【導(dǎo)讀】設(shè)計中利用PLC控制系統(tǒng)，分布式I/O系統(tǒng)及系統(tǒng)通訊實現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)的自。PLC控制系統(tǒng)將采用德國SIEMENS公司S7系列的PLC實現(xiàn)棒材生產(chǎn)線的各。同時設(shè)計中詳細(xì)地設(shè)計了系統(tǒng)的PLC的系統(tǒng)配置、應(yīng)用軟件的控制。了勞動生產(chǎn)率，創(chuàng)造了較大的經(jīng)擠效益。

　　

【正文】 低等 [9]。 ２１ PLC 系統(tǒng)控制 的實現(xiàn) 由于本 PLC控制系統(tǒng)中的速度級聯(lián)、微張力及活套高度的控制下放到傳動控制器中，主軋制線的 PLC的控制功能得以簡化，其主要功能如下。 軟件控制設(shè)計 １．?dāng)?shù)據(jù)交換及通信 主 PLC通過兩個 Genius通信模塊 (GBC)，與現(xiàn)場控制器 (VersaMax)構(gòu)成的遠程 I／ O站 (操作臺及操作箱 )實現(xiàn)通信，該 Genius網(wǎng)采用雙 網(wǎng)冗余的配置，當(dāng) A網(wǎng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動切 換到 B網(wǎng)， PLC軟件可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的故障代碼，讀取當(dāng)前正在運行的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。當(dāng) PLC讀到網(wǎng)上數(shù)據(jù)時，要完成數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，并按照操作工藝規(guī) 程及邏 輯將操作命令傳到傳動控制器及 MMI系 統(tǒng)。同時 PLC通過Profibus通信模塊 (BPM)讀 取傳動控制器信號，并根據(jù)這些信號的類型轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的格式，再通過 Ether通信網(wǎng)傳送到 MMI系統(tǒng)。 ２．起落套控制 由于微張力和活套高度控制已下放到傳動控制器中，對微張力控制部分 PLC只負(fù)責(zé)采集粗、中軋機架間的熱金屬檢測器的信號、軋機的負(fù)荷 繼電器信號、主操作臺的操作命令及服務(wù)器 (上位 機 )微張力調(diào)節(jié)給定值，并送到各傳動控制器中。對活套控制的重點是起落套控制。根據(jù)捧材連軋工藝的要求，軋制不同斷面尺寸的成品，所選用機架數(shù)量 是不同的，各機架的設(shè)定速度也是隨斷面規(guī)格的變化而不同，為此起落套時要采用相應(yīng)的延時控制。起套過早會因軋件的頭部未被咬入而造成故障，起套過晚又會因軋件的頭部疊軋而產(chǎn)生堆鋼。理論上活套的形成是因咬鋼時存在的動態(tài)速降而產(chǎn)生，但實際上起落套的控制還要考慮起落套的命令到起套輥氣缸動作之間的時間延時因此起套的控制要綜合考慮多種因素同時也考慮落套時避免尾部擺動而提前落套。 ３．冷床上鋼控制 冷床上鋼裝置 (裙板 )的作用是在適當(dāng)時刻將倍尺飛剪切完的軋件送到冷床上，軋件在冷床上的運行受到幾個因素的影響：精軋機末架速度，水冷輥道 的速度，倍尺剪剪切的長度，每組冷床輸人輥道的速度 (共 3組 )，上鋼裝置在上部、中部及下 部的停留時間、上鋼裝置的使用組數(shù) (共 3組 )、液 壓閥的動作時間及軋件的重量等。為了保證準(zhǔn)確的上鋼，即軋件的頭不能撞到冷床的上鋼裝置上，軋件的尾部要送到冷床上，軋件的尾部要對齊便于上鋼移動。精軋機末架速度由軋制規(guī)程給定，剪切的長度是由 3＃ 倍尺飛剪設(shè)定的，水冷輥道及 3組冷床輸入輥道按一定的超前率跟隨終軋速 度，該速度由設(shè)定程序給定，也允許操作員在 MMI上修改。在主操作臺的 MMI上，操作員根 據(jù)操作規(guī)程選定使用上鋼裝置的組數(shù)、 ２２ 上鋼延 間 及中位停留時間。