基于PLC的氣刀位置控制系統(tǒng)研發(fā)

韓家昌，閆 菲，張 偉

(1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司 天津300180；2.天津君晟科技發(fā)展有限公司 天津300180)

氣刀是鍍鋅生產(chǎn)線中極其重要的設(shè)備，直接關(guān)系到鍍鋅產(chǎn)品的鋅層厚度，目前國內(nèi)生產(chǎn)的氣刀，大多數(shù)還處于手動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)，這就需要增加現(xiàn)場(chǎng)氣刀操作人員。在生產(chǎn)過程中，尤其在換產(chǎn)品規(guī)格時(shí)，由于操作人員的操作方式不同以及經(jīng)驗(yàn)積累等問題，使鋅層厚度處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并且鋅鍋處的高溫、噪音和鋅蒸氣等會(huì)嚴(yán)重影響操作人員的身體健康。

筆者單位開發(fā)了一套基于西門子伺服控制的氣刀位置控制系統(tǒng)，可依據(jù)生產(chǎn)線上的焊縫跟蹤和用戶積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)氣刀的自動(dòng)定位，如不同規(guī)格帶鋼、不同鋅層要求，在過焊縫后可實(shí)現(xiàn)氣刀高度、前/后氣刀開口度及穩(wěn)定輥的自動(dòng)定位、壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無人化操作。

氣刀位置控制系統(tǒng)由 S7 PLC和 SINAMICS S120伺服系統(tǒng)構(gòu)成，S7 PLC負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算和動(dòng)作命令、速度及位置給出，S120伺服系統(tǒng)負(fù)責(zé)定位功能，在伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)配置中選擇“Basic positioned”基本定位功能。與PLC進(jìn)行DP通信，并選擇Telegram 111報(bào)文；利用“Homing”功能對(duì)調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行回零，初始化；利用“MDI”功能中的“速度模式”和“位置模式”相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，其中手柄操作和 HMI點(diǎn)動(dòng)操作采用速度模式，HMI中的“位置自動(dòng)控制”采用位置模式。

1 氣刀控制鋅層厚度的原理

帶鋼出鋅鍋時(shí)表面粘附著大量鋅液，經(jīng)過氣刀后，由于刀唇強(qiáng)壓力吹掃將大部分鋅液從帶鋼表面刮下來，只殘留少量鋅液，冷卻后形成帶鋼表面鍍層。所以帶鋼表面鋅液殘留量的量化控制只有通過調(diào)整氣刀控制參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

氣刀影響帶鋼表面鋅層厚度的主要因素有氣刀刀唇縫隙及角度、氣刀距液面的距離、氣刀壓力等等，本系統(tǒng)可以根據(jù)規(guī)格要求自動(dòng)調(diào)整這些參數(shù)。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 WinCC操作界面

SIMATIC WinCC(Windows Control Center)視窗控制中心，是西門子控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面組件，具有良好的開放性和靈活性，是應(yīng)用非常廣泛的過程監(jiān)視系統(tǒng)。通過 WinCC操作界面可以實(shí)現(xiàn)氣刀過程控制的大部分功能，如監(jiān)控氣刀系統(tǒng)的工作狀況、參數(shù)設(shè)置以及報(bào)警響應(yīng)等。

2.2 自動(dòng)化系統(tǒng)

自動(dòng)化系統(tǒng)由西門子 S7 414-2DP PLC、3個(gè)ET200S遠(yuǎn)程站和現(xiàn)場(chǎng)傳感器元件構(gòu)成，負(fù)責(zé)接收二級(jí)下發(fā)數(shù)據(jù)，經(jīng)過模型計(jì)算后，再發(fā)送給下級(jí)伺服控制系統(tǒng)；同時(shí)負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)元件數(shù)據(jù)，控制相關(guān)元件如氣刀壓力比例閥等。元件清單如表1所示。

表1 自動(dòng)化系統(tǒng)元件清單Tab.1 List of automation system components

2.3 伺服控制系統(tǒng)

