钢板的热处理PLC控制
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发布时间：2022-04-20 09:47
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时间：2023-09-20 00:03
轧板热处理PLC控制系统
厂商：控制网
领域：PLC 点击数:37
张庆森 曾勇
1 引言
PLC作为现代工业控制实现自动化的核心技术，它使复杂的工业控制实现变得简单、灵活。通过与个人计算机协议连接，功能强大的控制软件可以生成丰富的人机界面，同时有实时的数据显示，方便操作人员作出判断。
2 热处理工艺生产流程简介
钢板的热处理包括钢板加热和淬火，辊底式常化炉和淬火机分别实现上述用途。常化炉保温性能良好，通过辐射加热，既节省了煤气又防止钢板在加热过程中的氧化。常化炉两侧安装有172根辐射管，炉内喷入纯氮（99.9%），装炉和出炉时炉口有氮气帘以防氧气进入炉内。炉温精度可以达到±5摄氏度。该常化炉能自动实现连续装炉，加热时间可预先设定。淬火机紧邻常化炉，有8bar的高压水源和4bar的低压水源，水流量和辊缝可以自动调节，淬火速度自动控制，可以连续淬火。
3 控制系统组成
图1 系统结构图
控制系统由常化炉控制系统和淬火机控制系统组成。控制系统的核心采用Honeywell公司的S9000系列PLC，所有控制功能都由它来实现。系统结构如图1所示。
3.1 常化炉PLC控制系统
系统分为*：上位机、9200e PLC、现场控制设备。上位机可以完成PLC的组态、控制程序的编写、PLC的监控及人机界面MMI。上位机传给PLC钢板信息数据（如钢板厚度、加热温度、是否淬火等）。PLC主要实现温度控制、生产顺序控制、点炉和停炉的顺序控制、钢板信号的跟踪、辊速控制。
常化炉分为10个温度区，对10个温度区分别控制它们的温度。由于炉温的变化存在很大的滞后特性，属于大惯性环节，当今对大惯性环节的控制精度问题还没有很好的解决办法。常化炉工艺上对温度精度没有特别严格的要求，允许升温区段有很大的温度变化（其实这也是难以解决的），但保温区段的温差应在±5摄氏度内。温度控制框图如图2所示。PID参数经现场修改给出经验值。
图2 温度控制框图
速度控制是热处理工艺中另一个主要环节，每块钢板的进出炉时间都有严格的要求。常化炉炉辊分为三段。驱动炉内辊道的电机一共有32台，均可调速，其中装炉段15台，工艺段2台，出炉段15台。相对应辊速有三种：装炉速度、工艺速度、出炉速度。装炉速度要求高速，保证钢板快速进入炉内，范围为0~60m/min；工艺速度相对较小，范围为0.5~2.95m/min；出炉速度和装炉速度一样要求快速，范围也为0~60m/min。钢板的速度给定值由操作人员设定，PLC将给定传给变频器，从而实现辊速的控制。辊速的切换由PLC根据钢板在炉内的位置再控制变频器来实现。
常化炉能够实现连续生产全部依赖PLC的生产流程控制。在常化炉的生产线上安装了10个光电管（PC1~PC11，其中PC2没有安装），可以检测钢板在炉内的位置，同时在装炉段、工艺段和出炉段各安装了一个光电码盘，可以检测钢板在炉内走过的距离。钢板装炉和出炉时，装炉段电机和出炉段电机并非全部高速转动，这样可以避免一部分在工艺段而另一部分在非工艺段的钢板保持均速，也可使常化炉一次容纳尽可能多的钢板，加大日产量，这是一个复杂的控制算法。为了保证炉内钢板的间距为700cm，钢板信号跟踪是必须的。PLC自动跟踪记录每块钢板的位置以及计算钢板的出炉时间。
常化炉的点炉和停炉都按一定的程序来严格执行，保证煤气管道不漏气、煤气管道没有过多残留煤气、空气管道没有煤气等，只不过这些都由PLC自动执行。
3.2 淬火机PLC控制系统
淬火机PLC控制系统如同常化炉PLC控制系统，也分为*：上位机、PLC、现场控制设备，这里就不再详述。PLC是控制系统的核心，主要实现水流量控制、辊缝控制、淬火速度控制、生产流程控制、信号跟踪。
