冷軋清洗線控制系統結構和設計方案分析

于志軍

[摘要]隨著工業技術的不斷發展，各行各業對冷軋板材的要求越來越高，冷軋帶鋼表面附有軋制油、機油、粉末和灰塵等污物，當清洗不干凈時，退火后這些污物成為碳化物，既有損外觀，也是后步工序產生事故的原因，所以冷軋清洗線的設計是整個生產的重要環節。本文以鞍鋼冷軋清洗線為背景，對它的控制系統結構和設計方案進行了分析。

[關鍵詞]冷軋清洗線 控制系統 結構 設計方案

冷軋帶鋼表面附有軋制油、機油、粉末和灰塵等污物。當清洗不干凈時，退火后這些污物成為碳化物，既有損外觀，也是后步工序產生事故的原因，特別是涂鍍層鋼板，產生表面層不均，使耐腐性變壞。現在隨著工業技術的發展，對冷軋帶鋼的技術指標要求越來越高。基于此種現狀，鞍鋼決定新建冷軋清洗線。

一、清洗線控制系統結構

根據工藝的情況，我們把控制任務分成三個PLC來完成，同時為了保證系統能可靠的運行，實現數據采集監控和聯網功能，我們采用的方法是將以太網通訊與現場總線相結合，利用這兩種通信技術在其各自領域中的優點，來完成這項復雜的控制任務。

對于控制層，采用高速以太網技術，而在現場設備層則采用現場總線技術因為以太網能最大限度地利用它的通信功能。每個網關即是以太網的節點，又是下面子系統的主站。網關可以實現對子系統實時的控制，并把子系統內部的信息進行預處理，只把一些重要的信息按照TCP/IP的幀的格式發送到以太網上。在網關上還可以實現復雜的以太網控制算法。這種方案的好處是避免以太網直接對傳感器和執行器等底層設備的訪問，減少了以太網上實時數據的傳送量，減少了沖突的機會，在一定程度上避免了在惡劣的工業條件下傳輸實時數據出現遲延的問題。

（一）控制系統的選擇

本項目中共使用了2000多個數字量和模擬量輸入輸出點，不僅涉及到順序邏輯控制，還有對模擬量的控制、數據處理和故障處理，整個系統的編程量較大。而德國西門子公司$7 400的PLC系列，是為大中型自動化任務而設計的可編程序控制器系統，為各種復雜應用控制系統提供理想的解決方案。它采用模塊化設計，性能范圍寬廣的不同模板可靈活組合，擴展十分方便，S7-400中央控制器最多能連接21個擴展單元。它有強大的I/O容量，高速的程序處理速度，內置MPI、DP等多種通訊網絡接口，多CPU可安放于同一基板，可完成實時多任務控制，具有完善的通用型I/O及特殊功能I/O設計，完整強大的指令集，可實現復雜的浮點、三角函數和其他函數運算，靈活多樣的編程軟件、應用組態軟件可為工業生產提供極大的方便，深受工業控制領域的青睞。所以本次工程中過程控制PLC采用SIEMENSS7400 PLC，用于生產過程的數據采集、回路控制、順序控制以及連鎖等。通過編程器，采用STEP 7語言程序，對PLC進行系統邏輯控制編程。采用SIEMENS公司的WlNCC監控組態軟件，進行操作站監控操作畫面的組態編程。采用工業以太網，通過網絡交換機，進行控制系統之間的數據通信。本套控制系統采用一、二級共同控制完成，復雜計算和控制算法都可以在二級完成。

（二）系統網絡結構

控制系統可分為兩層，上層為工業以太網，將各工程師站、三個控制主站（1#～3#）PLC連接。

工程師站裝有SIMATICS7組態及編程軟件和SIMATICS7WlNCC監控組態軟件。底層為Profibus DP現場總線網，S7-400以為主站構成現場總線控制系統，實現對不同對象的過程控制。

3個PLC機架的電源模塊都采用PS407 20A；中央處理單元采用CPU416 2DP，它雖然自帶DP接口，但為了節省CPU資源，提高CPU運行速度，機架上分別接了幾塊DP擴展模板CP443-5作為DP主站。各PLC都是通過以太網接口CP443-1將S7-400聯入工業以太網。從站分別接有ET200M、DPET200B、（對中設備）EPC、絕對值編碼器、計數器模板FM450、變頻器以及門型吊車等子站。

二、軟件介紹

本次工程采用SIMATIC S7軟件，它是用于SIMATIC S7-300、400可編程邏輯控制程序的標準軟件，編程語言主要有：梯形圖、語句表和功能塊圖。SIMATIC S7編程語言符合DIN EN611131-3標準，使用者更容易掌握使用多個子程序分段實現的設計方法。通常用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB）、功能（FO和數據塊（DB）構成。OBI是主程序循環塊，是必需的。根據過程控制的復雜程度，可將所有的程序放入OBl中進行線性編程或將程、序用不同的邏輯塊加以結構化，通過OBl調用這些邏輯塊。以I#PLC程序為例，程序由40幾個FB塊、70幾個Fc塊、若干個背景DB和公用DB塊以及10個系統塊SFC組成，主程序包括從入口小車運卷、上卷、開卷直到挖邊剪挖邊完成等一系列控制任務。因任務需要，對于小車的自動控制采用了S7 300/400用于順序控制程序的功能圖語言s7Graph進行編寫。在s7 Graph中，控制過程被劃分為許多明確定義了的功能范圍的步（sTEP），用圖形清楚地表明整個過程的執行情況。可以為每一步指定該步要完成的動作，然后檢查由此動作帶來的結果，可以用此結果作為啟動下一步的條件。如果條件成立，則繼續執行；條件不成立，則等待做相關的連鎖處理。其它的控制程序用梯形圖、功能塊或語句表來完成。

三、人機畫面

系統的人機畫面顯示各種現場設備狀態和工藝參數，及顯示入口和出口鋼卷的參數，同時打印出口鋼卷取樣報表。畫面主要由以下組成：主畫面、上卷車和卸卷車畫面、上卷車和卸卷車畫面。

上卷車和卸卷車畫面顯示入口鋼卷和出口鋼卷的運送情況；此外，還有帶鋼前進過程的各種實時數據和現場設備狀態，包括開卷機和卷曲機鋼卷上料和卷曲的趨勢畫面以及全線速度和張力值顯示畫面；報警畫面顯示各種報警信息。如：急停、快停故障、上料和卸卷故障、極限開關故障、焊接以及剪切故障等；輔助設備狀態顯示畫面主要顯示各輔助設備閥門開/關、上/下、前進/后退的狀態等；液壓畫面用來監視各輔助設備以及上卷車和卸卷車的液壓閥油路供應情況。

四、控制任務及方案選擇

入口段主要完成鋼卷的上料過程，為工藝段能順利的清洗作準備。現在的軋鋼生產線上，入口的上料和出口的卸料大多是采用步進梁來完成的。步進梁有它的優點，也有它的缺點。它的優點是控制方式比較簡單，適合于高速的軋線生產，頻繁的運送鋼卷；缺點是機械設備龐大，費用高、占用工地面積大，而且控制方式不靈活，功能有限。而對于本條生產線的特點，使用鋼卷小車，恰恰能彌補步進梁的不足。而且鋼卷小車的靈活方便正適合本條生產線的特點。但小車也有它的控制缺點，因為它的靈活性，必然使控制方法變得復雜了。