PLC在2 100mm熱粗軋機的應用

田鴻宇，陳俊君，黃海成

(東北輕合金有限公司，哈爾濱150060)

1 PLC簡介

可編程控制(Programmable Logic Controller)簡稱為PLC，它的應用面廣、功能強大、使用方便，已經成為當代工業自動化的主要支柱之一，在工業生產的所有領域得到了廣泛的使用。

西門子的PLC以其極高的性能價格比，在國內占有很大的市場份額，在我國的各行各業得到了廣泛的應用。S7－300/400屬于模塊式PLC，主要由機架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設備組成，各種模塊安裝在機架上。通過CPU模塊或通信模塊上的通信接口，PLC被連接到通信網絡上，可以與計算機、其他PLC或其他設備通信。

1.1 PLC組成

1.1.1 CPU模塊

CPU模塊主要由微處理器和存儲器組成。在PLC控制系統中，CPU模塊相當于人的大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號，執行用戶程序，刷新系統的輸出;存儲器用來存儲程序和數據。S7－300/400將CPU模塊簡稱為CPU。

1.1.2 信號模塊

輸入(Input)模塊和輸出(Output)模塊簡稱為I/O模塊，開關量輸入、輸出模塊簡稱為DI模塊和DO模塊，模擬量輸入、輸出模塊簡稱為AI模塊和AO模塊，它們統稱為信號模塊。

輸入模塊用來接收和采集輸入信號，開關量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關、數字撥碼開關、限位開關、接近開關、光電開關、壓力繼電器等來的開關量輸入信號;模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發電動機和各種變送器提供的連續變化的模擬量電流電壓信號。

開關量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制電動調節閥、變頻器等執行器。

CPU模塊內部的工作電壓一般是DC5V，而PLC的輸入/輸出信號電壓一般較高，例如DC24V或AC220V。從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信號模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內部電路和外部的輸入、輸出電路。信號模塊除了傳遞信號外，還有電平轉換與隔離的作用。

1.1.3 功能模塊

為了增強PLC的功能，擴大其應用領域，減輕CPU的負擔，PLC廠家開發了各種各樣的功能模塊。它們主要用于完成某些對實時性和存儲容量要求很高的控制任務。

1.1.4 接口模塊

CPU模塊所在的機架稱為中央機架，如果一個機架不能容納全部模塊，可以增設一個或多個擴展機架。接口模塊用來實現中央機架與擴展機架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴展機架供電。

1.1.5 通信處理器

通信處理器用于PLC之間、PLC與遠程I/O之間、PLC與計算機和其他職能設備之間的通信，可以將PLC接入MPI、Profibus－DP、AS－i和工業以太網，或者用于實現點對點通信等。CPU模塊集成有MPI通信接口，有的還集成了其他通信接口。

1.1.6 電源模塊

PLC一般使用AC220V電源或DC24V電源，電源模塊用于將輸入電壓轉換為DC24V電壓和背板總線上的DC5V電壓，供其他模塊使用。

1.1.7 編程設備

S7－300/400使用安裝了編程軟件STEP7的個人計算機作為編程設備，在計算機屏幕上直接生成和編程各種文本程序或圖形程序，可以實現不同編程語言之間的相互轉換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網絡，可以實現遠程編程和傳送，編程軟件還具有對網絡和硬件組態、參數設置、監控和故障診斷等功能。

1.2 PLC的特點

(1)編程方法簡單易學。梯形圖是使用得最多的PLC的編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術人員只需花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。

(2)功能強，性價比高。一臺小型PLC內有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實現非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統相比，具有很高的性能價格比。PLC可以通過通信聯網，實現分散控制，集中管理。

(3)硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強。PLC產品已經標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統配置，組成不同功能、不同規模的系統。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強的帶負載能力，可以直接驅動一般的電磁閥和中小型交流接觸器。硬件配置確定后，通過修改用戶程序，就可以方便快速地適應工藝條件的變化。

(4)可靠性高，抗干擾能力強。傳統的繼電器控制系統中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現故障。PLC用軟件代替了中間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件元件，接線可減少到繼電器控制系統的十分之一以下，大大減少了因觸點接觸不良造成的故障。

