基于S7—400PLC的鍍鋅生產(chǎn)線控制系統(tǒng)研究

摘要：由鋅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位負(fù)于鐵，在潮濕環(huán)境中可以起到保護(hù)鋼基的作用，因此鍍鋅工藝在防腐蝕領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。熱鍍鋅工藝由于成本低、質(zhì)量高、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)成為了目前的主流鍍鋅技術(shù)。然而熱鍍鋅工藝對(duì)溫度和生產(chǎn)工藝速度的控制要求較高，只有采用先進(jìn)的控制技術(shù)才能滿足新工藝的控制要求。本文設(shè)計(jì)了一套以西門(mén)子S7-400 PLC為核心的熱鍍鋅生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，在提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用。

關(guān)鍵詞：S7-400PLC；熱鍍鋅；生產(chǎn)線控制

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，覺(jué)的鍍鋅工藝包括熱浸鍍鋅、電鍍鋅、機(jī)械鍍鋅和熱鍍鋅幾大類，其中熱鍍鋅是當(dāng)前最為成熟的工藝，在鋼鐵的減蝕延壽、節(jié)能節(jié)材中發(fā)揮了巨大的作用。但是熱鍍鋅工藝對(duì)溫度和生產(chǎn)工藝速度的控制要求較高，必須采用先進(jìn)的控制技術(shù)才能滿足要求。本文就鍍鋅生產(chǎn)線控制的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了深入探討。

1.鍍鋅技術(shù)概述

對(duì)于傳統(tǒng)的冷軋鍍鋅廠而言，只需要在原有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，即可實(shí)現(xiàn)熱鍍鋅工藝。一般僅需增設(shè)一臺(tái)中頻無(wú)芯感應(yīng)爐用于制備中間合金，并在爐頂安裝一套攪拌設(shè)備，將合金與鋅錠按一定比例混合攪拌均勻進(jìn)行澆鑄即可[1]。顯然，與其它鍍鋅工藝相比，熱鍍鋅具有成本低、韌性強(qiáng)、全覆蓋、工藝簡(jiǎn)單、檢驗(yàn)方便、防銹防腐質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，因而在冷軋鍍鋅廠中得到了極為廣泛的應(yīng)用。然而，盡管在生產(chǎn)線改造上投入的成本不高，但熱鍍鋅工藝對(duì)溫度和生產(chǎn)工藝速度的控制要求較高，傳統(tǒng)的控制設(shè)備必須進(jìn)行更新升級(jí)才能滿足新工藝要求[2]。本文設(shè)計(jì)了一套以西門(mén)子S7-400 PLC為主控核心的熱鍍鋅生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，在提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用。

2熱鍍鋅生產(chǎn)工藝分析

熱鍍鋅是汽車板和家電板生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，高質(zhì)量的熱鍍鋅可以使汽車板和家電板的表面更加光澤、防止生銹和腐蝕，進(jìn)一步延長(zhǎng)使用壽命。不同產(chǎn)品的熱鍍鋅工藝稍有不同，但其基本原理是類似的[3]。為了分析熱鍍鋅生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵控制點(diǎn)，本文以汽車板和家電板熱鍍鋅工藝為例進(jìn)行說(shuō)明。

常規(guī)的汽車板和家電板熱鍍鋅工藝主要涉及的工序和設(shè)備包括：機(jī)組上料焊接、酸堿清洗、退火處理、熱鍍鋅、光整處理，鈍化防銹處理、機(jī)組下卷等等。可見(jiàn)汽車板和家電板的熱鍍鋅與其它產(chǎn)品的鍍鋅工藝一樣具有復(fù)雜性，因此具有典型性。在生產(chǎn)線的運(yùn)行過(guò)程中，整個(gè)工藝過(guò)程必須嚴(yán)格控制，把控好關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，具體包括以下幾點(diǎn)：

（1）機(jī)組上料焊接。機(jī)組上料焊接是將汽車板和家電板送入鍍鋅生產(chǎn)線的過(guò)程，它通過(guò)是由開(kāi)卷機(jī)傳動(dòng)帶將帶鋼送到焊機(jī)等待位，將前后兩卷帶鋼焊接完成的，與生產(chǎn)線末端的卷取機(jī)共同協(xié)調(diào)工作。

