基于嵌入式控制系統的連續清洗生產線設計

侯立功，劉全勝

（無錫職業技術學院 江蘇省傳感網工程技術研究開發中心，無錫 214121）

清洗是熱雙金屬、覆銅鋼、鋼板等帶狀金屬材料生產工藝中非常重要的一道工序，其主要目的是對帶材表面進行處理，清除帶材表面的氧化層、表面鍍鎳、使清洗后的帶材具有表面光潔、耐腐蝕等特性，類似的清洗處理機械在煤礦行業也有廣泛應用。

目前，國內絕大多數的連續式工藝處理生產線控制設備采用的是西門子、歐陸、ABB等世界著名品牌的PLC、驅動器、電機等工控產品，如文獻[2]介紹了精細化工行業全自動CIP系統的設計，基于西門子S7-300PLC控制器可以實現生產設備及管道的自動在線清洗、工藝參數的設定和工藝過程的監控。優點是操作安全方便，同時也提高了清洗消毒效率。文獻[3]中通過引入觸摸屏技術，基于西門子S7-200CPU226控制器，將CIP系統與自動控制技術相結合，實現了對清洗設備的控制，提高了設備的自動化程度和可靠性。缺點是當設備中采用PLC控制器，尤其是核心控制器部件PLC還必須配置張力檢測處理模塊、網絡通訊模塊等選購件，整套自動控制系統造價不菲，后期維修費用也很高[4]。

該系統以自主研發的基于嵌入式微處理器的多功能過程控制器為核心，重新整合設計了分布式現場控制模式，通過與中國聯合工程公司校企合作，配套連續式復合帶材清洗生產線電氣控制系統，在西南某電工集團公司覆銅鋼生產線工程得到應用，其系統結構和控制功能達到國內同類自動化先進水平[4]。

1 生產線工藝流程分析

整條生產線工藝流程如圖1所示，它主要由入口段、工藝段、出口段組成。入口段包括開卷、1#轉向輥、焊接平臺，吊車將原料帶材運至開卷區小車上，開卷區小車將帶材送上開卷機開卷，經1#轉向輥到達焊接平臺，在此完成帶頭、帶尾焊接處理。工藝段包括清洗一區、清洗二區、鍍鎳區、清洗三區、清洗四區、蝕印區、清洗五區，帶材在此經過化學脫脂、3M磨料輥刷拋光，超聲波清洗、表面鍍鎳、表面蝕印標記、清洗烘干等工藝處理后到達出口段。出口段由2#轉向輥、牽引、3#轉向輥、卷取4個部分組成，牽引機構將經過表面處理的帶材從2#轉向輥牽引送至3#轉向輥，最后到達卷取機構，配備液壓浮動糾偏裝置的卷取機將帶材收卷整齊。

圖1 酸洗生產工藝流程圖Fig.1 Flow chart of working process for the whole production line

清洗生產線控制系統的設計目標就是保證上述生產工藝流程能夠連續自動進行，從而形成協調有機的生產過程。

2 生產線控制系統結構設計

該生產線自動控制系統采用四級分布式現場控制和三層通信網絡處理模式[1，4]，系統基本架構如圖2所示。

圖2 控制系統基本結構圖Fig.2 Basic structual diagram of the control system

四級分布式現場控制包括就地執行級（L0）、現場控制級（L1）、操作現場監控級（L2）、生產管理監控級（L3）。三層通信網絡處理模式中，第一層是傳動過程控制之間的CANBUS現場總線，第二層是主控制器與車間管理工作站之間的RS485總線[1]，第三層為車間管理工作站與廠部管理工作站、設備管理工作站等其它IP設備之間的LAN網絡。

L0就地執行級包括3套傳動裝置、2套張力檢測、配套光電編碼器、電動閥和溫控儀表，完成帶材平穩開卷、傳送、收卷、清洗工藝溫度控制、清洗刷輥控制等現場控制功能。其中傳動電機的驅動裝置采用艾默生變頻器，并且由牽引變頻器統一為其它2個變頻器提供直流母線電源，這種連接方式使得處于發電或電動狀態的電機控制單元之間可以通過中間回路進行能量交換，大量減少耗電量并能防止由此引發的傳動裝置電源波動[5]。

