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1 引言
目前，西門子PLC以其強(qiáng)大的功能，優(yōu)越的性能和良好的穩(wěn)定性，在各行各業(yè)的生產(chǎn)線的控制中被廣泛地使用，尤其是在軋鋼領(lǐng)域應(yīng)用得更是普遍。冷軋實(shí)驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)對控制器的精度和速度的要求都很苛刻，因?yàn)槔滠垯C(jī)的產(chǎn)品原料通常都很薄，軋制過程厚度控制的難度較大，同時(shí)還要對張力、速度進(jìn)行精確控制。作為實(shí)驗(yàn)機(jī)，不僅要控制好，同時(shí)還要對控制過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確的測量，以便對工藝過程參數(shù)做進(jìn)一步地分析和研究。
整個(gè)冷軋的機(jī)械部分包括主軋機(jī)(機(jī)架、兩支撐輥和工作輥)、卷取機(jī)、減速機(jī)等?？刂撇糠职ㄖ鱾鲃与姍C(jī)、電動壓下電機(jī)、左/右卷取電機(jī)、西門子直流調(diào)速器和液壓缸。液壓站中的五個(gè)電機(jī)和潤滑站中的工藝潤滑、設(shè)備潤滑兩個(gè)電機(jī)、加熱器等。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)包括兩部分，即控制部分和數(shù)據(jù)采集處理部分?？刂撇糠植捎梦鏖T子公司的S7-400系列PLC，并利用FM458作為高速模擬量控制器，與ET200組成ProfibusDP網(wǎng)，對分散的對象如操作臺的控制時(shí)減少接線。使用S7-300PLC作為從站對液壓站和潤滑站進(jìn)行控制。利用S7-400系列的443-1完成S7-400主站與人機(jī)界面計(jì)算機(jī)的通訊，人機(jī)界面計(jì)算機(jī)位于操作臺上，采用西門子公司的觸摸屏，軟件為WinCCflexible。
主液壓缸位移的測量選用德國的MTS絕對值傳感器，左/右卷機(jī)的轉(zhuǎn)速測量選用雷恩增量編碼器，利用FM458控制器通過FM438-1擴(kuò)展板上的絕對值和增量編碼器模塊讀取位移和轉(zhuǎn)速值，另外卷徑也是通過增量編碼器計(jì)算出來的。冷軋薄帶鋼在卷取時(shí)的張力是通過力傳感器檢測的。硬件配置見圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件配

3 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)
首先慢速點(diǎn)動將原料帶鋼上卷，此時(shí)的主傳動電機(jī)和卷取電機(jī)都是由S7-400站上的FM458通過6RA70直流調(diào)速器來控制的，其反饋信號如電機(jī)的速度是由FM438上的增量編碼器檢測，電機(jī)電流有調(diào)速器提供。構(gòu)成速度閉環(huán)和電流(即轉(zhuǎn)矩)閉環(huán)，同時(shí)通過力傳感器檢測到帶鋼的張力，完成力閉環(huán)控制。然后在觸摸屏上輸入工藝參數(shù)，如軋制的道次及相應(yīng)的厚度值等。帶鋼的厚度控制是有MTS高精度位移傳感器檢測液壓缸的位置，通過FM438模板上的絕對值編碼器采集信號，經(jīng)過PID算法后，輸出電壓值到高速伺服閥，從而完成對液壓缸的位置閉環(huán)控制。當(dāng)軋輥需要大位移移動時(shí)，需要對壓下電機(jī)的控制來完成。
軋機(jī)在工作之前，液壓站要首先工作，即要將主泵和背壓泵打開，冷卻水泵打開，以降低油溫。將加熱器打開，使乳化液的溫度控制在50℃左右，打開攪拌電機(jī)時(shí)乳化液溫度均勻。打開工藝潤滑泵和設(shè)備潤滑泵。
乳化液的溫度控制是有S7-315 CPU，通過8通道模擬量輸入模塊7KF02檢測來自溫度變送器的溫度值，通過與設(shè)定值的比較，控制兩個(gè)加熱器的通和斷。當(dāng)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相差較大時(shí)，兩個(gè)加熱器都打開，當(dāng)實(shí)際溫度接近設(shè)定溫度的一個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，關(guān)掉一個(gè)加熱器。當(dāng)軋機(jī)工作時(shí)，S7-315還要檢測乳化液出口處的壓力，并將壓力、溫度、液壓站濾油器的狀態(tài)等值通過Profibus-DP網(wǎng)發(fā)送到S7-400主站中的DB塊中，以便在HMI計(jì)算機(jī)上顯示，同時(shí)將速度、電流、張力等信號保存的數(shù)據(jù)庫中。

