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1  引言

        PLC作為現(xiàn)代工業(yè)控制實(shí)現(xiàn)自動化的核心技術(shù)，它使復(fù)雜的工業(yè)控制實(shí)現(xiàn)變得簡單、靈活。通過與個人計(jì)算機(jī)協(xié)議連接，功能強(qiáng)大的控制軟件可以生成豐富的人機(jī)界面，同時有實(shí)時的數(shù)據(jù)顯示，方便操作人員作出判斷。

2  熱處理工藝生產(chǎn)流程簡介

    鋼板的熱處理包括鋼板加熱和淬火，輥底式常化爐和淬火機(jī)分別實(shí)現(xiàn)上述用途。常化爐保溫性能良好，通過輻射加熱，既節(jié)省了煤氣又防止鋼板在加熱過程中的氧化。常化爐兩側(cè)安裝有172根輻射管，爐內(nèi)噴入純氮（99.9%），裝爐和出爐時爐口有氮?dú)夂熞苑姥鯕膺M(jìn)入爐內(nèi)。爐溫精度可以達(dá)到±5攝氏度。該常化爐能自動實(shí)現(xiàn)連續(xù)裝爐，加熱時間可預(yù)先設(shè)定。淬火機(jī)緊鄰常化爐，有8bar的高壓水源和4bar的低壓水源，水流量和輥縫可以自動調(diào)節(jié)，淬火速度自動控制，可以連續(xù)淬火。

3  控制系統(tǒng)組成

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    控制系統(tǒng)由常化爐控制系統(tǒng)和淬火機(jī)控制系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)的核心采用Honeywell公司的S9000系列PLC，所有控制功能都由它來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1  常化爐PLC控制系統(tǒng)

    系統(tǒng)分為三級：上位機(jī)、9200e PLC、現(xiàn)場控制設(shè)備。上位機(jī)可以完成PLC的組態(tài)、控制程序的編寫、PLC的監(jiān)控及人機(jī)界面MMI。上位機(jī)傳給PLC鋼板信息數(shù)據(jù)（如鋼板厚度、加熱溫度、是否淬火等）。PLC主要實(shí)現(xiàn)溫度控制、生產(chǎn)順序控制、點(diǎn)爐和停爐的順序控制、鋼板信號的跟蹤、輥速控制。

    常化爐分為10個溫度區(qū)，對10個溫度區(qū)分別控制它們的溫度。由于爐溫的變化存在很大的滯后特性，屬于大慣性環(huán)節(jié)，當(dāng)今對大慣性環(huán)節(jié)的控制精度問題還沒有很好的解決辦法。常化爐工藝上對溫度精度沒有特別嚴(yán)格的要求，允許升溫區(qū)段有很大的溫度變化（其實(shí)這也是難以解決的），但保溫區(qū)段的溫差應(yīng)在±5攝氏度內(nèi)。溫度控制框圖如圖2所示。PID參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場修改給出經(jīng)驗(yàn)值。

圖2  溫度控制框圖

    速度控制是熱處理工藝中另一個主要環(huán)節(jié)，每塊鋼板的進(jìn)出爐時間都有嚴(yán)格的要求。常化爐爐輥分為三段。驅(qū)動爐內(nèi)輥道的電機(jī)一共有32臺，均可調(diào)速，其中裝爐段15臺，工藝段2臺，出爐段15臺。相對應(yīng)輥速有三種：裝爐速度、工藝速度、出爐速度。裝爐速度要求高速，保證鋼板快速進(jìn)入爐內(nèi)，范圍為0~60m/min；工藝速度相對較小，范圍為0.5~2.95m/min；出爐速度和裝爐速度一樣要求快速，范圍也為0~60m/min。鋼板的速度給定值由操作人員設(shè)定，PLC將給定傳給變頻器，從而實(shí)現(xiàn)輥速的控制。輥速的切換由PLC根據(jù)鋼板在爐內(nèi)的位置再控制變頻器來實(shí)現(xiàn)。

    常化爐能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)全部依賴PLC的生產(chǎn)流程控制。在常化爐的生產(chǎn)線上安裝了10個光電管（PC1~PC11，其中PC2沒有安裝），可以檢測鋼板在爐內(nèi)的位置，同時在裝爐段、工藝段和出爐段各安裝了一個光電碼盤，可以檢測鋼板在爐內(nèi)走過的距離。鋼板裝爐和出爐時，裝爐段電機(jī)和出爐段電機(jī)并非全部高速轉(zhuǎn)動，這樣可以避免一部分在工藝段而另一部分在非工藝段的鋼板保持均速，也可使常化爐一次容納盡可能多的鋼板，加大日產(chǎn)量，這是一個復(fù)雜的控制算法。為了保證爐內(nèi)鋼板的間距為700cm，鋼板信號跟蹤是必須的。PLC自動跟蹤記錄每塊鋼板的位置以及計(jì)算鋼板的出爐時間。

    常化爐的點(diǎn)爐和停爐都按一定的程序來嚴(yán)格執(zhí)行，保證煤氣管道不漏氣、煤氣管道沒有過多殘留煤氣、空氣管道沒有煤氣等，只不過這些都由PLC自動執(zhí)行。

3.2  淬火機(jī)PLC控制系統(tǒng)

    淬火機(jī)PLC控制系統(tǒng)如同常化爐PLC控制系統(tǒng)，也分為三級：上位機(jī)、PLC、現(xiàn)場控制設(shè)備，這里就不再詳述。PLC是控制系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)水流量控制、輥縫控制、淬火速度控制、生產(chǎn)流程控制、信號跟蹤。