L1現場控制級為3臺自主研發的基于嵌入式微處理器的多功能過程控制器，用來完成酸洗各工藝功能的控制?，F場控制器可根據需要完成速度、張力、輸入輸出、監測和報警等控制功能。

L2操作現場監控級由主控制器和主、副操作站組成。主控制器通過CANBUS通訊總線采集現場控制設備的實時運行數據并對其發布處理命令，提供主操作站人機對話接口，副操作站人機對話接口由開卷過程控制器就近提供。主控制器生產數據錄入有2種模式，一種模式是通過RS485串行總線接收“車間管理工作站”發布的生產計劃和工藝并上傳現場生產數據，另一種模式是通過主操作站上的現場觸摸屏人工輸入，兩種模式可以獨立選擇使用。

L3生產管理監控級由位于工廠局域網內的數臺遠程電腦組成，通過網絡完成廠級、車間級的生產計劃、清洗工藝指令下達、現場生產數據匯總、設備運行狀態檢測等功能[7]。

3 控制系統功能設計

3.1 基礎自動化

底層基礎自動化主要實現酸洗生產線各部分設備的邏輯功能、運行功能[5]，具體包括速度控制、張力控制、酸洗電鍍控制、糾偏對中控制等系統功能[9]。

（1）速度控制功能。包括點動速度控制、穿帶速度控制、工藝速度控制等環節，確保帶材在各種工藝狀況下同步運行。

（2）張力控制功能。張力控制是關系到生產線能否正常運行，產品質量能否滿足要求的關鍵技術。該生產線在開卷側和卷取側分別設置張力檢測傳感器。安裝在開卷側1#轉向輥兩端的張力傳感器用來檢測運行中開卷段的帶材張力，開卷過程控制器通過開卷張力傳感器實時采集開卷段的運行實際張力數據，并根據生產工藝要求預置的開卷張力設定值和整機主令速度控制開卷電機驅動器，實現恒張力和同步運行，使帶材平穩開卷并且能夠平穩進入酸洗工藝段。安裝在卷取側3#轉向輥兩端的張力傳感器用來檢測運行中卷取段的帶材張力，卷取過程控制器通過卷取張力傳感器實時采集卷取段的運行實際張力數據，并根據生產工藝要求預置的卷取張力設定值和整機主令速度以及當前實時的帶材收卷直徑控制卷取電機驅動器，實現錐度張力控制和同步運行目的，使收卷整齊，不變形[4]。

（3）鎳磷鍍控制。控制系統可根據預先設置的鎳磷鍍工藝參數自動調節并記憶功能控制數據，包括鍍槽液位及槽液pH值控制、槽液溫度控制、清洗刷輥動作控制等[8]。

3.2 過程控制

主要指生產數據管理和工藝控制，包括生產計劃、工藝參數的傳送和管理，生產過程實際數據監視、記錄、報表打印，系統診斷、故障報警等功能。

（1）數據管理系統功能。數據管理系統主要用來完成酸洗生產過程中命令參數和實時數據的設置、采集、存儲、分析和管理，系統包含清洗工藝數據庫和清洗工藝參數記錄數據庫。清洗工藝數據庫記錄帶材材質、厚度、寬度、重量以及對應設置的速度、張力、電流、溫度等數據。酸洗工藝參數記錄數據庫將生產過程中的主要實時數據（液位、pH值、槽液溫度、速度、張力等）分類存儲，并以數表或圖形方式顯示[6]。

（2）系統診斷、故障報警功能?？刂葡到y提供所有受控點的狀態檢測，用于自診斷及故障報警處理，在系統出現故障后能夠自動判斷產生故障的可能原因，并提示維護人員處理方法[6]。

