基于S7-400PLC的鍍鋅生產線控制系統研究

摘 要：由鋅的標準電極電位負于鐵，在潮濕環境中可以起到保護鋼基的作用，因此鍍鋅工藝在防腐蝕領域中得到了廣泛的應用。熱鍍鋅工藝由于成本低、質量高、工藝簡單等優點成為了目前的主流鍍鋅技術。然而熱鍍鋅工藝對溫度和生產工藝速度的控制要求較高，只有采用先進的控制技術才能滿足新工藝的控制要求。本文設計了一套以西門子S7-400 PLC為核心的熱鍍鋅生產線控制系統，在提高生產效率、提升產品質量方面發揮了重要作用。

關鍵詞：S7-400PLC;熱鍍鋅;生產線控制

1.鍍鋅技術概述

對于傳統的冷軋鍍鋅廠而言，只需要在原有生產線的基礎上進行簡單改造，即可實現熱鍍鋅工藝。一般僅需增設一臺中頻無芯感應爐用于制備中間合金，并在爐頂安裝一套攪拌設備，將合金與鋅錠按一定比例混合攪拌均勻進行澆鑄即可[1]。顯然，與其它鍍鋅工藝相比，熱鍍鋅具有成本低、韌性強、全覆蓋、工藝簡單、檢驗方便、防銹防腐質量好等優點，因而在冷軋鍍鋅廠中得到了極為廣泛的應用。

2熱鍍鋅生產工藝分析

熱鍍鋅是汽車板和家電板生產的重要環節，高質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，進一步延長使用壽命。不同產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工藝的關鍵控制點，本文以汽車板和家電板熱鍍鋅工藝為例進行說明。

常規的汽車板和家電板熱鍍鋅工藝主要涉及的工序和設備包括：機組上料焊接、酸堿清洗、退火處理、熱鍍鋅、光整處理，鈍化防銹處理、機組下卷等等。可見汽車板和家電板的熱鍍鋅與其它產品的鍍鋅工藝一樣具有復雜性，因此具有典型性。在生產線的運行過程中，整個工藝過程必須嚴格控制，把控好關鍵工藝環節，具體包括以下幾點：

（1）機組上料焊接。（2）酸清洗。清（3）堿液清洗。（4）退火。（5）熱鍍鋅。（6）機組下卷。

3熱鍍鋅生產線控制系統設計

3.1 總體方案設計

本文設計的熱鍍鋅生產線控制系統以西門子S7-400系列PLC為主控核心，配合一套HMI生產操作畫面以及一套WinCC監控服務器機。操作者通過現場的HMI操作畫面向PLC發送控制指令或查看控制參數，從而實現對熱鍍鋅生產線的控制。控制對象包括生產線上的酸堿清洗段、退火爐、熱水清洗機、熱鍍鋅鍋、助鍍設備、光整機等，這些設備的啟動、運行和停止均由PLC進行統一控制，開卷、卷取工序的開卷、卷取機由于需要進行精密轉速控制，因此還需要另外引入變頻器實現變頻調速。WinCC服務器則可以完成各種生產操作及管理工作，例如報表的生動生成、數據統計與查詢等等。

3.2溫度控制系統

在熱鍍鋅生產線中，大量設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生產工藝的首要控制任務。PLC需要統一完成對退火爐、鍍鋅鋅鍋和鍍鋅鋁合金爐等設備的精密溫度檢測與調節，保證鍍鋅產品符合相關標準要求。熱鍍鋅生產線溫度控制系統如圖1所示。

退火爐的加熱是通過現場煤氣加熱器的加熱來實現的，由于加熱器以均勻的狀態分布，因此整個爐膛溫度也呈相對均勻的分布。PLC控制溫度傳感器以一定的頻率對爐膛溫度進行檢測，當發現溫度低于參考設定值時，立即接通接觸器回路給煤氣開關閥門通電，使爐膛溫度逐漸升高。考慮到退火工藝對溫度的控制精度極高，僅通過接觸器對溫度進行控制是遠遠不能滿足要求的，因此本文還采用了可控硅器件實現精密溫度調節。PLC僅需向可控硅器件施加4-20mA的電流信號即可實現對溫度的精細控制。由于氧氣的比例也對退火工藝有較大影響，因此還通過氧氣傳感器件對爐膛內的氧含量進行動態檢測。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

卷取工藝是通過卷取機組的旋轉來完成的，它位于整條鍍鋅生產線的末端。為了對機組的運行速度進行控制，本文采用目前使用最廣泛的變頻調整技術，在PLC的控制下，由西門子6SE系列變頻器完成對卷取機組的轉速控制。熱鍍鋅生產線卷取控制系統如圖2所示。

卷取機可以把自身的轉動變換為汽車板和家電板的卷取運動，并且兩種運行形式的速度之間有著特定的換算關系。因此可以采用接近開關對卷取機的轉動速度進行測量，轉換為電信號后傳給PLC，進而換算出汽車板和家電板的實時進給速度，并對其進行計米。PLC可以根據預定的參數對電機轉速進行調節，保證整條生產線的運轉速度始終保持在最佳狀態。為了使產品長度可以得到精確控制，可利用接卷小車對產品進行臨時儲存，通過電磁閥來控制卷取機進行周期性工作。

3.4人機交互系統

在本系統中，生產線的操作人員可以通過HMI操作畫面與PLC進行交互，實時查看退火爐、鍍鋅鋅鍋的溫度，還可以根據工藝需要對各項控制參數進行修改。PLC的控制狀態和檢測到的信號參數將在HMI操作畫面上實時顯示出來，并在后臺與預設的參考值進行對比，一旦超出閾值，將發生報警信號，提醒操作人員及時處理。如果監測到嚴重的事故，PLC將自動停止整條生產線的運行，并持續發出聲光報警，避免造成設備的損壞和人員的傷亡。人機交互功能的實現為操作者與PLC控制系統的搭起了溝通的橋梁，是現場管理的重要工具。

3.5數據處理系統

熱鍍鋅生產線中涉及到大量的數量，包括硬件控制參數、報警閾值、傳感器計數、生產管理信息等等。這些數據必須在高效的組織下才能發揮其作用，為實時監控和后期的生產優化提供服務。本系統中的實時數據和控制信號由PLC進行統一處理，并將所有參數上傳到WinCC服務器，并最終科存儲在PDA數據庫中，由WinCC服務器實現存儲、讀取、查詢、修改、刪除、統計分析、報表生成等功能。

4結束語

本系統在本鋼浦項冷軋公司進行了為期三個月的試運行，期間系統運行穩定、各設備動作準備到位、溫度控制精度符合行業標準、未出現漏鍍現象。系統的應用使生產線的安全性、穩定性和經濟性大大提高。隨著我國經濟社會的快速發展，各種材料鍍鋅的需求將越來越多，熱鍍鋅作為當前最流行的鍍鋅工藝，結合PLC控制技術進行綜合應用，可以發揮出巨大的作用，有著廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]黃躍娟， 周爽， 肖葳. PLC在鍍鋅生產線控制系統中的應用[J]. 城市建設理論研究（電子版）， 2017（16）.

[2]張立超. 基于PLC的熱鍍鋅生產線及變頻器控制系統探討[J]. 中國標準化， 2018（8）.

[3]陳德升. PLC技術在熱鍍鋅生產線控制中的應用[J]. 工程技術：文摘版：00318-00318.

作者簡介：

趙闖（1990-）男，漢族，山東省諸城，本鋼浦項冷軋薄板有限責任公司，助理工程師，主要從事工作：熱鍍鋅生產線點檢員.