【摘要】
　　在武鋼硅鋼廠滾焊機(jī)電氣改造中應(yīng)用PLC組成兩級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，它具有完善的故障處理功能。本文簡(jiǎn)要介紹了生產(chǎn)工藝流程及主要控制功能的實(shí)現(xiàn)，著重論述了PLC在系統(tǒng)中的功能及其軟、硬件的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)投入運(yùn)行后取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
　　
　　【關(guān)鍵詞】
　　滾焊機(jī)；PLC；通信；狀態(tài)設(shè)計(jì)法
　　
　　　　武鋼硅鋼廠在生產(chǎn)硅鋼帶時(shí)，為連續(xù)生產(chǎn)，用滾焊機(jī)將前后兩卷鋼帶首尾焊接，生產(chǎn)工藝完成后，再由剪切機(jī)切割分開，以提高生產(chǎn)效率。該廠的滾焊機(jī)系統(tǒng)是70年代從日本全套引進(jìn)的，經(jīng)過20多年的長(zhǎng)期運(yùn)行，電氣設(shè)備老化嚴(yán)重，動(dòng)作可靠性差，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。在對(duì)其電控系統(tǒng)的技術(shù)改造中，用先進(jìn)的PLC控制取代繼電器邏輯控制，添加通信功能，實(shí)時(shí)顯示各主體設(shè)備的狀態(tài)變化及故障報(bào)警畫面，組成控制、監(jiān)管相結(jié)合的一體化系統(tǒng)。
　　
　　1生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介
　　　　焊接時(shí)，兩卷鋼帶首尾搭接，在接觸面流通強(qiáng)電流，接觸電阻及金屬固有電阻產(chǎn)生電阻熱，使焊接接點(diǎn)溫度達(dá)到金屬可熔化的適當(dāng)溫度，同時(shí)對(duì)其加壓使之接合。
　　　　鋼帶焊接生產(chǎn)工藝如圖1所示。主要由鋼帶搭接定位、壓緊，鋼帶焊接，焊接復(fù)位、作業(yè)線運(yùn)行三個(gè)階段組成。簡(jiǎn)介如下。
　　　　運(yùn)行中的先行帶經(jīng)鋼帶檢測(cè)器檢測(cè)到末端時(shí)，停止在下部電極上→擋板下降→后行帶前進(jìn)至擋板位置與先行帶搭接→導(dǎo)輥下降→壓板下降→電極下降→小車前進(jìn)。
　　　　鋼帶檢測(cè)器、電極輪及其升降裝置搭載在小車上，小車前進(jìn)到鋼帶上方時(shí)，鋼帶檢測(cè)開關(guān)由OFF→ON，使電極通電開始焊接。焊接電流的傳導(dǎo)方向?yàn)椋汉附幼儔浩?/span>→電極輪1→焊接鋼帶→下部電極→電極輪2→焊接變壓器。當(dāng)焊接到鋼帶邊沿時(shí)，鋼帶檢測(cè)開關(guān)變?yōu)?/span>OFF而使焊接停止。
　　

　　　　小車前進(jìn)到“前進(jìn)極限點(diǎn)”停止→沖頭下降，延時(shí)0.5S后自動(dòng)上升→電極、擋板、壓板依次上升→剝離器上升，使鋼帶脫離下部電極，延時(shí)2S后剝離器下降→導(dǎo)輥上升。
　　　　以上過程即完成一個(gè)單程焊接。為加固兩帶焊接，通常需來回焊接兩次，即再增加一次后退焊接。當(dāng)需后退焊接時(shí)，先將兩鋼帶重合部向前移動(dòng)一段（但不得偏離下部電極），再按以上次序?qū)⒑笝C(jī)各裝置重復(fù)動(dòng)作一次，所不同的是小車此次為后退運(yùn)行，并后退到“原位置”停止。此時(shí)啟動(dòng)作業(yè)線又可循環(huán)運(yùn)行。
　　
　　2系統(tǒng)硬件配置
　　　　根據(jù)生產(chǎn)工藝，采用典型的兩級(jí)監(jiān)控方式。上位機(jī)為生產(chǎn)管理級(jí)，完成對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，主要面向操作人員；下位機(jī)為基礎(chǔ)測(cè)控級(jí)，完成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集及過程控制等，面向生產(chǎn)過程。
　　　　上位機(jī)選用國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的研華IPC-610工控機(jī)，配有PIII處理器、64MB內(nèi)存，具有較高性價(jià)比。因現(xiàn)場(chǎng)通信距離較遠(yuǎn)，配置一塊RS422/485通信卡，用雙絞線將其串口與PLC通信模塊（AJ71UC24）RS422端口相連，以串行通信方式完成二級(jí)間通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控焊接過程。上位機(jī)RS232口經(jīng)適配器（SC-09）轉(zhuǎn)換與PLC CPU模塊連接，用于對(duì)PLC控制軟件的編程。
