作)，舉升臺繼續上升托起盤卷，然后壓實車壓緊盤卷，同時線道架靠攏至關閉(電感傳感器S12動作)。

③ 開始喂線，沖壓就緒。液壓馬達驅動送線機構送出打包線，同時鎖定1#、2#壓實車。

④ 停止喂線，夾緊線頭。打包線沿著線道到達扭結裝置，在碰到夾緊裝置的擋板時停止喂線，打包線頭部被夾緊。

⑤ 拉緊打包線。扭結裝置向內運行移動到打包位置，兜線輪打開，同時喂線輪反轉，打包線被拉緊，剩余的線被送回線庫。

⑥ 扭結，剪切。喂線輪停止，脈沖編碼器給出指示后，扭結。扭結完成，打包線被剪斷。這時打包完成。

⑦ 返回初始位置。打包結束后，1#、2#壓實車返回初始位置，線道架返回起始位置，舉升臺返回起始位置。

自動打包機循環打包流程如圖3所示。

圖3 打包機循環打包流程圖

打包好的盤卷掛在C型吊鉤上，打包機控制系統向PF線控制系統發出打包完成指令。

由打包工藝過程分析可知，打包機實現快速準確的打包控制，除了要求各個檢測信號正常外，還必須要求升降臺的高度位置要控制準確，壓實車要快速預壓和沖壓就緒，打包線速度控制合適，線道架能快速關閉。升降臺位置、2臺壓實車位置和4道打包線速度控制分別采用編碼器G3、G1和G2、1S18～4S18來實現，編碼器型號選用6ES7 138-4DA04-0AB0型高速計數模塊24 VDC/100 kHz。

2 通信功能的設計

2.1 通信網絡的設計

通信網路可查看圖1所示系統結構圖。主站CPU 317、人機界面MP277與上位機之間通過RJ45口用雙絞線通信，CPU的IP地址為192.168.0.3，MP277的IP地址為192.168.0.1。主站與HMI、DP從站之間采用DP屏蔽雙絞銅線通信。主站、HMI、A101從站、A201從站、A202從站、A203從站、A204從站、A205從站和A11智能從站的DP地址分別為3、12、11、21、22、23、24、25、8。主站直接訪問遠程I/O從站的地址。

2.2 主站與智能從站主從通信方式的組態

DP主站不是直接訪問智能DP從站的輸入/輸出，而是訪問CPU的輸入/輸出地址空間的傳輸區，由智能從站的CPU處理該地址區與實際的輸入/輸出之間的數據交換[5,7]。主站與智能從站之間的數據交換是由PLC的操作系統周期性自動完成的，不需要用戶編程。

主站和智能從站之間的DP主從通信地址組態如表1所示。點擊DP從站對話框的“組態”選項卡，點擊“新建”按鈕，在彈出的對話框中，按表1的內容設置通信模式、輸入輸出地址、交換區長度和單位等參數。

表1 DP主從通信地址的組態

設置通信用的輸入/輸出區時，應確保DP主站的一個輸出區分配給DP從站的一個輸入區，反之亦然。組態完成后，返回主站的硬件組態窗口，編譯保存組態結果。

2.3 DP主從通信信息的設計

打包機的通信信號共59個。主從站之間的通信數據交換信號主要有：通信正確信號，急停信號，液壓泵的啟停、運行、封鎖和故障信號，循環泵和加熱器的啟停、運行、封鎖和故障信號，油位、油溫高低檢測信號，油溫值等。

3 主要控制功能的設計

打包機的PLC控制系統的功能主要包括初始位置控制、手動控制、壓實車運動控制、壓實力控制、舉升臺控制、線道架運動控制、送線系統控制、打包線速度控制、扭結裝置控制、液壓系統控制和通信等。下面介紹部分主要控制功能。

3.1 初始位置控制

打包機在初始位置才能啟動自動模式[8-9]。打包機原位的條件為:一是壓實返回初始位置，二是打包頭返回初始位置。壓實原位的條件為：1#壓實車在后限位S3，2#壓實車在后限位S6，舉升臺在下限位S10，線道架在后限位S14。打包頭原位的條件為：扭結裝置在初始位S5，打包頭在初始位S20。如果系統不滿足原位條件，則通過主控臺上的壓實操作選擇開關和打包頭操作選擇開關，手動復位操作。

3.2 壓實車運動控制

壓實車的主要任務是完成盤卷的對中壓實功能，其控制主要包括壓實車的邏輯控制、對中控制、位置和壓實力的計算。其中，邏輯控制主要完成1#、2#壓實車的前進、鎖定、后退以及與打捆的聯鎖等功能。位置控制的主要任務是計算2臺壓實車的位移，產生壓實過程中高速前進、低速前進、低速后退和壓實完成等信號，并計算盤卷長度和判斷盤卷對中。

盤卷長度計算公式如式(1)所示。

LC=2LCY+DPP-SPP1-SPP2

(1)