精軋后的棒材以 3～ 16 m／ s的速度進入 3 倍尺飛剪，剪切后的棒材在 3組不同速度的冷床輸人輥道上運行，由于速差的作用將切斷后的棒材前后兩根分離，上鋼裝置正是利用前后兩根軋件分離的時間和拉開的距離完成上鋼動作。 PLC根據(jù)工藝設(shè)定值、精軋出口的熱金屬檢測器的 ON／ OFF信號、3＃倍尺飛剪的剪刃閉合信號、上鋼裝置的高、中及底位的接近開關(guān) 的信號來控制上鋼裝置的液壓閥動作由于上鋼的好壞不但受到上述電氣及機械設(shè)備的影響，還 受某些工藝因素的影響，例如軋件溫度、表面氧化鐵皮及重量等，因此 PLC程序設(shè)計時還留 有人工干預(yù)修正的接口。 ４．軋件跟蹤 軋件跟蹤是棒材連軋計算機控制系統(tǒng)的主要功能之一。在軋制生產(chǎn)過程中，同一時刻往往有多根軋件在生產(chǎn)線上的不同工序中加工處理。為了對整個軋制生產(chǎn)過程進行自動控制，必須區(qū)分每根軋件所在的位置、針對它在生產(chǎn)線上的不同位置，及時地進行相應(yīng)的自動控制。 PLC根據(jù)生產(chǎn)線上各個區(qū)段的熱金屬檢測器和軋機的負(fù)荷繼電器的 (ON／ OFF)狀態(tài)變化來跟蹤指示字，根據(jù)跟蹤指示字的變化來判斷每根軋件的位置。為粗、中軋的微張力控制、精軋的活套高度控制、 1 與 2 飛剪的切頭／切尾控制、起落套的控制、上 鋼裝置的控制及模擬軋鋼提供信號。 ５．模擬軋鋼 模擬軋鋼一般分為兩種類型：第 1種是純軟件的模擬，這種模擬軋鋼通常在上位機中進行．主要用于數(shù)學(xué)模型的檢驗及工藝過程的離線分析。第 2種是檢驗現(xiàn)場的電氣及機械設(shè)備的動作可靠性的現(xiàn)場模擬，為開始軋鋼生產(chǎn)做準(zhǔn)備本系統(tǒng)采用第 2種模擬軋鋼，由主操作臺的操作員選擇是否投人該功能。模擬軋鋼系統(tǒng)可模擬生產(chǎn)線上有一塊鋼或同時有兩塊鋼在軋制、由操作員選擇 PLC根據(jù)軋件跟蹤的模擬信號，對 1 和 2 飛剪直流數(shù)字控制器進行控制，檢查切頭及切尾時剪機能否準(zhǔn)確動作。精軋機活套器的起套輥氣缸 也要通過模擬軋鋼來檢查，看是否能按時升降。還有上鋼裝置也需要在開軋前檢查動作是否正常。 ６．出坯系統(tǒng) 出坯系統(tǒng)是鋼坯連鑄生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。其作用是將切割后的鋼錠鑄坯輸出，及時送上冷床進行下一道工序。以前的出坯系統(tǒng)控制方案 是采用繼電器、接觸器等進行邏輯控制，不但線路復(fù) 雜，而且可靠性也差，現(xiàn)在采用 PLC后克服了這些缺陷。 其工藝流程可分為自動和手動兩種工作情況： （ 1）自動 ①當(dāng)操作臺上的“出坯軌道”開關(guān)和推鋼機”開關(guān)同時置于自動”位置時， 出坯軌道自動指示燈和“推鋼機自動指示燈”同時亮，電動機 M。 正轉(zhuǎn)，鑄坯正 ２３ 向向前移動，在鑄坯運行碰上“固定檔板行程開關(guān)” SQ1時， Ms電機停轉(zhuǎn)，與此同時： A 推鋼機電磁閥 Y1 2得電，推鋼機推鋼，當(dāng)其碰到終點行程開關(guān) SQ13或延時l0s時，電磁閥 Y1 2失電，推鋼機返回，當(dāng)其碰到起點行程開關(guān) sQ12時，推鋼機停止； B 升降檔板電磁閥 YIO得電，升降檔板升起，當(dāng)推鋼機返回時，上升電磁閥YIO失電，下降電磁閥 Yll得電，升降檔板下降，當(dāng)其碰到下限行程開關(guān) SQlO時，下降電磁閥 Y11失電，升降檔板停止，當(dāng)升降檔板下降后，出坯軌道電機 M5得電，出坯軌道繼續(xù)運行，進行下一個 循環(huán)； ②當(dāng)一旦出現(xiàn)異常情況，應(yīng)立即將“出坯軌道開關(guān)”置于“停止”位置，按“反轉(zhuǎn)”銨鈕，出坯軌道反轉(zhuǎn)，將鋼坯拖出。 （ 2）手動 ① 當(dāng)“出坯軌道開關(guān)”置于“正轉(zhuǎn)”位置時，電機 M5通電，出坯軌道向前作正向運轉(zhuǎn)。 ② 當(dāng)“出坯軌道開關(guān)”置于“停止”位置時，按“反轉(zhuǎn)按鈕， M5電機反轉(zhuǎn)帶動出坯軌道向后運行。 ③“推鋼機開關(guān)”置于“推鋼”位置時，推鋼機電磁閥 Y2得電，推鋼機推鋼，當(dāng)碰到終點行程開關(guān) SQ13或延時 l0s，電磁閥 Y12失電，推鋼機返回，當(dāng)碰到起點行程開關(guān) sQl2后，停止。