棒材冷床區自動化網絡升級改造

祖孝奎

（河鋼股份有限公司承德分公司 河北省釩鈦工程技術研究中心，河北 承德 067000）

自動化控制系統不僅操作簡便，還降低了操作工人的勞動強度，尤其是在棒材冷床區應用后，有效地提升了冷床區自動化水平，推動了產線結構調整和產品質量的提升。對于電氣維護技術人員來說，掌握棒材冷床區自動化網絡升級改造技術至關重要，是確保棒材冷床控制系統發揮作用的關鍵。

1 冷床的基本控制要求

步進式齒條冷床是生產過程中運用非常普遍的重要設備，它通過一組偏心輪來驅動齒條進行運轉，處于全自動的狀態時偏心輪會靜止在某個定點上，這個定點叫作原位，也叫作初始位置。假設我們將初始位置設定在90°，那么，在生產體系開機之后，冷床電機就隨之開始工作，驅動偏心輪從最初的90°逐漸加快速度，在經過180°，一直到了360°以后，該體系就開始降低速度，假如該體系預先設置的降速范圍是在90°以內，那么體系就應該逐漸把速度降下來直到停止運行，而且還要準確無誤地停在90°位置，此時，一個完整的冷床步進過程就完成了。這個進程我們可以總結為：初始位置→加速運動→勻速運動→剎車降速運動→回歸初始位置并停止運動，這個運行過程我們可以用圖1 來表示，0 位是初始位置，0 ～1 為冷床開機并加快速度的進程，1 ～2 為冷床進行勻速運動的進程，2 ～3 為冷床降低速度并開始剎車的進程，3 ～4 為冷床接收材料的等待過程。這些環節當中關鍵是剎車指令能夠迅速精確地傳達以及冷床能夠準確無誤地停止在原位。因此能夠精確地檢查和測量該過程中的具體位置，這在整個進程當中是非常關鍵的。

圖1 冷床工作曲線

2 冷床自動控制系統的設計與實現

在規劃自動化掌控體系時應該充分關注硬件與軟件兩大部分。選擇機械設備時一方面要符合該體系的掌控標準，另一方面也要盡量減少支出，還要方便進行后期的維修和保養工作。同時,更要確保該體系能夠正常運轉，防止出現各類安全問題，使工作人員和生產設施受到破壞。因此，可以在設計機械設備的時候預留一些備份。總之，應該全面分析該體系在運轉時涉及到的各類風險因素，并進行隨時的監督與掌控。

該體系的上鋼裝置會在固定的時間把剪切以后的軋件傳送到冷床上面，在這個過程中，剪切的長度、水冷輥道的速度以及精軋機末架的速度都起到重要的作用。在設計相關軟件的時候，專業人員一般會通過以下的幾個環節來完成，見圖2。

圖2 可編程設計流程

在這個過程當中，形成最后的組態圖是非常重要的環節：首先要建立滿足設計標準的文檔，然后再明確該項目所用到的掌控設施的型號，設定這套以數據運算來操縱的電子系統的內部構造。普通情況下，形成的組態圖應該明確下列標準：CPU種類、I/O 模板的種類與數目以及物理輸入與輸出的組態。通過SIMATICSTEP7 軟件對自動化掌控體系的硬件開展組態，對SM321 模塊與SM322 模塊的指令加以分析，使得該掌控體系的PLC 程序更具適用性。另外在PLC 各個體系和人機界面HMI 中運用了工業以太網；在HMI 上，按照作業規范，工作人員可以設置上鋼裝置的組數、中位停留的時間以及上鋼延時的時間。最后，PLC 借助各類設置的數據與指令來掌控上鋼裝置的運行。