式中：LC為盤卷長度；LCY為壓實液壓缸長度；DPP為壓實車最小間距；SPP1為1#壓實車位移；SPP2為2#壓實車位移。

盤卷對中的判斷為:①若SC-δ≤SPP1-SPP2≤SC+δ，說明盤卷已對中；②若SPP1-SPP2SC+δ，說明2#壓實車位移過大。其中，SC為盤卷偏移量，單位mm，δ為誤差允許量。

對于壓實車的對中控制，將盤卷偏移量SC作為給定信號、壓實車的位移差(SPP1-SPP2)作為反饋信號，輸入PID運算器，產生的輸出用于控制2#壓實車的速度值，從而保證壓實完成后盤卷中心與吊鉤中心重合，達到使吊鉤平衡的目的。

3.3 線道架的控制

線道架的運動曲線如圖4所示，圖中虛線表示極限運行軌跡。

圖4 線道架運行曲線

線道架的運動部分安裝在2#壓實車上，由一臺液壓馬達驅動；固定部分安裝在1#壓實車上。線道架除了跟隨壓實車運動外，運動部分還有相對壓實車的移動過程。線道架比較輕，運動速度快，除了減速控制外，還安裝了減震器進行沖擊防護。線道架的運動與壓實車的運動需要配合良好。打包機啟動后伸出減震器，預壓緊完成發出指令(GC_FWD)，啟動線道架高速(VH1)前進，運動到前進減速位S15后轉為低速(VL1)前進；線道架合攏(S12得電)，啟動送線，同時收回減震器。在送線打包過程中，為了保持線道架處于有效合攏狀態，液壓馬達低速工作。打包完成后發出指令(GC_REV)，線道架先高速(VH2)后退，到位置S16時轉為低速(VL2)退回原位S14。加裝前進極限位S13檢測，線道架前進到S13立即停止。

3.4 打包線速度控制

打包線的速度控制有高速送線、低速送線、高速抽緊、低速抽緊和低速收線等過程，而檢測信號只有打包線在喂線單元檢測S4和打包線預進打包頭檢測S2兩個。送線速度的控制信號需由脈沖編碼器S18配合傳感器來實現。打包線的速度控制曲線如圖5所示。

圖5 打包線的速度曲線

喂線啟動命令(START_FEED)，喂線輪液壓馬達高速(VH1)正轉，打包線沿線道環繞盤卷，接近打包頭時(即編碼器S18發出8 200個脈沖)，喂線輪低速正轉(VL1)，打包線進入打包頭(S2下降沿到來)，繼續走420個脈沖到達擋塊，完成送線過程。當打包頭夾緊完成時，抽緊信號(BU_ST11)到,喂線輪高速(VH2)反轉，當編碼器S18的脈沖數不變化時，表示一次拉緊結束；兜線輪打開后，喂線輪進入低速(VL2)反轉，當編碼器S18的脈沖數不再變化時，表示二次拉緊結束。當扭結、剪切完成，打包頭返回信號(BU_ST19)到時，喂線輪低速(VL2)反轉，進行收線，當打包頭初始位置(S20)信號到，且喂線單元有打包線(S4有信號)時，收線結束，打包完成。若打包頭返回初始位置，喂線單元無打包線(S4無信號)，表示打包故障，需要二次打包。

4 實時監控功能的設計

打包機的HMI采用西門子公司的MP277 10″key實時監控，便于現場操作員操控和監視打包機。HMI監控畫面采用西門子的WinCC flexible2008軟件開發[5]，共18幅，主要有以下功能。

打包機主控畫面，可以實現手動與自動地切換、進入其他監控畫面，監視打包機整體運行狀態，監視盤卷狀態，記錄打包數量和盤卷長度等[9]。

4個打包頭監視畫面，用于打包頭、喂線單元、扭結裝置、打包線等的位置檢測和運動狀態監視[10]。

壓實狀態監控畫面，可監視壓實車、線道架、舉升臺的位置檢測，實時顯示壓實車和線道架的速度和壓實力的數值，監視壓實車和舉升臺的編碼位移脈沖數等。

液壓站監控畫面，可監視液壓馬達、循環泵的啟停控制和運行狀態，還可監視液位、溫度和油路蝶閥等數值和運行情況。

其他的信息顯示畫面有打包頭狀態畫面、打包頭工作過程畫面、打包頭設置畫面、打包機狀態畫面、打包機工作過程畫面、壓實設置畫面、與PF線通信狀態畫面、Profibus通信信號狀態畫面等。實時報警畫面有打包頭故障顯示畫面、壓實過程故障顯示畫面、液壓站幫助畫面等。

5 結束語

BT4600型打包機在洛陽偉業軋鋼有限公司高速線材生產線投入運行，改變了高線原來手動打包效率低下的狀況，有效改善了操作人員的工作環境，極大提高了工作效率，使高線精整區打包工序的自動化生產成為現實。打包機自投入運行以來，扭結失敗率低，最大盤卷打包時間約40 s，滿足廠家65 s左右的軋鋼生產節奏。當然，與國外高性能的同類產品(扭結失敗率<0.3%，打包時間約35 s)比較，還存在一定的技術差距，還需在運行環境下不斷優化控制參數。

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