PLC在武钢滚焊机系统中的应用

【摘要】
　　在武钢硅钢厂滚焊机电气改造中应用PLC组成两级监控系统，它具有完善的故障处理功能。本文简要介绍了生产工艺流程及主要控制功能的实现，着重论述了PLC在系统中的功能及其软、硬件的设计方法。系统投入运行后取得了良好的经济效益。
　　
　　【关键词】
　　滚焊机；PLC；通信；状态设计法
　　
　　　　武钢硅钢厂在生产硅钢带时，为连续生产，用滚焊机将前后两卷钢带首尾焊接，生产工艺完成后，再由剪切机切割分开，以提高生产效率。该厂的滚焊机系统是70年代从日本全套引进的，经过20多年的长期运行，电气设备老化严重，动作可靠性差，严重影响正常生产。在对其电控系统的技术改造中，用先进的PLC控制取代继电器逻辑控制，添加通信功能，实时显示各主体设备的状态变化及故障报警画面，组成控制、监管相结合的一体化系统。
　　
　　1生产工艺简介
　　　　焊接时，两卷钢带首尾搭接，在接触面流通强电流，接触电阻及金属固有电阻产生电阻热，使焊接接点温度达到金属可熔化的适当温度，同时对其加压使之接合。
　　　　钢带焊接生产工艺如图1所示。主要由钢带搭接定位、压紧，钢带焊接，焊接复位、作业线运行三个阶段组成。简介如下。
　　　　运行中的先行带经钢带检测器检测到末端时，停止在下部电极上→挡板下降→后行带前进至挡板位置与先行带搭接→导辊下降→压板下降→电极下降→小车前进。
　　　　钢带检测器、电极轮及其升降装置搭载在小车上，小车前进到钢带上方时，钢带检测开关由OFF→ON，使电极通电开始焊接。焊接电流的传导方向为：焊接变压器→电极轮1→焊接钢带→下部电极→电极轮2→焊接变压器。当焊接到钢带边沿时，钢带检测开关变为OFF而使焊接停止。
　　

　　　　小车前进到“前进极限点”停止→冲头下降，延时0.5S后自动上升→电极、挡板、压板依次上升→剥离器上升，使钢带脱离下部电极，延时2S后剥离器下降→导辊上升。
　　　　以上过程即完成一个单程焊接。为加固两带焊接，通常需来回焊接两次，即再增加一次后退焊接。当需后退焊接时，先将两钢带重合部向前移动一段（但不得偏离下部电极），再按以上次序将焊机各装置重复动作一次，所不同的是小车此次为后退运行，并后退到“原位置”停止。此时启动作业线又可循环运行。
　　
　　2系统硬件配置
　　　　根据生产工艺，采用典型的两级监控方式。上位机为生产管理级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员；下位机为基础测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程。
　　　　上位机选用国内广泛应用的研华IPC-610工控机，配有PIII处理器、64MB内存，具有较高性价比。因现场通信距离较远，配置一块RS422/485通信卡，用双绞线将其串口与PLC通信模块（AJ71UC24）RS422端口相连，以串行通信方式完成二级间通信，实现监控焊接过程。上位机RS232口经适配器（SC-09）转换与PLC CPU模块连接，用于对PLC控制软件的编程。
　　　　钢带生产现场噪声干扰及环境污染严重。我们选作主控单元的三菱公司A2A系列PLC，采用模块式结构，可靠性高，配置灵活，且具有良好的环境适应性和抗干扰能力；使用简单，只需相应外设或编程软件包（如MEDOC），即可完成控制程序的编写。它负责焊接工艺的电气逻辑控制，包括各焊接设备的状态检测、钢带检测；执行逻辑、算术运算；输出执行指令，完成小车前后运行、焊接启停、各电磁阀及状态过程等的控制。PLC控制系统硬件配置如图2所示。
　　