3 棒材冷床區自動化網絡升級改造

（1）全面檢測極容易出現各類問題的P2A 的網絡通信模板、DP網絡連接處。檢測結果顯示P2A網絡通信模板ET200M由于長時間的使用物理性能都已經變壞了，比如指示燈暗淡，DP網絡連接處最初是直的，線路上也有不少的損傷。所以，要把ET200M通信模板與背板連接器替換掉，同時還要把DP 網絡連接處換成斜接頭的方式，從而使DP線路在進行連接的時候更為方便。

（2）測試電源模板得知其輸出的電壓是19.3VDC。而電源模板規定的數值是輸入220VAC，輸出24VDC。19.3VDC 這個數值比規定輸出低了負5%，充分證明電源的功能嚴重降低，因此要換上新的P2A 電源模板，從而保證所有模板能夠按照24VDC 電源進行供電。

（3）因為這部分網絡需用的線路長度有260m，DP 線路運用了很長時間以后，線路的電阻就會逐漸加大，還容易發生漏電的現象，總線路掌控信號的能力也會減弱。

要確保通訊信號處于穩定狀態，就要在P2A 分站與PL-TR41分站各自設置1 臺DP 網絡中繼器，可以將信號擴大并且減少干擾現象。DP 網絡中繼器運用的是西門子RS-485，采取的是全雙工的傳送方式，能夠自動辨識RS-485 信號的流向情況，第一時間內自動發送信息，工作電壓是24VDC，中繼距離超過1.2km，通訊波特率在300 ～115 之間.2Kbps 自適應，里面設置抗雷擊保護與抗靜電保護措施，能夠符合目前工作的要求。

（4）PL-TR41 分站由于發生問題，所以用新型的PL-TR41 通信模板IM153-1 與DP 網絡通信適配器來替換。

（5）運用ProfiCoreUltra2測試了網絡狀況，發現PL-CM43分站通信反映電壓的數值比較低，所以用新的PL-CM43通訊模板IM153-1和DP網絡適配器替換，同時又把DP網線的連接處進行了重改。

圖3 PROFIBUS 網絡改造前電壓條形圖及傳輸波形圖

（6）在軋線經過了自動化的重置以后調試廠家都把DP 網絡的速度提到了1.5Mbps，按照西門子網絡手冊的相關內容，網絡的通信速率和通信的遠近以及穩定性成反比，這段網絡的設計速率是1.5Mbps，測試后發現各分站反映的電壓值非常不穩定，充分證明該網絡的工作過程不可靠。因此，把這段網絡的通信速率從原來的1.5Mbps 降低到187.5Kbps，這時候網絡通信速率就符合運用標準，并有效提升了這段網絡通信的穩定性。如圖3，在改進以前每個分站反映的電壓差距非常大，最大的電壓差甚至有1.5V，波形圖中的毛刺也很多，不呈現比較平直的波形。改進以后如圖4 的直方圖中，每個分站電壓反映相對來說比較穩定，電壓差是0.27V，符合系統標準誤差的范圍。波形圖中的波峰毛刺很小，接近平直的方形波。

圖4 PROFIBUS 網絡改造后電壓條形圖及傳輸波形圖

（7）按照網絡拓撲結構，P2A 網線來源于PL-UH40，這段網線和冷剪輸出輥道VR51 變頻電纜共用一個電纜溝進行鋪設，這個過程中曾經發生過開啟VR51 變頻輥道的時候使得P2A 網絡突然斷開的情況，因此將VR51 輥道包含的43 臺變頻電機的接地線路重新加以改進，按照標準要求來連接電機的側地線，并且將輥道電機開關箱位置和傳動設備的地線連接也加以補充。經過如此改進以后，就不再發生變頻電機對通訊網路產生干擾的情況。

4 結語

總之，棒材軋鋼廠一般要經過加熱爐加熱→軋機軋制→裙板輥道→過跨冷卻→冷剪→收集包裝等工藝路線，其自動化程度的高低直接影響著棒材生產的效率和質量。因此電氣技術人員要不斷加強學習，努力提升自身維護技能，為控制系統發揮作用夯實自動化技術支撐。