推鋼機開關(guān)置于“?！蔽唬稍俅尾僮?。 ④ 當(dāng)“升降檔板開關(guān)”置于“上升”位置時，升降 檔板上升電磁閥 YIO得電，升降檔板升起，當(dāng)開關(guān)置于“下降”位置時，上升電磁閥 YIO失電，下降電磁閥Yll得電，升降檔板下降，當(dāng)碰到下限行程開關(guān) SO10后失電。 硬件設(shè)計 １．操作控制臺的設(shè)計 為了實現(xiàn)人機的聯(lián)系，使 PLC按照操作者下達的命令動作，有必要根據(jù)工藝要求，設(shè)計一個操作 控制臺，一般是將各種開關(guān)、按鈕、指示燈等集中布 置于操作控制臺上。操作控制臺面板布置圖從略。 ２． I／ O點的估算 根據(jù)工藝流程以及操作控制臺的要求，可以估算出 PLC的輸入輸出 點個數(shù)，從而可以選擇出什么樣型號的 PLC。 （ 1）輸入點輸入總共 15個點，其中操作臺 l1個，現(xiàn)場 4個。 （ 2）輸出點輸出點數(shù)共 14個，其中操作臺 8個，現(xiàn)場 6個。確定好輸入輸出點后，要給它們分配一個相應(yīng)的 8進制 PLC號。例如：出坯軌道選擇開關(guān)的“自動”00,停止 01；正轉(zhuǎn) 02；點動反轉(zhuǎn)按鈕 o3等等。此外還用到以下的特殊功能線圈： ２４ 000~157 I／ O點 ３．電機的 電氣控制 在本系統(tǒng)的出坯系統(tǒng)、精整區(qū)經(jīng)常會碰到控制電機正反轉(zhuǎn)的問題。辟如： （ 1）當(dāng)“出坯軌道開關(guān)”置于“正轉(zhuǎn)位置時，電機 M5通電，出坯軌道向前作 正向運轉(zhuǎn)。 （ 2） 當(dāng)出坯軌道開關(guān)“置于”停止位置時，按“反轉(zhuǎn)按鈕， M5電機反轉(zhuǎn)帶動出坯軌道向后運行。 圖 電動機正反轉(zhuǎn)控制 PLC/IO 接線圖 （ 3）這是控制電機正反轉(zhuǎn)的 PLC/IO 接線圖和梯形圖，在圖 中，按下正向啟動按鈕 SB2，輸入繼電器常開觸點 00001 閉合，輸出繼電器 01000 被驅(qū)動，并自鎖，接觸器 KM1 得電，常開觸點閉合，電動機正傳；與此同時，輸出繼電器的常閉觸點 01000 斷開，以確保 KM2 不能得電，實行電氣互鎖。若按下反向啟動按鈕 SB3 輸入繼電器 常開觸點 00002 閉合，輸出繼電器 01001 被驅(qū)動，并自鎖，接觸器 KM2 得電其常開觸點閉合，電動機反轉(zhuǎn)；停機時按下 SB1，常閉觸點 00000 斷開；過載時熱繼電器常閉觸點 FR 閉合，常開觸點 00003 斷開，這兩種情況都能使輸出繼電器 01000 或 01001 失電，從而導(dǎo)致 KM1 或 KM2 失電，電動機停止 [11]。梯形圖如圖 所示。 圖 電動機正反轉(zhuǎn)控制梯形圖 ２５ （ 4）軋機順序啟動的電機聯(lián)鎖控制 圖 電動機順序啟動聯(lián)鎖控 制 PLC/IO 接線圖 圖 電動機順序啟動聯(lián)鎖控制梯形圖 在本 PLC 控制系統(tǒng)中由于選用的電機功率很大且數(shù)量龐大，故系統(tǒng)啟動時產(chǎn)生的沖擊電流很大。這對電網(wǎng)的沖擊很大且容易損壞其他設(shè)備。為了避免出現(xiàn)這種情況故在電機啟動時采用順序聯(lián)鎖控制。使系統(tǒng)啟動在一定的時間段來完成，這就減輕了沖擊電流對電網(wǎng)的沖擊。圖 ，圖 分別為電動機順序啟動聯(lián)鎖控制的 PLC/IO 接線圖和梯形圖。控制過程如下：按下啟動按鈕 SB2，輸入繼電器常開觸點 00000 閉合，輸出繼電器 01000 得電并自鎖，接觸器 KM1得電吸合，電動機 M1 啟動；同時常開觸點 01000 閉合，定時器 T000 開始記時；延時時間到，常開觸點 T000 閉合，輸出繼電器 01001 得電并自鎖， KM2 得電吸合，電動機 M2 啟動。可見只有 M1 先啟動， M2 才能啟動。若按下停止按鈕SB1，則常閉觸點 00001；若 M1 過載，熱繼電器 FR1 的常開觸點閉合，則常閉觸點 00002 斷開，這兩種情況都能使 01000、 0100 T000 線圈失電，從而導(dǎo)致 ２６ KM1， KM2 失電，兩臺電動機停轉(zhuǎn)。