基于PLC的重型H型鋼連鑄坯火焰切割系統設計

鄒鑫，何文雪，牛杰

(青島大學 自動化學院，山東 青島 266071)

0 引言

隨著我國對高層建筑、大跨度橋梁等大型工程建設的不斷投入，大型H型鋼的需求量將會大幅度增長[1]。采用異形坯生產H型鋼材，可減少軋制道次，縮短軋制時間，節約能源；而且軋材性能的各向異性小，產品質量可靠。重型異形坯的連鑄技術已逐漸成熟，但是對于重型H型鋼異形連鑄坯的切割系統并不完善。基于此，設計了一種以S7-1500PLC為控制器、火焰切割機為執行機構的切割系統，提高了自動化程度，節省了大量的人力，提高了生產效益。

1 切割系統方案設計

1.1 重型H型鋼坯生產流程

重型H型連鑄坯由引錠桿緩緩拉出，通過紅外定尺技術把需要切割的長度尺寸發送給S7-1500PLC，由1500PLC控制火焰切割機執行切割動作。生產流程圖如圖1所示。

圖1 生產流程圖

1.2 火焰切割機的組成和系統工作原理

火焰切割機由大車架、切割小車(由割槍、割嘴等組成,每一流分別有兩個切割小車)、同步機構(由氣缸等組成)、粒化水等裝置組成[2]。當1500PLC收到紅外攝像定尺與規定切割長度相同的尺寸時，1500PLC通過工業以太網控制火焰切割機的西門子S120變頻器來驅動大車和割槍的電機，再通過電機上的旋轉型編碼器將大車和割槍的位置反饋給1500PLC，達到了整體的閉環控制，實現了系統的自動化控制。切割系統的工作原理如圖2所示。

圖2 切割工作原理圖

1.3 紅外定尺系統

重型H型異形連鑄坯切割尺寸由紅外定尺系統測量，紅外定尺系統由紅外攝像機、CCD半導體器件和工控機組成。攝像頭主要負責信號的采集和處理。首先紅外攝像頭通過紅外成像原理把鑄坯實物通過處理轉換成圖形信號后送到CCD，再經CCD處理轉換成視頻信號送到工控機，工控機處理后通過PUT/GET通信把實時測量鑄坯前端面距標定原點的位置距離L2發送給1500PLC，通過上位機把需要切割的尺寸L1輸入到1500PLC。當L2≥L1時，1500PLC控制火焰切割機完成切割命令[3-4]。紅外定尺系統工作原理如圖3所示。

圖3 紅外定尺系統工作原理圖

2 切割系統的硬件設計

基于PLC的重型H型鋼連鑄坯火焰切割系統主要是完成連續鑄坯的定尺切斷，從硬件的角度考慮，主要包括控制器和執行機構的選擇[5]。

2.1 控制器的選擇

所設計的重型H型鋼切割系統復雜，輸入、輸出的開關量較多，工作在高溫的環境下，控制精度要求高。因此選用西門子高性能S7-1500系列PLC，其CPU選用1513-1 PN，通信響應速度和數據傳輸快，抗干擾能力強，安全性能好，能適應復雜的工作環境[6]。S7-1500 PLC模塊具有診斷的功能并且診斷的級別為通道級，不需要進行額外的編程就能快速準確地查到受影響的通道，減少因故障而停機的時間。電源模塊選用60W 120/230VAC/DC_1，根據系統的輸入輸出點數選擇兩個DI 32x24VDC BA、兩個DQ 32×24VDC/0.5A BA。

2.2 執行機構的選擇

由1500PLC控制執行機構完成切割任務，執行機構選用火焰切割機，其大車和切割小車的驅動電機選用變頻調速的異步電動機，大車行走速度Vc=3～20m/min，割槍行走速度Vg=0.09～2.5m/min，割槍升降距離S=200mm。

編碼器選用倍加福增量型旋轉編碼器RHI58N-0BAK1R61N-1000，其性能高、分辨率角度高、6通道信號輸出，可靈活使用，通過附帶的轉矩支架固定在適當的位置，通過電纜連接器進行電氣連接。

該系統中大車和小車的方向和速度控制單元選用西門子S120高性能驅動器，集V/F、矢量和伺服控制于一身，可實現單軸驅動和多軸控制。控制模塊CU310與功率模塊PM340配合組成S120單軸控制系統[7]。1500PLC通過標準報文與S120驅動器通信控制大車和割槍的方向和速度。