SINAMICS S120是西門子公司推出的、全新的集 V/F、矢量控制及伺服控制于一體的模塊化設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以提供高性能的單軸和雙軸驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)由 2組整流單元、4組 CU320-2DP和 10套S120驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成，負(fù)責(zé)接收自動(dòng)系統(tǒng)發(fā)來的位置數(shù)據(jù)和動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)、高精度定位。元件清單見表2。

表2 伺服控制系統(tǒng)元件清單Tab.2 List of servo control system components

2.4 控制系統(tǒng)構(gòu)架說明

控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。WINCC操作界面工控機(jī)與生產(chǎn)線共用；主電室有一個(gè)PLC控制柜，現(xiàn)場(chǎng)有 2個(gè)控制柜分別位于氣刀操作、傳動(dòng)兩側(cè)；每個(gè)控制柜分別有一遠(yuǎn)程IO負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集和元件控制。

3 控制過程及實(shí)現(xiàn)的功能

3.1 操作手柄控制過程

有急停、急停復(fù)位；前/后氣刀快開、快閉，及狀態(tài)指示；前/后氣刀同步進(jìn)退；前后氣刀傾斜；穩(wěn)定輥單側(cè)、兩側(cè)同步進(jìn)退操作；擋板快開；刀唇刮刀動(dòng)作。

3.2 界面HMI操作控制過程

氣刀HMI由1個(gè)主畫面和4個(gè)輔畫面構(gòu)成。

3.2.1 主畫面

主畫面用于氣刀操作、狀態(tài)顯示等，功能如下：氣刀各設(shè)備當(dāng)前位置的棒圖顯示；輔助畫面選擇；二級(jí)及擋板操作；氣刀單動(dòng)、同步操作；激光器位置，顯示帶鋼進(jìn)入激光器檢測(cè)范圍內(nèi)的寬度；氣刀各設(shè)備運(yùn)動(dòng)方向及位置顯示；氣刀壓力顯示；狀態(tài)報(bào)警。

3.2.2 輔助畫面

①位置初始化界面功能：在放置氣刀刀體前要對(duì)氣刀各底座、穩(wěn)定輥底座進(jìn)行位置初始化，即先自動(dòng)后退尋零位置，找到零位置后對(duì)當(dāng)前位置清零，再前進(jìn)到初始工作位置(該位置可以根據(jù)需要設(shè)定)。

②位置自動(dòng)控制界面功能：位置自動(dòng)控制即氣刀自動(dòng)移動(dòng)到設(shè)定位置，當(dāng)選擇要移動(dòng)的設(shè)備后，指定每個(gè)設(shè)備的目標(biāo)位置，單擊“啟動(dòng)”，則設(shè)備自動(dòng)定位；當(dāng)一組設(shè)備進(jìn)行同步移動(dòng)時(shí)，需要輸入每個(gè)設(shè)備相對(duì)當(dāng)前位置的偏移量，在設(shè)備啟動(dòng)后，“目標(biāo)位置”中自動(dòng)顯示換算后的目標(biāo)位置，各設(shè)備同步定位。

圖1 氣刀控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Air knife control system architecture

③過焊縫模式界面功能：可以選擇過焊縫時(shí)前、后氣刀打開模式(自動(dòng)打開或手動(dòng)打開)，并可以設(shè)定前、后氣刀的打開距離；當(dāng)處于快開狀態(tài)時(shí)，快開指示燈閃爍。

④設(shè)置/報(bào)警界面功能：可以設(shè)置上、下穩(wěn)定輥輥徑用于計(jì)算下穩(wěn)定輥與上穩(wěn)定輥之間的交叉量；通過設(shè)置擋板左、右激光器位置來確定帶鋼邊緣在激光器中的位置，激光器的檢測(cè)范圍為 30mm，當(dāng)輸入值為5時(shí)，伺服系統(tǒng)始終確保帶鋼在激光器檢測(cè)范圍內(nèi)的寬度為 5mm。“合閘”功能可以為傳動(dòng)裝置使能，“全部使能”可以將所有伺服裝置使能或去使能。當(dāng) PLC出現(xiàn)故障或操作手柄按急停，PLC中位置控制程序被封鎖，需要按故障復(fù)位恢復(fù)，同時(shí)也能對(duì)裝置報(bào)警進(jìn)行復(fù)位，顯示各 DP從站的當(dāng)前工作狀態(tài)；供電合閘顯示當(dāng)前供電狀態(tài)。