如果 M2 過載，則常閉觸點 00003 斷開，只能使電動機 M2 停轉(zhuǎn)， M1 保持運行。 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及 PLC 的選型 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 由于軋鋼工藝復(fù)雜，精度要求高且工作環(huán)境惡劣機器工作周期長，所以經(jīng)常會發(fā)生一些意外情況。為了提高工作效率將低可能發(fā)生的意外情況所帶來的損失，經(jīng)常會在操作現(xiàn)場安裝就地操作箱方便控制。所以本控制系統(tǒng)的工作方式是半自動加少量手動，以達到最好的控制效果。當(dāng)然不可缺少的還有故障檢測，報警，緊急情況處理，管理功能，聯(lián)網(wǎng)通訊功能等等。 １．系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖 ： 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為兩層，即下層控制網(wǎng)和上層管理網(wǎng)。 下層控制網(wǎng)采用雙 芯屏蔽電纜，適合 PROFIBUS 國際標(biāo)準(zhǔn)，滿足現(xiàn)場信號的采集、處理和控制器的通訊，為 PROFIBUSDP 現(xiàn)場通訊網(wǎng)。 上層管理網(wǎng)分為 TCP/IP 協(xié)議的管理以太網(wǎng)，通過 OS 站、 ES 站上的網(wǎng)卡連接，主要實現(xiàn)工程師和操作員站之間的文件管理。 圖 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 ２．軟件及組態(tài)設(shè)計 操作員站 OS 和工程師站 ES 均采用微軟中文版 WINDOWS2021 和 ２７ INTERNET ，使得除工程師組態(tài)以外的所有信息、界面均實現(xiàn)漢化。 硬件組態(tài)也是一種圖形化的組態(tài)方 式，十分方便。對某一過程站而言，實際帶有若干 ET200 遠程 I/O，組態(tài)畫面中就在該過程站后的 PROFIBUSDP 網(wǎng)絡(luò)線上拖放幾個 IM153 模塊形成幾個 ET200 遠程 I/O 接點。 硬件組態(tài)配置完成后，下載到相應(yīng)的過程控制站。這樣就使得實際硬件安裝模件和硬件組態(tài)相一致，從而， I/O 模塊上的每一點的點號地址就得以確定。 PLC 的選型 模塊化無風(fēng)扇的設(shè)計，堅固耐用，容易擴展和廣泛的通訊能力，容易實現(xiàn)的分布式結(jié)構(gòu)以及用戶友好的操作使 SIMATIC S7400 成為中、高檔性能控制領(lǐng)域中首選的理想解決方 案。 SIMATIC S7400 是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。 １． 新推出的新一代 SIMATIC S7－ 400 可編程控制器是一次重要的 CPU硬件平臺升級，在以下幾方面進行了重要革新： 處理速度顯著提高： CPU 處理速度比同型號整體提高 3 到 70 倍， 417 型 CPU 最快高達 微秒 /位指令。執(zhí)行復(fù)雜數(shù)學(xué)運算的速度最高提高到原來的70 倍。 CPU 的資源裕量顯著增加： 工作內(nèi)存加倍，最高達 20 MB S7 定時器和計數(shù)器個數(shù)提高 8 倍，達到 2048 個。 CPU 通信性能顯著增強 由于等時模式工作中循環(huán) 周期更短， 現(xiàn)場級通訊連接性能有了顯著提高，特別是與驅(qū)動裝置的通訊能力進一步增強 數(shù)據(jù)傳輸速率加倍，垂直集成通訊及 PLCPLC 的通信響應(yīng)時間縮短一半。 硬件冗余 CPU 同步速率更快，同步光纜最高可達 10 公里。 ２． 新一代 S7－ 400 與現(xiàn)有產(chǎn)品是零部件兼容的，并繼續(xù)使用現(xiàn)有產(chǎn)品的電源、機架和 I/O 模板等的附屬配件。 由于采用了新的硬件設(shè)計， CPU 可擴展的 DP 模塊（ MLFB： 6ES79642AA010AB0）將采用新型產(chǎn)品（ MLFB：6ES79642AA040AB0），該 DP 模塊與老版本不兼容。 