3 切割系統的軟件設計

3.1 系統組態

使用TIA V15.1軟件完成控制系統的硬件組態如圖4所示。S1201控制大車的移動方向和速度，S1202控制1#割槍的水平移動方向和速度，S1203控制1#割槍的垂直移動方向和速度，S1204控制2#割槍的水平移動方向和速度，S1205控制2#割槍的垂直移動方向和速度。PLC通過工業以太網與S120變頻器連接。

圖4 控制系統硬件組態

3.2 切割系統的軟件設計

PLC的程序設計是重型H型異形連鑄坯火焰切割系統的核心部分。該切割系統在滿足控制要求和生產需要的情況下，設計自動模式、手動干預兩種模式。自動切割過程中，用戶可以根據需要通過割槍操作手柄使割槍退出自動切割方式，這種方法稱為手動干預。手動干預后，自動關閉切割氧，停止切割。手動干預后，有兩種進入程序的方式，一種是手動把割槍開到鑄坯邊緣,打開預熱火焰扳動啟動開關，割槍會進入自動切割程序；另一種是在預熱氧打開時按下切割氧按鈕，割槍直接以切割速度切割。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

1)系統的預壓緊和壓緊信號由紅外定尺系統給出，當鑄坯走過的長度達到設定的長度時，紅外定尺系統給1500PLC壓緊信號，1500PLC會發出命令控制同步機構壓住鑄坯，鑄坯和大車同步運行，邊走邊切。

2)由于重型H型鑄坯厚度大，多采用仿弧式切割方式，當割槍水平切割到鑄坯腹板位置時，割槍開始以一定斜度下降，割槍下降到距腹板安全切割高度時停止下降，繼續以平移方式切割鑄坯，切割速度是設定切割速度的3倍。當兩槍相遇時(相遇極限發出信號)，畫面上選擇為“1#或2#相遇后返回”的割槍關閉切割氧，延時關閉預熱氧，延時關閉燃氣。割槍快速向原位退回程序如圖6所示。當退到翼板邊緣時，需要判斷割槍當前高度是否小于35mm。如果小于就可以繼續后退。如果高度>35mm，為了防止割槍后退時撞上翼板，就需要停下來等割槍上升高度<35mm后才能快速返回到原點。另一把割槍繼續切割完剩余鑄坯后，關閉切割氧，延時關閉預熱氧，延時關閉燃氣，以快速方式向割槍原位退回。

圖6 割槍相遇返回程序

3)割槍在切割過程中，因破口起切失敗或切割速度過快而產生翻渣時，可采用手動干預方式。按照現場情況，用手動的辦法處理事故。這時操作割槍操作手柄使割槍返回，割槍返程的速度是3 500mm/min，割槍返程后到達翻渣位置，人工打開切割氧后，割槍重新進行切割，同時這把割槍的狀態又恢復到自動狀態。如果破口失敗，則把割槍開出鑄坯，人工扳動“啟動”按鈕，割槍就進入自動切割程序，自動打開預熱火焰，按設定的時間預熱，預熱完畢后打開切割氧，開始以始切速度進行切割破口。

3.3 上位機畫面設計

該系統使用Wincc7.4對上位機進行設計，該生產線采用一機二流的方式對鑄坯切割，一流火切機人機交互界面如圖7所示。異形連續鑄坯火焰切割系統的上位機系統由人機交互界面、數據通信、腳本策略組成。通過人機交互界面，操作人員可以輸入定尺長度、預熱時間等參數。通過指示燈、動畫等可視化的方式讓操作員了解設備的工作狀態。腳本策略負責對1500PLC較為復雜的算法計算和復雜動畫的制作。數據通信負責上位機和1500PLC的數據傳輸，上位機通過SIMATIC NET OPC的方式，實現1500PLC和上位機的數據交互[8]。

圖7 上位機人機交互界面

4 結語

使用S7-1500PLC作為重型H型異形連鑄坯火焰切割系統的控制核心，紅外定尺系統對鑄坯移動長度進行測量，人機交互界面對設備的工作狀態進行實時的監控，共同完成該生產線的控制系統。系統配有機旁操作箱，當系統出現故障時，可以進行手動干預處理。該系統投入到生產應用中，能夠按照設計的切割流程工作，可以靈活切換各種操作模式，提高了系統的自動化程度，大大提高了切割鑄坯的精度和效率，避免了人工切割產生的誤差和質量問題，降低了成本，經濟效益明顯。