3.2.3 二級(jí)系統(tǒng)、擋板設(shè)備控制

二級(jí)過程控制系統(tǒng)(L2)由本單位自主開發(fā)，是制造執(zhí)行系統(tǒng)(L3)與基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)(L1)之間的橋梁，其主要功能是對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行有效整合和集成，以便高效地組織和實(shí)施自動(dòng)化生產(chǎn)過程。L2系統(tǒng)根據(jù)來料主要原始數(shù)據(jù)而形成生產(chǎn)計(jì)劃，對(duì)生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行模型計(jì)算下發(fā)或查表下發(fā)。這些生產(chǎn)計(jì)劃通常由三級(jí)管理系統(tǒng)集合銷售情況和工藝過程順序進(jìn)行優(yōu)化來安排和組織。L2系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)接受上級(jí)下發(fā)的PDI，同時(shí)可將產(chǎn)出回拋上級(jí)。

擋板設(shè)備在氣刀系統(tǒng)中起著重要的作用，其投入后可以保證帶鋼邊緣氣壓，防止出現(xiàn)鍍層厚邊現(xiàn)象。

①數(shù)據(jù)上傳功能：可以把氣刀各設(shè)備當(dāng)前值發(fā)送給二級(jí)，作為同種規(guī)格的基礎(chǔ)值，發(fā)送數(shù)據(jù)包括：操作側(cè)升降底座位置；傳動(dòng)側(cè)升降底座位置；前氣刀操作側(cè)位置；前氣刀傳動(dòng)側(cè)位置；后氣刀操作側(cè)位置；后氣刀傳動(dòng)側(cè)位置；穩(wěn)定輥操作側(cè)位置；穩(wěn)定輥傳動(dòng)側(cè)位置；擋板操作側(cè)激光器位置；擋板傳動(dòng)側(cè)激光器位置；后氣刀比例閥開口度；前氣刀比例閥開口度等。

②二級(jí)投入功能：這是一個(gè)切換按鈕，用于二級(jí)的投入與切除。當(dāng)二級(jí)投入時(shí)在焊縫距離氣刀 80 m時(shí)自動(dòng)彈出下面窗口(表3)。

表3 生產(chǎn)線二級(jí)系統(tǒng)給氣刀控制系統(tǒng)下發(fā)的數(shù)據(jù)Tab.3 Data sent by air feed knife control system of secondary system of production line

“目標(biāo)位置”值是二級(jí)下發(fā)數(shù)據(jù)，操作工可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，點(diǎn)擊“確定”后焊縫距離氣刀5m后二級(jí)數(shù)據(jù)自動(dòng)下發(fā)到 PLC，并關(guān)閉窗口；當(dāng)焊縫距離氣刀 0.5m 時(shí)，氣刀系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整到目標(biāo)值。點(diǎn)擊“取消”，二級(jí)數(shù)據(jù)不下發(fā)，并關(guān)閉窗口。

③擋板投入功能：這是一個(gè)切換按鈕，用于擋板的投入與切除。當(dāng)選擇“擋板投入”時(shí)，操作側(cè)、傳動(dòng)側(cè)擋板向中間移動(dòng)自動(dòng)尋找?guī)т撨吘墸?dāng)帶鋼進(jìn)入激光器檢范圍指定寬度(“設(shè)置/報(bào)警”畫面中“設(shè)置”項(xiàng)內(nèi)左、右激光器位置設(shè)定數(shù)值)時(shí)，自動(dòng)跟隨帶鋼邊緣；當(dāng)選擇“擋板切除”時(shí)，操作側(cè)、傳動(dòng)側(cè)擋板自動(dòng)退回到“初始工作位置”。

4 結(jié) 論

氣刀位置控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，響應(yīng)快、定位精度高、故障率低，真正實(shí)現(xiàn)了氣刀無人化操作，使鍍鋅板表面鋅層厚度均勻得到了保證，并且由于擋板的高靈敏度也消除了鍍鋅板的厚邊問題。