水流量控制和常化炉温度控制一样，采用PID实现单闭环，PID参数也由经验值给出。辊缝控制是一个单闭环，给定由PLC输出。
速度控制模式和常化炉控制系统一样，生产流程控制和信号跟踪也比常化炉控制系统简单，用PC13、PC14光电管和一个光电码盘来跟踪钢板位置。
4 过程控制的软件实现
如今，用于工业上的监控软件很多，如InTouch、Fix32，还有国内的组态王。本系统采用的是Honeywell的PCS(PC Supervisor)监控软件，它把Fix32的大部分功能和S9000的组态融合在一起，包括I/O的组态、PLC的地址选择、PLC的用户程序编制与下载、PLC的在线监控、以实时数据库为核心的MMI（包括历史数据显示、实时监控画面、实时报警）。系统有良好的安全策略，安全级别可达16级。
4.1 常化炉控制系统
PLC的用户程序由梯形图、顺序控制图和连控图组成。梯形图完成各种逻辑控制，包括生产流程控制、钢板信号的跟踪、点炉和停炉的控制等；连控图完成模拟量的运算和I/O输出，包括温度PID控制和输出、辊速控制和输出等；顺序控制图完成梯形图和连控图一些必要的衔接。
图3 数据流动图
梯形图程序中，按照控制功能分为相应的模块，如生产流程控制子程序、I/O输入子程序、I/O输出子程序等，主程序里分别调用它们。生产流程控制用了内部地址8010和8012，它们分别是装炉和出炉的Flag，利用标志来进行下一步控制。装炉辊道和出炉辊道每3台分成一组，按照钢板在常化炉中的位置来决定速度的切换。用户程序里创建了一个连续的存储区域来存储钢板的信息，并用地址7002存储炉内钢板的数量，完成信号跟踪。钢板的信息包括钢板的位置、加热温度、钢板的代码、钢板的厚度和长度。长度在装炉前由PLC自动测出，钢板的代码由现场操纵台输入。代码对应的钢板信息存储在一个数据表格里，包括加热温度、厚度、是否淬火（1为正火，2为淬火），程序DDELINK.exe完成和PCS系统的数据交换。数据流动图如图3所示。
PCS采用可视化的方法来编写连控图程序，基本元素是功能块，将各功能块连接在一起就构成用户控制程序。常用的功能块包括I/O块、PID块、设定点功能块、函数功能块等。设定点功能块能使温度给定按设定的曲线变化，生成点炉时的升温曲线和停炉时的降温曲线。最后要根据实际要求设定每个功能块的参数。
MMI的实现以实时数据库为核心，利用Windows的DDE功能，实现现场数据的实时显示，帮助操作人员根据现场数据正确操作。MMI包括装炉、出炉操作界面、历史数据的显示，帮助技术人员进行数据分析，还有实时报警界面及普通故障报警界面。普通故障报警界面上动态链接了所有到PLC的报警信号，便于技术人员查找故障点。
4.2 淬火机控制系统
淬火机控制系统的软件实现方法与常化炉系统相同，只是控制相对简单些。淬火机辊道由一台电机驱动，为简化设计，每次正火或淬火时淬火机辊道上设定只有一块钢板。当淬火机上有钢板时，准备出炉的钢板只有在炉内摇摆等待，这些都通过生产流程控制子程序实现。根据常化炉传来的出炉信号启动淬火或正火，钢板通过PC13、PC14表示淬火或正火结束。辊速控制、水流量控制的实现如同常化炉的辊速控制、温度控制的实现。淬火机辊缝控制算法如图4所示。
图4 淬火机辊缝控制算法
实际中，data1=10，data2=2，data3=-10，data4=-2。MMI的实现和常化炉系统相同。
5 结语
轧板热处理PLC控制系统是一个比较复杂的控制系统，比较好地保证了产量，同时又保证了钢板的质量。它在MMI的设计上，既做到了界面的美观，更有实用性。整个控制系统设计有许多必要的故障报警辅助点，并在MMI上全部有链接，使故障的查找简单明了，节约了故障处理时间，并在常化炉的点炉程序设计上充分考虑了生产的安全性。
参考资料：http://server.hdboc.gov.cn/case.php?caseId=3100