    水流量控制和常化爐溫度控制一樣，采用PID實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)，PID參數(shù)也由經(jīng)驗(yàn)值給出。輥縫控制是一個單閉環(huán)，給定由PLC輸出。

    速度控制模式和常化爐控制系統(tǒng)一樣，生產(chǎn)流程控制和信號跟蹤也比常化爐控制系統(tǒng)簡單，用PC13、PC14光電管和一個光電碼盤來跟蹤鋼板位置。

4  過程控制的軟件實(shí)現(xiàn)

    如今，用于工業(yè)上的監(jiān)控軟件很多，如InTouch、Fix32，還有國內(nèi)的組態(tài)王。本系統(tǒng)采用的是Honeywell的PCS(PC Supervisor)監(jiān)控軟件，它把Fix32的大部分功能和S9000的組態(tài)融合在一起，包括I/O的組態(tài)、PLC的地址選擇、PLC的用戶程序編制與下載、PLC的在線監(jiān)控、以實(shí)時數(shù)據(jù)庫為核心的MMI（包括歷史數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時監(jiān)控畫面、實(shí)時報警）。系統(tǒng)有良好的安全策略，安全級別可達(dá)16級。

4.1  常化爐控制系統(tǒng)

    PLC的用戶程序由梯形圖、順序控制圖和連控圖組成。梯形圖完成各種邏輯控制，包括生產(chǎn)流程控制、鋼板信號的跟蹤、點(diǎn)爐和停爐的控制等；連控圖完成模擬量的運(yùn)算和I/O輸出，包括溫度PID控制和輸出、輥速控制和輸出等；順序控制圖完成梯形圖和連控圖一些必要的銜接。

圖3  數(shù)據(jù)流動圖

    梯形圖程序中，按照控制功能分為相應(yīng)的模塊，如生產(chǎn)流程控制子程序、I/O輸入子程序、I/O輸出子程序等，主程序里分別調(diào)用它們。生產(chǎn)流程控制用了內(nèi)部地址8010和8012，它們分別是裝爐和出爐的Flag，利用標(biāo)志來進(jìn)行下一步控制。裝爐輥道和出爐輥道每3臺分成一組，按照鋼板在常化爐中的位置來決定速度的切換。用戶程序里創(chuàng)建了一個連續(xù)的存儲區(qū)域來存儲鋼板的信息，并用地址7002存儲爐內(nèi)鋼板的數(shù)量，完成信號跟蹤。鋼板的信息包括鋼板的位置、加熱溫度、鋼板的代碼、鋼板的厚度和長度。長度在裝爐前由PLC自動測出，鋼板的代碼由現(xiàn)場操縱臺輸入。代碼對應(yīng)的鋼板信息存儲在一個數(shù)據(jù)表格里，包括加熱溫度、厚度、是否淬火（1為正火，2為淬火），程序DDELINK.exe完成和PCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)流動圖如圖3所示。

        PCS采用可視化的方法來編寫連控圖程序，基本元素是功能塊，將各功能塊連接在一起就構(gòu)成用戶控制程序。常用的功能塊包括I/O塊、PID塊、設(shè)定點(diǎn)功能塊、函數(shù)功能塊等。設(shè)定點(diǎn)功能塊能使溫度給定按設(shè)定的曲線變化，生成點(diǎn)爐時的升溫曲線和停爐時的降溫曲線。最后要根據(jù)實(shí)際要求設(shè)定每個功能塊的參數(shù)。

        MMI的實(shí)現(xiàn)以實(shí)時數(shù)據(jù)庫為核心，利用Windows的DDE功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示，幫助操作人員根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)正確操作。MMI包括裝爐、出爐操作界面、歷史數(shù)據(jù)的顯示，幫助技術(shù)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，還有實(shí)時報警界面及普通故障報警界面。普通故障報警界面上動態(tài)鏈接了所有到PLC的報警信號，便于技術(shù)人員查找故障點(diǎn)。

4.2  淬火機(jī)控制系統(tǒng)

    淬火機(jī)控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法與常化爐系統(tǒng)相同，只是控制相對簡單些。淬火機(jī)輥道由一臺電機(jī)驅(qū)動，為簡化設(shè)計(jì)，每次正火或淬火時淬火機(jī)輥道上設(shè)定只有一塊鋼板。當(dāng)淬火機(jī)上有鋼板時，準(zhǔn)備出爐的鋼板只有在爐內(nèi)搖擺等待，這些都通過生產(chǎn)流程控制子程序?qū)崿F(xiàn)。根據(jù)常化爐傳來的出爐信號啟動淬火或正火，鋼板通過PC13、PC14表示淬火或正火結(jié)束。輥速控制、水流量控制的實(shí)現(xiàn)如同常化爐的輥速控制、溫度控制的實(shí)現(xiàn)。淬火機(jī)輥縫控制算法如圖4所示。

圖4  淬火機(jī)輥縫控制算法

    實(shí)際中，data1=10，data2=2，data3=-10，data4=-2。MMI的實(shí)現(xiàn)和常化爐系統(tǒng)相同。

5  結(jié)語

    軋板熱處理PLC控制系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，比較好地保證了產(chǎn)量，同時又保證了鋼板的質(zhì)量。它在MMI的設(shè)計(jì)上，既做到了界面的美觀，更有實(shí)用性。整個控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有許多必要的故障報警輔助點(diǎn)，并在MMI上全部有鏈接，使故障的查找簡單明了，節(jié)約了故障處理時間，并在常化爐的點(diǎn)爐程序設(shè)計(jì)上充分考慮了生產(chǎn)的安全性。