論PLC在環形加熱爐電氣控制系統的設計與實現

摘要：環形加熱爐是鋼管生產中的第一道工序，負責將管坯加熱到穿孔和軋制所需要的溫度。管坯加熱質量的好壞直接關系到穿孔和最后軋制成形的鋼管質量的好壞。機械設備的自動控制程度直接關系到生產效率的高低。本文從電氣控制系統方面論述電氣控制的思路和軟件編制過程，簡單介紹了軟件的操作界面，并對軟件的運行狀況作了相應的評估。

關鍵詞：PLC；電氣控制系統；設計

一、PLC（可編程控制器）簡介

本文的自動化控制系統使用西門子（可編程控制器）系統。可編程控制器最初被稱為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）.簡稱為PLC，主要是用來代替繼電器電路實現邏輯控制。隨著計算機技術的發展，它的功能早已大大超出了邏輯控制的范圍，可以實現復雜的運算，包括過程控制功能，原先DCS（集散控制系統）的主要功能，PLC系統都能實現。當可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。在結構上，可編程控制器由機架、電源、中央處理單元、接口模塊、信號模塊、功能模塊、通信處理器、子網絡等組成。系統在編程上可以使用梯形圖、語句表、功能圖等語言，比較靈活。當然，系統不能使用高級語言編程，這與普通的計算機高級語言編程有一定的區別。可編程邏輯控制器具有使用方便、編程簡單、性價比高、穩定性強、安裝簡單、維修方便等特點，因此，PLC電氣自動化控制系統的應用在降低企業成本、提升生產效率、提高對設備控制的精準度方面發揮了巨大作用。

二、環形加熱爐電氣控制系統的硬件配置

電氣控制系統選用西門子S7-400PLC，配置的模塊通過PROFIBUS-DP網絡與CPU相連，這樣能夠滿足機械設備專業對電氣控制系統有比較多的邏輯控制要求。另外，裝、出鋼機的電機為變頻電機，可通過PROFIBUS-DP網絡與裝、出鋼機變頻器連接，通過DP網通訊。

圖一是電氣控制系統的硬件配置圖，圖中左側方框內顯示的是PLC主機架的配置內容，槽號1中PS407是主機架的電源模塊，槽號2中是CPU模塊，選用412-2DP，該CPU包含一個DP接口和一個MPI/DP接口，槽號3中是CP443-1模塊，通過RJ45接口接入工業以太網（也可接入TCP/IP協議），用于與HMI操作站通訊。右側顯示的是DP網上配置的各個子站，電氣控制系統共配置了兩個ET200M子站和兩個PP-17操作面板，PP-17操作面板安裝于主操作臺上用于操作員操作現場設備另外配置兩個變頻器子站，用于控制裝、出鋼機的平移電機。

圖二下部顯示的DP網絡號為6的ET200M子站中的硬件配置情況，槽號4中的模塊6ES7331-7KF02-0AB0是模擬量輸入模塊，用于接收液壓站油箱溫度變送器和主油管壓力變送器傳來的4～20mA信號。6ES7350-2AH00-0AB0是模擬量輸出模塊，輸出4～20mA信號，用于調節爐底盤轉動速度。6ES7350-2AH00-0AB0是高速計數模塊，用于檢測爐底盤的位置和裝、出鋼機的平移位置。DP網絡號為10和11的分別是裝、出鋼機變頻器，利用網絡模塊接在DP網上，通過DP網絡給變頻器發送啟停信號和轉速信號，變頻器也通過DP網絡給PLC發來狀態信號。DP網絡號1、2、3、4、9為空。

三、環形加熱爐電氣控制系統的軟件功能實現

（1）裝、出鋼機的控制功能實現。裝鋼機處于后位（位置值為時，夾鉗的中心位置正對最長的還料的中心，還料的長度范圍是米。電氣控制系統根據計算公式得出裝鋼機的定位位置，當裝鋼機處于自動狀態時，電氣控制系統控制裝鋼機以低速移動到該定位位置，等待裝爐命令。出鋼機的控制要求與裝鋼機類似，只是動作程序相反，裝鋼機的作用是從爐外往爐內裝鋼，而出鋼機則是從爐內往爐外出鋼。

（2）爐底盤轉動的控制功能實現。爐底盤的轉動由液壓馬達驅動，環形爐共設三個液壓馬達，在哨合液壓虹的作用下與爐底盤嚙合。任何時候都可以將其中一個液壓馬達退出哨合狀態進行維修而不影響環形爐的運轉。液壓馬達的轉動速度由通過馬達的壓力油的流量決定，PLC通過給比例閥不同的電壓值來調節壓力油的流量，從而調節爐底盤的轉動速度。

（3）爐門開關的功能實現。裝料爐門和出料爐門的幵關動作均由液壓趕驅動，位置信號由接近開關檢測。單動動作時，操作員在操作臺上按下爐門開按鈕，PLC通過繼電器讓正向電磁閥得電，液壓社在壓力油驅動下打開爐門，爐門幵到位接近開關檢測到信號時，電磁閥失電，爐門停止。同樣，操作員按下爐門關按鈕，PLC通過繼電器讓反向電磁閥得電，液壓社在壓力油驅動下關閉爐門，爐門關到位接近開關檢測到信號時，電磁閥失電，爐門停止。

（4）液壓站控制功能的實現。液壓站為部分設備的動作提供壓力油，是部分設備動作的動力源。然而液壓站本身也需要控制，液壓站的控制包括泵的啟停、油箱溫度和液位控制、閥控系統控制。

（5）爐內跟蹤功能的實現。以上對環形爐各設備的動作實現都作了簡略描述，如果是在手動情況下，各設備的動作完全由人工根據觀察來控制，也就不需要對爐內鋼還實時位置進行跟蹤。但正常情況下，環形爐的控制完全是在自動狀態下的，這就需要對爐內鋼還進行實時的位置跟蹤。

在電氣控制系統的軟件中，除了對設備動作控制的軟件外，另外增加了爐內鋼坯跟蹤軟件和出爐鋼坯數據統計軟件。這兩部分本是屬于二級計算機的內容，但是目前環形加熱爐沒有配置二級計算機系統，故從生產需要的角度出發將其增設在電氣控制系統中。

參考文獻：

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作者簡介：許波，女，漢族，1987年3月生于河南省焦作市，助理講師，現為河南工業和信息化職業學院教師。