原有 程序移植到新型CPU 上不需要更改即可正常工作。由于顯著提高了同步功能， H 型 CPU 將采用全新的同步模塊和同步線纜。 ３． 新 CPU 只能在裝有 HSP(硬件支持包 )的 STEP7 SP1 HF3 版本或 ２８ STEP7 （裝有 HSP）下組態(tài)編程， HSP(硬件支持包 )可在線升級，或通過網(wǎng)上下載。其它低版本 STEP7 不再適用。 ４． 技術(shù)規(guī)范 ： 表 S7 系列 PLC 技術(shù)規(guī)范表 1 ５． PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備 （ 1） 編程設(shè)備：編程器是 PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控 PLC及 PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器 PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當(dāng)編程器。 目前常見的編程器有簡易編程器或 GPLLCD圖形編程器或 CRT圖形編程器等。根據(jù)不同的編程器將程序框圖轉(zhuǎn)換成梯形圖程序或助記符語言程序，然后借助于編程器將這種不同形式的程序輸入到 PLC的 存貯器中進行邊調(diào)試邊修改，直到達到預(yù)定的要求后，最后將程序固化到 EPROM存貯器中就完成了全部設(shè)計任務(wù)。 （ 2） 人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機界面非常普及。 ２９ 表 S7 系列 PLC 技術(shù)規(guī)范表 2 （ 3） 輸入輸出設(shè)備：用于永久性地 存儲用戶數(shù)據(jù)，如 EPROM、 EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等 [17， 18]。 ６． PLC控制系統(tǒng) 的通信聯(lián)網(wǎng) 依靠先進的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出 網(wǎng)絡(luò)就是控制器 的觀點說法。 PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使 PLC與 PLC 之間、 PLC與上位計算機以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有 RS232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。 PLC的 通信，還未實現(xiàn)互操作性， IEC規(guī)定了多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)， PLC各廠家均有采用。 對于一個自動化工程 (特別是中大規(guī)模控制系統(tǒng) )來講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴展；其次，針對不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議、機制的前提下進行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) [24,25]。 ３０ 遇到的問題及處理方法 PLC 接地問題及處理 PLC要求單獨接 地，絕對要與動力地分開。 PLC單獨接地不僅僅是為了避雷，而且是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力。由于本項目調(diào)試時 PLC接地與動力地沒有分開，在下載程序時系統(tǒng)提示 PLC容量不夠，檢查 PLC的 CPU 占用率．結(jié)果為 20％左右．因此 CPU并不忙。并且每隔一段時間 CPU內(nèi)存程序丟失。將 PLC單獨接地以后，以上兩種異?，F(xiàn)象消失。 模擬量處理 該工程項目中的所有模擬量普遍采用 4— 20mA的電流信號，并且傳輸電纜的屏蔽層在 PLC側(cè)接地，具有較強的抗干擾能力，但在實際中，用 FC105處理這些模擬量時，有時仍由于干擾而使 FC105報錯