　　
　　3 系统优化及功能实现
　　　　系统设有自动/手动2种控制方式，由选择开关转换。由于钢带搭接定位时的不确定性，故以手动操作为主要控制方式。自动方式仅在手动操作将钢带搭接定位、压紧后，才自动按预定逻辑顺序运行。当系统发生紧急故障时，按急停按钮可终止当前所有设备运行；当设备出现故障或工艺参数不正常时，由PLC启动灯光及蜂鸣器报警，且仅当故障排除后，才能有效通过按钮使报警复位。焊机设备工作时，PLC控制主电控柜上的对应状态指示灯亮，上位机模拟显示现场各机电设备的动作，方便了中控室操作员对整个工艺流程的监视。
　　　　调节焊接电流和小车速度，可有效焊接不同板厚（0.28~0.9mm）钢带。小车驱动装置由变频调速器、控制电机、皮带及进给丝杆构成。工作时，变频调速器启动电机，经皮带传动进给丝杆，驱动小车前后移动，移动到前后极限点即停。通过设定变频调速器输出频率的上下限及调整速度调节器，可实现小车速度在要求范围内（6~12m/min）连续调节。
　　　　焊接电流与焊缝质量直接相关。焊接电流回路主要由晶闸管、电流监视器及焊接变压器3部分组成。在焊接变压器前串联了一套交流调压装置，控制晶闸管门极导通角，调节焊接电压值，即可控制焊接电流。由于晶闸管工作时电流较大（瞬间可达800A），易发热致损，为此设有循环冷却水路。对系统的气路、水路、焊接电流主回路中的电流平衡、晶闸管异常等都设有检测保护开关。各检测信号串联，作为PLC启动焊接的联锁条件，保证系统在正常条件下工作。
　　为提高系统的可靠性，还作了如下优化设计：
　　　　（1）控制电机选用具有先进抱闸技术的进口日立电机，它动态性能好，启动平稳，转矩大，停止反应迅速、准确，有效克服了原电机因反应滞后而产生的误动作。
　　　　（2）先行钢带检测由接近开关改为光电开关。由于钢带在运行中经常产生颤动而摩擦到接近开关，使其致损失灵。改用可远距离检测的光电开关后，隐患消除。
　　　　（3）对电极、压板、挡板、导辊及剥离器等动作的检测由限位开关改为接近开关。由于接近开关的非接触性检测，有效克服了气缸因气压不稳等因素对检测开关的冲撞。
　　　　（4）为抑制电源及变频调速器对PLC控制系统的噪声干扰，采用线路滤波器、隔离变压器及分离开关单独供电。线路滤波器安装时尽量靠近PLC电源，用最短的双绞线连接，且将其输入、输出线的配线分开；变频调速器及其配置的滤波器尽量置于柜体底部，缩短柜内线段，滤波器的外壳接地。
　　　　（5）对检测开关、PLC的I/O信号采用专用的24V净化电源，提高信号线路的抗干扰能力及整套设备的电磁兼容性。
　　　　（6）采取合理的配线方式。控制线路、电源线路和信号线路分别独立配线，而且相互间保持一定距离，设法避免长距离平行配线，采取垂直交叉走线方式，以及输入、输出信号线分槽布置。对速度调节、时间设定等模拟信号采用双绞屏蔽电缆传送，并将信号线屏蔽层一端可靠接地。
　　
　　4系统软件设计
　　4.1 PLC软件设计
　　　　采用状态设计法编制控制程序梯形图。状态设计法就是根据具体对象的运动状态分配中间变量作标记，然后针对各个状态给予实际控制的设计方法。其关键是确定系统在工艺流程中的状态及状态转化的条件，分析系统的状态必须充分考虑各种情况。在本系统软件设计中，首先按工艺流程对焊机各运行状态（如挡板下降、导辊上升、小车前进、焊接开始等）分配中间变量；然后确定各状态的先后次序及联锁关系；明确系统所要涉及到的输入、输出量，画出PLC各输出信号与输入信号的逻辑关系；再由逻辑关系转化为梯形图。该程序分别由钢带定位、小车控制、过程监控、故障诊断等控制程序组成，采用状态设计法编制后，梯形图程序流程有序、逻辑清晰。钢带焊接过程时间虽短，但条件多，动作复杂，为此，将系统的运行和故障联锁等全部由PLC控制，以提高系统的可靠性；在软件设计中适当添加联锁条件，使各动作间严格确保相互约束或定时关系；建立合适的状态标志位，如对焊机的“焊接完了”、“小车前后条件”、“故障停机”等建立标志位，并准确应用于各控制状态的设计中；设置识别及处理故障的能力，对系统中的冷却水、空压及变频器等异常采用延时确认方式。
　　
　　4.2上位机软件设计
　　　　上位机监控软件以中文Windows98作操作系统，选用Intellution公司的Fix6.1编程，该组态软件具有较高的稳定性和兼容性，直观的图形界面便于操作人员学习和使用。监控软件与PLC的通信采用三菱PLC的MultiLink协议，波特率为19.2Kb/s，8位数据位，端口设为COM3。采用模块化结构方式编制，用以完成计算机通信硬件参数的初始化和PLC通信数据的格式定义，实现两极间的通信管理：包括PLC发送数据的接收、校验和译码；对PLC内存单元数据的实时采集、处理，在屏幕上以抽象图形模拟显示现场各机电设备的运行状态，反映系统各电气信号的数据变化；根据实际控制需要，向PLC内存写入新的数据，下发命令给CPU。当焊机出现故障时，除声音报警外，还动态显示故障点，并提供故障原因及解决措施的查询画面。若需要进一步查明设备的工作状态，软件的高级管理部分给出了PLC程序实时运行时的梯形图，通过在线监视映象PLC I/O点的位软元件的开/断状态，来确认对应外部设备的动作是否到位、PLC输入输出点与程序内部各点是否一致，从而给操作人员提供了更直接的故障探查手段，以迅速确定故障点。在进入高级管理画面前设有口令管理，使合法操作员才可进入对PLC的监视。通过访问高级管理，可抛开PLC编程软件的监控，有效防止运行MEDOC对PLC可能产生的误操作。具体监控程序框图见图3。
　　
　　5结束语
　　　　滚焊机采用PLC控制后，大大简化了复杂的继电器逻辑，提高了系统的可靠性；操作简单，运行稳定，焊接效果良好，圆满地完成了用户提出的控制要求。运行近一年来，保持零故障，经济效益和社会效益显著。
　　
　　
　　[作者简介]肖麟芬（1971—），男（汉），江西吉水人，工程师，主要从事自动化技术的研究和应用工作。