(5)系統的設計、安裝、調試工作量少。PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，使控制柜的設計、安裝、接線工作量大大減少。PLC的梯形圖程序可以用順序控制設計法來設計。這種設計方法很有規律，很容易掌握。對于復雜的控制系統，如果掌握了正確的設計方法，設計梯形圖的時間比設計繼電器系統電路圖的時間要少得多。

(6)維修工作量小，維修方便。PLC的故障率很低，并且有完善的故障診斷功能。PLC或外部的輸入裝置和執行機構發生故障時，可以根據PLC上的發光二極管或編程軟件提供的信息，方便地查明故障原因，用更換模塊的方法可以迅速的排出故障。

(7)體積小，能耗低。對于復雜的控制系統，使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，小型PLC的體積僅相當于幾個繼電器的大小，因此可以將開關柜的日體積縮小到原來的1/2～1/10。PLC控制系統與繼電器控制系統相比，配線用量小，安裝接線工時短，加上開關柜體積的縮小，因此可以節省大量的費用。

熱粗軋機共用3臺PLC S7－400作為PLC的主站，分別主管熱粗軋機的介質部分、機列部分與厚調部分。

2 介質PLC

PLC主要由電源模塊PS407 10A、CPU模塊414－2DP與通訊模塊CP443－1所組成。介質PLC主要負責處理介質部分的程序包括高壓泵站、輔助泵站、工藝潤滑部分和稀油潤滑部分與油霧潤滑部分的啟停控制與狀態信號等。介質PLC下掛有4臺工藝潤滑凈乳液供油泵所用的四臺變頻器(西門子MM430)與7個ET200子站，它們之間采用的通訊方式是PROFIBUS－DP，通過DP線把下面所掛的子站與主站以串聯的形式連接起來，如圖1。

圖1 介質PLC站及子站通訊連接

ET200M(B10)為1號交流控制柜內PLC，主要由5個數字量輸入模塊SM321－1BL00 32 DI與3個數字量輸出模塊SM322－1BL00 32 DO組成。該PLC主要控制工藝潤滑部分的啟停操作、主電機靜止加熱器與冷卻風機的操作、立輥及壓下風機啟停操作等。

ET200M(B11)為2號交流控制柜內PLC，主要由4個數字量輸入模塊SM321－1BL00 32 DI與3個數字量輸出模塊SM322－1BH01 16 DO組成。該PLC主要控制高壓泵站電源停送、輔助泵站電源停送、重輕剪廢料小車電源等。

ET200M(B13與B14)是左右噴嘴控制箱內的PLC，由3個數字量輸出模塊SM322－1BL00 32 DO組成。主要控制機架內乳液噴嘴的工作。

ET200S(FZOP)是輔助泵站操作箱內的PLC，由9個數字量輸入模塊4DI 24VDC與2個數字量輸出模塊4DO 24VDC/0.5A和2個數字量輸出模塊4DO 24VDC/2A組成。主要用于控制輔助泵站的啟停工作，主要有一臺循環泵和四臺供油泵，還要反饋壓力溫度等數據。

ET200S(GBOP)是高壓泵站操作箱內的PLC，由10個數字量輸入模塊4DI 24VDC與3個數字量輸出模塊4DO 24VDC/0.5A和2個數字量輸出模塊4DO 24VDC/2A組成。主要用于控制高壓泵站的啟停工作，主要有兩臺循環泵和五臺供油泵，啟動供油泵前要將兩臺循環泵全部開啟。

工藝潤滑凈乳液供油泵所用變頻器為西門子MM430，它與PLC之間通過Profibus－DP方式通訊，變頻器上有一塊Profibus－DP通訊板用于連接DP數據線到PLC中。用于發送接收變頻器內控制字與狀態字的程序塊是STEP7中內部的程序塊，其程序如圖2。

SFC14是用于讀取變頻器中的數據，而SFC15是用于向變頻器中發送數據，LADDR是指該變頻器在STEP7軟件硬件組態中的DP地址號，在程序中以十六進制形式表示，SFC14的RECORD是指從字節DB1096.DBX20.0開始從變頻器讀取4個字節，而SFC15的RECORD是指從字節DB1096.DBX120.0開始發送4個字節到變頻器。RET_VAL可以通過它顯示的數值來讀取變頻器的狀態。對于控制字與狀態字接收與發送在DB數據塊中的編寫，要按照變頻器說明書中的高低字節所對應，才能正確的反映出變頻器的狀態和對變頻器進行控制。