4 系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)
在控制系統(tǒng)中將S7-400設(shè)為主站，將S7-300設(shè)為從站，它們之間的地址映射關(guān)系見圖2和圖3。
●Mode:通訊模式，MS為主從方式的通訊模式。
●Partner DP Addr:DP通訊伙伴的地址。
●Partner Addr:通訊伙伴的輸入/輸出地址。
●Local Addr:本站的輸入/輸出地址(S7-300站的地址)。
●Length:連續(xù)的輸入/輸出地址區(qū)的長度為32個(gè)字節(jié)。
●Consistency:數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

圖2 主、從站的地址映射關(guān)系

圖3 報(bào)警信號發(fā)送到主站

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
冷軋實(shí)驗(yàn)機(jī)機(jī)組的控制軟件分為兩部分，一部分是軋機(jī)的邏輯控制，即由梯形圖或語句表編寫，另一部分是模擬量閉環(huán)控制，由CFC結(jié)構(gòu)流圖編寫。液壓站部分的軟件都是由梯形圖或語句表編寫。
液壓站部分的軟件分為模擬量檢測，即乳化液溫度和壓力，溫度控制;邏輯控制。具體的子程序塊及其功能如下。
(1) 模擬量檢測及主從站通訊子程序:完成乳化液溫度、壓力的檢測，溫度控制，并將溫度、報(bào)警信號等，發(fā)送的S7-400主站，同時(shí)主站要對從站中控制乳化液的兩個(gè)閥進(jìn)行控制。
(2) AGC及彎輥站邏輯控制子程序:完成對主、輔電機(jī)及其伴隨閥的邏輯控制。
(3) 水泵及攪拌器的邏輯控制子程序:完成液壓站的油溫控制，使其溫度保持在一定范圍內(nèi)，按工藝要求完成攪拌器電機(jī)邏輯控制，使乳化液的溫度保持均勻。
(4) 工藝潤滑和設(shè)備潤滑站電機(jī)邏輯控制子程序
(5) 故障報(bào)警子程序:當(dāng)液壓站油溫持續(xù)過高、濾油器堵塞、乳化液溫度不工藝在要求范圍內(nèi)等，將產(chǎn)生報(bào)警信號。
(6) 公共子程序:公共子程序包括很多，如圖4、圖5、圖6示出了數(shù)據(jù)標(biāo)。度變換、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、控制算法、數(shù)據(jù)處理等子程序。

圖4 標(biāo)度變換子程序

圖5 溫度邏輯控制子程序

圖6 數(shù)據(jù)檢測子程序

6 結(jié)束語
該實(shí)驗(yàn)軋機(jī)的控制系統(tǒng)采用了性能穩(wěn)定穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)的西門子系列PLC，使整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行安全可靠，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，利用該設(shè)備承攬了與韓國一家公司的潤滑油性能研究的科研項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)機(jī)是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備，得到了國家九八五自然科學(xué)基金的資助，在此基礎(chǔ)上我單位又與上海寶山鋼鐵公司上鋼一廠簽定研制一臺了同型號的實(shí)驗(yàn)軋機(jī)。該設(shè)備是冷軋科研部門不可缺少的實(shí)驗(yàn)手段。