（2）酸清洗。清洗是為了把汽車板和家電板表面臟污和雜質(zhì)去除，使鍍鋅更加均勻平滑牢固。作為一道重要的工藝環(huán)節(jié)，酸清洗的工作應(yīng)由PLC與現(xiàn)場(chǎng)的變頻電機(jī)進(jìn)行全程控制。

（3）堿液清洗。該工藝是通過(guò)對(duì)電阻絲通電加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)堿液的升溫的，由于涉及到精密的溫度控制，因此也由控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制，并具有報(bào)警功能。

（4）退火。退火本質(zhì)上也是一個(gè)溫控過(guò)程，它通過(guò)需要采用可控硅等精密溫控器件的參與，在規(guī)定的溫度條件下再由氫氧混合氣將汽車板和家電板表面的氧化層除去。

（5）熱鍍鋅。熱鍍鋅是整個(gè)工藝的核心環(huán)節(jié)，它需要采用鋅層控制設(shè)備、加熱鍍鋅設(shè)備和下鋅錠設(shè)備等的參與方能完成，是PLC控制系統(tǒng)的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

（6）機(jī)組下卷。機(jī)組下卷是生產(chǎn)線的最后一個(gè)工序，它與生產(chǎn)線的開(kāi)卷工序共同控制著汽車板和家電板的前進(jìn)速度。

3熱鍍鋅生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的熱鍍鋅生產(chǎn)線控制系統(tǒng)以西門(mén)子S7-400系列PLC為主控核心，配合一套HMI生產(chǎn)操作畫(huà)面以及一套WinCC監(jiān)控服務(wù)器機(jī)。操作者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的HMI操作畫(huà)面向PLC發(fā)送控制指令或查看控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱鍍鋅生產(chǎn)線的控制。控制對(duì)象包括生產(chǎn)線上的酸堿清洗段、退火爐、熱水清洗機(jī)、熱鍍鋅鍋、助鍍?cè)O(shè)備、光整機(jī)等，這些設(shè)備的啟動(dòng)、運(yùn)行和停止均由PLC進(jìn)行統(tǒng)一控制，開(kāi)卷、卷取工序的開(kāi)卷、卷取機(jī)由于需要進(jìn)行精密轉(zhuǎn)速控制，因此還需要另外引入變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。WinCC服務(wù)器則可以完成各種生產(chǎn)操作及管理工作，例如報(bào)表的生動(dòng)生成、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與查詢等等。

3.2溫度控制系統(tǒng)

在熱鍍鋅生產(chǎn)線中，大量設(shè)備都是基于溫度控制原理而工作的，因此溫度控制成為整個(gè)生產(chǎn)工藝的首要控制任務(wù)。PLC需要統(tǒng)一完成對(duì)退火爐、鍍鋅鋅鍋和鍍鋅鋁合金爐等設(shè)備的精密溫度檢測(cè)與調(diào)節(jié)，保證鍍鋅產(chǎn)品符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。熱鍍鋅生產(chǎn)線溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。

退火爐的加熱是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)煤氣加熱器的加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于加熱器以均勻的狀態(tài)分布，因此整個(gè)爐膛溫度也呈相對(duì)均勻的分布。PLC控制溫度傳感器以一定的頻率對(duì)爐膛溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度低于參考設(shè)定值時(shí)，立即接通接觸器回路給煤氣開(kāi)關(guān)閥門(mén)通電，使?fàn)t膛溫度逐漸升高。考慮到退火工藝對(duì)溫度的控制精度極高，僅通過(guò)接觸器對(duì)溫度進(jìn)行控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求的，因此本文還采用了可控硅器件實(shí)現(xiàn)精密溫度調(diào)節(jié)。PLC僅需向可控硅器件施加4-20mA的電流信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精細(xì)控制。由于氧氣的比例也對(duì)退火工藝有較大影響，因此還通過(guò)氧氣傳感器件對(duì)爐膛內(nèi)的氧含量進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。退火爐與鍍鋅鍋的溫度控制與此原理相似。

3.3 卷取控制系統(tǒng)