3 機列PLC

機列PLC由電源模塊PS407 20A、CPU模塊414－2DP、FM458－1DP模塊與通訊模塊CP443－1組成。機列PLC主要控制軋機機列部分的動作，包括重剪、輕剪、出口入口的推床、輥道、主機動作、立輥動作、壓下部分動作、出入口導板動作、出口的清輥器、測溫儀數值反饋、物料追蹤、換輥和自動邏輯等主要控制部分。由于粗軋機的部分設備動作是依靠液壓系統來進行動作，所以機列PLC要通過液壓閥臺中的PLC子站來控制現場的設備動作。機列PLC也是以Profibus－DP的通訊方式來控制現場閥臺中的PLC子站，其通訊連接如圖3。

圖2 數據傳送塊

圖3 機列PLC站及子站通訊連接

機列PLC共有2條DP總線，DP1A與DP1B?？偩€DP1A所帶的子站PLCET200M(B12)為檢測元件控制柜內用于檢測現場限位開關的信號、油霧潤滑系統狀態信號、稀油潤滑狀態信號和過濾機的狀態信號。ET200S(W1FT)為立輥閥臺，主要控制立輥的開口度與電磁閥的帶電停電。ET200S(LQ1FT)與ET200S(LQ2FT)是1號冷卻閥臺與2號冷卻閥臺，用于控制輥道冷卻噴淋的電磁閥和接收用于物料追蹤的光電開關的信號。

總線DP1B所帶的子站PLCET200S(CFT)為C閥臺，主要控制鑄錠清洗缸的工作，入口導板的工作、抱軸器的工作、還有入口推床壓力傳感器的模擬量輸入信號和入口側推床夾緊力控制信號。DP1B通過Profibus電氣中繼器分出兩條DP線，DP2與DP3。DP2所帶PLC子站ET200S(HGOP)為換輥操作箱，主要用于控制換輥工作。PG17是工作輥換輥激光測距儀，其工作原理是由測距儀發出一束激光，通過前方的反光板將光束返回到測距儀內經過計算顯示成數值，再通過DP線將數值傳送到PLC中。ET200M(OP1G)是主操作臺控制柜內的PLC子站接收主操作臺發出的所有命令，用于控制整體軋機，除重剪與輕剪部分。ET200S(OP3)是重剪操作箱內的PLC子站，用于接收控制重剪、重剪推床、重剪廢料小車、重剪處接觸式熱電偶支架和重剪前輥道的命令。ET200S(OP2)是輕剪操作箱內的PLC子站，用于接收控制輕剪、輕剪推床、輕剪廢料小車、輕剪處接觸式熱電偶支架和輕剪前輥道的命令。ZCOP與QCOP是重剪廢料小車與輕剪廢料小車所使用的變頻器型號為西門子MM440，其使用方法與凈乳液供油泵的變頻器使用方法相同。ET200S(A－B閥臺)主要控制彎輥與上支承輥平衡和接收濾油器堵塞信號。ET200S(D閥臺)主要控制出口導板、出口側推床與出口側清輥器。ET200S(E閥臺)控制上下傳動軸的平衡、工作輥鎖緊缸及一些換輥動作。ET200S(F閥臺)控制重剪及重剪相關設備動作的閥子。ET200S(冷卻3、4、5號閥臺)控制輥道冷卻噴淋電磁閥的動作，及反饋用于物料追蹤的光電開關的信號。

以上PLC控制部分開關量的輸入輸出比較容易理解，復雜一些的是模擬量信號控制。以入口推床的夾持力大小控制為例，推床夾持力大小的給定是根據物料厚度的不同而變化的，推床的夾持力是通過液壓系統來完成，所以控制夾持力大小的不同就靠PLC給比例閥的開口度設定值，因為PLC無法直接控制比例閥，需要通過一個比例閥放大板來控制比例閥，PLC通過模擬量控制給比例閥放大板一個0～10V的電壓信號(電流信號或電壓信號及數值的范圍由被控元件的型號決定)來控制比例閥的開口度，也就是說0V為最小開口度，10V為最大開口度。其控制程序如圖4。

圖4 最大推床力與最小推床力給定

模擬量信號傳送到PLC內部后，在程序中會顯示為0～27648的一個內部值，所以設定最大推床力內部值為27647、最小推床力內部值為2764.8。

圖4是設定DB1350.DBD10(最小推床力對應的最小厚度m)為0.1m，DB1350.DBD14(最大推床力對應的最大厚度m)為0.6m。

功能FC108是線性標定塊，將最大推床力DB1350.DBD18與板材最大厚度DB1350.DBD14、最小推床力DB1350.DBD10與板材最小厚度DB1350.DBD22對應計算，再將傳送進來的板材實時厚度按照這個比例進行計算，將計算出此厚度所對應的推床力內部值大小傳送到DB1350.DBD40中。其計算公式如下式，設當前的板材厚度DB1350.DBD6為X，對應推床力大小DB1350.DBD40為Y:

圖5 最大推床力與最小推床力所對應厚度

圖6 線性標定板材厚度所對應的夾持力

經過計算后，板材厚度X對應夾持力Y公式如下:

推床力內部值DB1350.DBD40再傳送至模擬量輸出PQW656，656是模擬量輸出地址，即比例閥放大板接線的PLC的模擬量輸出模塊所對應的地址。

主傳動、多傳動及立輥壓下部分通過Profibus－DP通訊方式將數據傳送到機列PLC的FM458模塊中，通過CFC程序FM458toPLC_DB與FM458toPLC_I/O將數據包打開發送至PLC的CPU中進行使用。FM458模塊是通過PLC的背板總線將數據發送到CPU中。同樣，CPU中的數據也是通過CFC程序PLCtoFM458_DB與PLCtoFM458_I/O發送到FM458模塊中，再通過DP數據線發送到西門子S120中執行命令。FM458－1DP應用模塊專為SIMATIC S7－400站中的高動態性能閉環控制和應用技術而設計?？梢酝ㄟ^CFC或SFC自由組態這些控制任務。而且，該模塊還提供了PROFIBUS－DP連接。FM458模塊有以下技術特點:

(1)計算性能，用于算術計算的64位RISC浮點處理器，0.1ms(通常為0.5ms)的最短循環時間，用于通訊任務的32位控制器。

(2)DRAM/SDRAM工作存儲器，12MB/60MB可供用戶程序使用，從存儲器模塊初始化時，裝載并擴展程序代碼，用于該操作系統、用戶程序、通訊、信息緩沖區、跟蹤的數據存儲器。

(3)SRAM(256kB/512kB)。

(4)可更換的程序存儲器(2MB、4MB或8MB)。

(5)有兩個接口可用于向程序存儲器裝載用戶程序，通過MPI接口直接連接PC和通過MMC卡槽。

(6)通過8個二進制輸入可以調用8個報警任務。

(7)顯示工作狀態的11個LED。

(8)LE總線，本地擴展總線可確保在FM458－1DP應用模塊與其擴展模塊EXM438－1和EXM448/EXM448－2之間快速傳送數據。

4 厚調PLC

厚調PLC主要用于控制軋機的輥縫、壓下量、彎輥、立輥的輥縫開口度及機架內乳液噴嘴的噴淋模式等部分。厚調PLC主要由電源模塊PS 407 10A、CPU414－2DP、兩個通訊模塊CP443－1DP、FM458模塊及兩個FM458模塊的擴展通訊模塊EXM438－1DP、兩個SM431模塊、一個SM432模塊組成。厚調PLC主要通過磁尺來測量輥縫位置的大小，信號通過光電隔離模塊將電流信號與電壓信號進行轉換傳送到PLC中。用于測量油缸桿腔壓力和活塞腔壓力的傳感器也是通過隔離放大板將信號進行轉換后再傳送至PLC內，這樣做是防止信號的變化會直接對PLC造成損壞，起到一個保護作用。

綜上所述，PLC在2 100mm熱粗軋機應用非常廣泛，涉及管理設備很多，所以學好PLC的工作原理與程序至關重要，可以很好地幫助我們查找處理電氣問題。

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