4 多功能過程控制器的設計

滿足上述基礎自動化和過程控制功能要求，核心在于系統的控制設備尤其是現場控制級設備是否具備快速的實時響應和處理性能。為此筆者和相關科研人員專門研發了一種多功能過程控制器，該過程控制器基于先進的RISC架構的工業級嵌入式微處理器設計，整合了帶材處理類生產線運行所必須的控制接口，包括張力檢測和控制，同步運行速度控制，適應分布式現場控制模式需求的CANBUS和RS485總線通信接口，常用I/O以及人機對話界面接口等，采用客制化專用軟件設計，滿足了現場控制對實時性的要求，同時達到了經濟實用的設計目的[4]。

該多功能過程控制器的邏輯組成結構如圖3所示，其采用了組合式模塊化結構，包含基礎框架模塊（圖3中虛線內部分）、高級人機對話模塊和傳動控制模塊3個部分。

圖3 多功能過程控制器組成框圖Fig.3 Composition diagram of multi-functions controller

基礎框架模塊以嵌入式微處理器為核心，配置輸入/輸出、通信總線、LED簡易顯示等信號處理電路接口，是本過程控制器基本的軟、硬件支撐平臺。

高級人機對話模塊主要由具備觸摸操控功能的LCD顯示處理電路組成，通過加載專用人機對話操作控制軟件并連接觸摸式LCD顯示屏可實現中文界面下的參數設置、數據查看、指令發布等功能。

傳動控制模塊主要由光電編碼器信號處理電路、張力信號數據采集電路、高速脈沖輸出電路組成，通過加載具備張力控制算法的專用傳動控制軟件并連接相應的現場執行部件，可用于變頻器、伺服驅動等傳動控制，實現速度控制模式或恒張力、錐度張力控制模式下的多點同步運行。

基礎框架模塊加高級人機對話模塊組合為本生產線控制系統L2層（操作現場監控級）中的主控制器，而基礎框架模塊加傳動控制模塊則成為本生產線控制系統L1層（現場控制級）中的多功能過程控制器，4臺多功能過程控制器各司其職，通過現場分布式控制模式互連，在三層通信網絡的支持下，實現信號共享，經濟、有效、靈活地組成整條生產線控制系統。

5 結語

本控制系統投入使用以來，運行穩定可靠，在滿足帶材清洗生產工藝流程要求的前提下，系統建設和維護成本只相當于全套采用進口控制設備的同類集散控制系統的三分之一，適應了國家倡導的大型裝備國產化、生產工藝現代化、建設成本經濟化的市場需求。

[1]王奇武，周風星，嚴保康.高壓線塔塔基穩定性監測系統的設計[J].電子技術應用，2014，40（3）：126-129.

[2]董玉燕，馮銀平.基于西門子PLC在線清洗系統設計[J].現代商貿工業，2010，22（5）：310-312.

[3]劉文芳.基于PLC及觸摸屏技術的CIP清洗控制系統的設計[J].制造業自動化，2011，33（5）：143-145.

[4]侯立功，陳天娥，張學祥.經濟型臥式連續帶鋼光亮退火生產線控制系統[J].金屬世界，2009（6）：87-91.

[5]劉新，張紅健，宮迎輝.電鍍鉻生產線自動控制系統[J].制造業自動化，2006，28（10）：61-63.

[6]江杰，喬莉，安世奇.工控組態軟件在過程控制系統中的應用[J].微計算機信息，2007，23（34）：63-64，59

[7]黃衛華，方康玲，周紅軍，等.基于組態王和VB的工業遠程監控系統[J].冶金自動化，2005，29（2）：60-62.

[8]中國工控網.本鋼冷軋廠酸洗線自動控制系統[EB/OL].（2009-09-15）[2010-09-12].http：//www.gongkong.com/webpage/solutions/200909/2009091517500100006.htm.

[9]自動化在線.天津拓普酸洗機組自動控制系統[EB/OL].（2009-11-27） [2010-09-12].http：//www.autooo.net/papers/paper/2009-11-27/59318.html.