卷取工藝是通過(guò)卷取機(jī)組的旋轉(zhuǎn)來(lái)完成的，它位于整條鍍鋅生產(chǎn)線的末端。為了對(duì)機(jī)組的運(yùn)行速度進(jìn)行控制，本文采用目前使用最廣泛的變頻調(diào)整技術(shù)，在PLC的控制下，由西門(mén)子6SE系列變頻器完成對(duì)卷取機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制。熱鍍鋅生產(chǎn)線卷取控制系統(tǒng)如圖2所示。

卷取機(jī)可以把自身的轉(zhuǎn)動(dòng)變換為汽車板和家電板的卷取運(yùn)動(dòng)，并且兩種運(yùn)行形式的速度之間有著特定的換算關(guān)系。因此可以采用接近開(kāi)關(guān)對(duì)卷取機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳給PLC，進(jìn)而換算出汽車板和家電板的實(shí)時(shí)進(jìn)給速度，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)米。PLC可以根據(jù)預(yù)定的參數(shù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證整條生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)速度始終保持在最佳狀態(tài)。為了使產(chǎn)品長(zhǎng)度可以得到精確控制，可利用接卷小車對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行臨時(shí)儲(chǔ)存，通過(guò)電磁閥來(lái)控制卷取機(jī)進(jìn)行周期性工作。

3.4人機(jī)交互系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中，生產(chǎn)線的操作人員可以通過(guò)HMI操作畫(huà)面與PLC進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)查看退火爐、鍍鋅鋅鍋的溫度，還可以根據(jù)工藝需要對(duì)各項(xiàng)控制參數(shù)進(jìn)行修改。PLC的控制狀態(tài)和檢測(cè)到的信號(hào)參數(shù)將在HMI操作畫(huà)面上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并在后臺(tái)與預(yù)設(shè)的參考值進(jìn)行對(duì)比，一旦超出閾值，將發(fā)生報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員及時(shí)處理。如果監(jiān)測(cè)到嚴(yán)重的事故，PLC將自動(dòng)停止整條生產(chǎn)線的運(yùn)行，并持續(xù)發(fā)出聲光報(bào)警，避免造成設(shè)備的損壞和人員的傷亡。人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn)為操作者與PLC控制系統(tǒng)的搭起了溝通的橋梁，是現(xiàn)場(chǎng)管理的重要工具。

3.5數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

熱鍍鋅生產(chǎn)線中涉及到大量的數(shù)量，包括硬件控制參數(shù)、報(bào)警閾值、傳感器計(jì)數(shù)、生產(chǎn)管理信息等等。這些數(shù)據(jù)必須在高效的組織下才能發(fā)揮其作用，為實(shí)時(shí)監(jiān)控和后期的生產(chǎn)優(yōu)化提供服務(wù)。本系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制信號(hào)由PLC進(jìn)行統(tǒng)一處理，并將所有參數(shù)上傳到WinCC服務(wù)器，并最終科存儲(chǔ)在PDA數(shù)據(jù)庫(kù)中，由WinCC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、讀取、查詢、修改、刪除、統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表生成等功能。

4結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)在本鋼浦項(xiàng)冷軋公司進(jìn)行了為期三個(gè)月的試運(yùn)行，期間系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、各設(shè)備動(dòng)作準(zhǔn)備到位、溫度控制精度符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、未出現(xiàn)漏鍍現(xiàn)象。系統(tǒng)的應(yīng)用使生產(chǎn)線的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性大大提高。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，各種材料鍍鋅的需求將越來(lái)越多，熱鍍鋅作為當(dāng)前最流行的鍍鋅工藝，結(jié)合PLC控制技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用，可以發(fā)揮出巨大的作用，有著廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張立超.基于PLC的熱鍍鋅生產(chǎn)線及變頻器控制系統(tǒng)探討[J]. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2018（8）.

[3]陳德升.PLC技術(shù)在熱鍍鋅生產(chǎn)線控制中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)：文摘版：00318-00318.

作者簡(jiǎn)介：

趙闖，男，出生1990年4月7日，漢族，籍貫：山東省諸城，工作單位：本鋼浦項(xiàng)冷軋薄板有限責(zé)任公司，職稱：助理工程師，主要從事工作：熱鍍鋅生產(chǎn)線點(diǎn)檢員