　　　　鋼帶生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾及環(huán)境污染嚴(yán)重。我們選作主控單元的三菱公司A2A系列PLC，采用模塊式結(jié)構(gòu)，可靠性高，配置靈活，且具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力；使用簡(jiǎn)單，只需相應(yīng)外設(shè)或編程軟件包（如MEDOC），即可完成控制程序的編寫。它負(fù)責(zé)焊接工藝的電氣邏輯控制，包括各焊接設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)、鋼帶檢測(cè)；執(zhí)行邏輯、算術(shù)運(yùn)算；輸出執(zhí)行指令，完成小車前后運(yùn)行、焊接啟停、各電磁閥及狀態(tài)過程等的控制。PLC控制系統(tǒng)硬件配置如圖2所示。
　　

　　
　　3 系統(tǒng)優(yōu)化及功能實(shí)現(xiàn)
　　　　系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)/手動(dòng)2種控制方式，由選擇開關(guān)轉(zhuǎn)換。由于鋼帶搭接定位時(shí)的不確定性，故以手動(dòng)操作為主要控制方式。自動(dòng)方式僅在手動(dòng)操作將鋼帶搭接定位、壓緊后，才自動(dòng)按預(yù)定邏輯順序運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生緊急故障時(shí)，按急停按鈕可終止當(dāng)前所有設(shè)備運(yùn)行；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或工藝參數(shù)不正常時(shí)，由PLC啟動(dòng)燈光及蜂鳴器報(bào)警，且僅當(dāng)故障排除后，才能有效通過按鈕使報(bào)警復(fù)位。焊機(jī)設(shè)備工作時(shí)，PLC控制主電控柜上的對(duì)應(yīng)狀態(tài)指示燈亮，上位機(jī)模擬顯示現(xiàn)場(chǎng)各機(jī)電設(shè)備的動(dòng)作，方便了中控室操作員對(duì)整個(gè)工藝流程的監(jiān)視。
　　　　調(diào)節(jié)焊接電流和小車速度，可有效焊接不同板厚（0.28~0.9mm）鋼帶。小車驅(qū)動(dòng)裝置由變頻調(diào)速器、控制電機(jī)、皮帶及進(jìn)給絲桿構(gòu)成。工作時(shí)，變頻調(diào)速器啟動(dòng)電機(jī)，經(jīng)皮帶傳動(dòng)進(jìn)給絲桿，驅(qū)動(dòng)小車前后移動(dòng)，移動(dòng)到前后極限點(diǎn)即停。通過設(shè)定變頻調(diào)速器輸出頻率的上下限及調(diào)整速度調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)小車速度在要求范圍內(nèi)（6~12m/min）連續(xù)調(diào)節(jié)。
　　　　焊接電流與焊縫質(zhì)量直接相關(guān)。焊接電流回路主要由晶閘管、電流監(jiān)視器及焊接變壓器3部分組成。在焊接變壓器前串聯(lián)了一套交流調(diào)壓裝置，控制晶閘管門極導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)焊接電壓值，即可控制焊接電流。由于晶閘管工作時(shí)電流較大（瞬間可達(dá)800A），易發(fā)熱致?lián)p，為此設(shè)有循環(huán)冷卻水路。對(duì)系統(tǒng)的氣路、水路、焊接電流主回路中的電流平衡、晶閘管異常等都設(shè)有檢測(cè)保護(hù)開關(guān)。各檢測(cè)信號(hào)串聯(lián)，作為PLC啟動(dòng)焊接的聯(lián)鎖條件，保證系統(tǒng)在正常條件下工作。
　　為提高系統(tǒng)的可靠性，還作了如下優(yōu)化設(shè)計(jì)：
　　　　（1）控制電機(jī)選用具有先進(jìn)抱閘技術(shù)的進(jìn)口日立電機(jī)，它動(dòng)態(tài)性能好，啟動(dòng)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩大，停止反應(yīng)迅速、準(zhǔn)確，有效克服了原電機(jī)因反應(yīng)滯后而產(chǎn)生的誤動(dòng)作。
　　　　（2）先行鋼帶檢測(cè)由接近開關(guān)改為光電開關(guān)。由于鋼帶在運(yùn)行中經(jīng)常產(chǎn)生顫動(dòng)而摩擦到接近開關(guān)，使其致?lián)p失靈。改用可遠(yuