步進冷床PLC自動控制改造分析

程宗強 賈建紅 安曉鋼 李海鋒

摘要 ? ?本文介紹了 1#連鑄機步進冷床來用傳統的繼電器控制存在的一些缺陷，并詳細闡述了PLC自動控制改造的一些思路，使步進冷床電控系統的穩定性大大提高，同時控制性能較原系統更強，操作與維護變得更簡單。

關鍵詞： 步進冷床 ?撈鋼 ?放鋼 ?翻鋼 ?PLC自動控制

一、前言

連鑄機步進冷床是我公司高速線材的配套工程之一，生產多年后，原電氣控制系統的一些缺陷逐步顯現出來，給生產和維護均帶來了許多麻煩。

二、步進冷床原電控系統存在的缺陷

控制元器件本身存在的缺陷主要有三個方面：

① 由于二次控制回路電壓為DC220V，直流型，備品備件的采購不便，使步進冷床的電控備件一直較為緊張。

② 用傳統的繼電器控制來實現較強的自動控制功能，繼電器的使用量較多，控制線路復雜，故障處理時間長。而繼電器的使用量越多，無形中就降低了電控系統的穩定性和可靠性。在近年的生產運行中，因中間繼電器、時間繼電器本身的原因而造成的電氣和設備事故也是屢見不鮮。

③ 控制電機工作的接觸器為交流型的。面該接觸器的控制線圈電壓等級為DC220V ，使用中存在的一些缺陷。該控制線圈為雙線圖串聯，如圖1串聯線圈控制中，接觸器本體的常閉輔助觸點KM先處于閉合狀態，L2被短路，L.1 的線圈匝數較少、內阻較小，在外加電壓下短時大電流從而產生 大的電磁吸力，保證接觸器靠吸合：接觸器吸合后， KM處于打開狀態，L2中聯的匝數多線徑細，內阻大，使回路的電阻增大，LI 與L2串聯，從而電流減小，達到小電流保持的效果。實際上由于交流接觸器工作在直流回路中，控制能力大大降低，已達不到額定容量，我們知道，觸頭分斷電流時會產生電弧，在分斷同樣大小電流時，交流電弧的強度遠小于直流電弧，且工頻電弧每秒100次過零點而直流電弧幾乎是恒定的，直流電弧比交流電弧難熄滅，直流接觸器具有縱縫和串激線圈磁吹滅弧結構，而交流接觸器連最簡單的滅弧罩都不用，由于串聯線圈在吸合過程中存在電流過零點，釋放過程中反激電壓過高、交流接觸器的常閉輔助觸頭易損壞，在實踐中該觸頭工作時間不長便出現嚴重的燒蝕現象。輕微的燒蝕可造成觸點接觸面積變小，有時可能造成閉合不好，使接觸器的L1和L2在未動作前便同時接入回路，吸力變小而使接觸器無法正常動作。嚴重的燒蝕可造成該觸頭粘接而使DC220V電壓長時間加于L1線圈上，最終使接觸器線圈L1燒毀。由于該接觸器故障率較高，嚴重打亂了連鑄機正常的生產秩序。

另外，步進冷床電氣設計方面還存在一些不合理：

①原撈鋼車自控系統的安保系統不完善，極易造成設備事故。當其自動流程還在進行中，只要接收到返回按鈕信號，不管車和撈鋼鉤子的位置是否具備返回條件，車便會停止現有的工作而執行返回動作。這樣極易發生撈鋼鉤子被輥道上停放的鋼坯頂壞變形的事故。

②由于冷床自動翻鋼設計上的不盡合理，冷床翻鋼一直由操作工用手動操作。每放一次鋼就要執行一次手動翻鋼動作，一旦操作工偶爾工作疏忽少翻一次鋼，就會發生撈鋼車放鋼時被冷床上的鋼坯頂壞撈鋼鉤子的現象。

③該自動系統沒有防止撈長坯的功能。前區火焰切割系統故障，開澆或停澆的頭、尾坯極易出現超長坯現象，由于生產現場的特殊情況，操作室無法正對輥道，造成操作工的視線受影響，對長坯的判斷有一定的困難。這樣一旦操作工失誤撈起長坯，車輛往冷床執行送鋼的動作，鋼坯長度超出了撈鋼車的長度，造成紅鋼坯后部撞到撈鋼車底梁立柱上，極易造成鋼坯彎曲報廢和撈鋼車的損壞。

三PLC改造思路

由于在原電控系統上進行改造很難解決原系統器件方面固有的缺陷，同時在功能及可靠性上難有大的改觀，我們徹底放棄了傳統的繼電器電控系統，決定采用PLC控制系統。

首先要對PLC的機型進行選擇，由于步進冷床的控制為純開關量的控制。且所需要的I/O點數也不太多，因此選用一般的小型機即可。為了實現設備通用、資源共享，我們認為選用目前公司通用的S7-200 PLC 較為合適。

對步進冷床的輸入、輸出點經一再壓縮后，輸入點最少為30個，輸出點為15個。因為6ES7 214- 1BD21- OXBO的基本單元有輸入點14個，輸出點為10個.因此必須選擇擴展單元。如果選擇一個16點輸入，16點輸出的擴展單元，剛好能達到設計要求，但沒有留下一點裕量，無法實現撈到位、放到位及放鋼位等關鍵控制位置的雙重保護。因此又選取了一塊16點輸入、16點輸出的擴展單元。為了便于維護，將現場的位置開關輸入放在一組，冷床的輸入放在另外一組，這兩組同在基本單元上;所有的輥道輸入放在第二塊擴展單元上，剩余的輸入均放在第一塊擴展單元。輸出的配置是：第一塊擴展單元是撈鋼車與冷床的輸出，第二塊擴展單元是所有輥道的輸出，基本單元上無輸出線路。這樣該系統無論輸人、輸出均有足夠的裕量，可滿足擴充和改進的需要。

根據生產的實際情況，將撈鋼車的狀態定為手動/半自動/全自動，冷床設手動/自動兩個狀態。冷床和撈鋼車的狀態彼此獨立，即二者有六種組合可供操作人員選擇使用。因所有的手動程序都很簡單，半自動程序與全自動只是在撈鋼車、冷床的啟動方面有所不同，其余完全一致，現只舉例介紹撈鋼車全自動+冷床自動狀態下的操作控制：

①PLC首先接收到輥道上有坯到來的電信號，用一定的邏輯關系判斷坯是否到位。為了全自動啟動無誤，要判斷是單流坯到位，還是兩流坯都到位，如果是雙流坯到位，確立一個流的優先權。在程序中2流的優先權高于1流的。

②若坯已到位，并且撈鋼車的狀態是放完鋼之后的等待位置，符合上述條件后，車才能啟動返回至相應的位置。車啟動后，程序將停止輥道繼續送坯。

③車到達相應的撈鋼位置后，再進行一次判斷，判斷即將撈的坯是否為長坯。若是長坯，車將在此位置停留，而不再進行撈鋼操作，直至無長坯信號為止。若判斷坯正常，執行撈鋼動作，撈到位后撈鋼動作結束，啟動行走機構向放鋼位送鋼。

④送鋼至放鋼位后，判斷“冷床自動”是否處于運行狀態。若運行，說明上次自動流程與本次自動流程的時間隔過短，若此時放鋼可能會因兩根坯間距較小而碰壞撈鋼鉤子，程序將不進行放鋼操作，直至“冷床自動”運行停止。這樣可使冷床上鋼坯間距恒定，既有利于鋼坯的冷卻，又可避免一些設備事故的發生。

⑤放鋼到位后，停止放鋼動作，啟動車返回，同時啟動冷床自動翻鋼，冷床在翻鋼19S后，停止翻鋼動作。

⑥車自動返回5S后停止，整個車的自動流程全部結束。車停下后重新啟動輥道繼續送坯，待條件符合后，執行下一次自動流程。

這里需要對2流的優先權問題做詳細說明。優先權在程序的設計中是相對的，而非絕對的。為了不使全自動控制下出現車誤動作，只要1流坯符合條件并已啟動車運行，2流坯才剛剛滿足撈鋼條件，這種情況下程序先撈1流坯，然后再撈2流坯，除此之外2流坯均具有先撈的優先權。

四、改造后的PLC電控系統與原電控系統的比較

①改造后的PLC電控系統與原電控系統相比，控制線路變得非常簡單。由于在編程時啟用了PLC內部標志位和計時器等功能，使原電控系統中的所有中間繼電器和時間繼電器在PLC電控系統中不再有使用價值。在新的電控系統中僅保留了具有保護電機作用的堵轉繼電器（線圖電壓為AC380V）。繼電器的使用量減少許多，提高了系統的穩定性。

② 改造后PLC電控系統的功能較原電控系統有較大的改進和提高。PLC電控系統設置的半自動控制功能與原電控系統自動功能等同，但新的系統增加了許多保護功能，如防止誤操作、誤動作的功能。新系統還具備全自動功能，即無需人工操作，由PLC根據嚴謹的邏輯關系實現自動撈鋼、放鋼、冷床翻鋼、停走輥道等一系列動作的準確執行，新電控系統使操作變得更簡單。

③ 改造后的PLC電控系統操作臺和生產現場所有的二次控制線路電壓均為DC24V，而原電控系統的電壓多為DC220V。系統更安全，維護更方便。

④PLC電控系統的備件與連鑄機常用的備品備件完全一致，可互備互用，方便維修和管理。

⑤ PLC電控系統的改造成本較小，僅僅是新增電控器件的費用，有更為優越的性能價格比。

五、結語

連鑄機步進冷床PLC控制改造是成功的，與原電控系統相比具有很多優點。當然，在以后的生產中，還要根據具體情況對其不斷完善和發展。

1、《節能交流接觸器線圈控制分析》李強、胡景泰、潘志剛

2、《交流接觸器在直流電路中使用應注意的問題》范福康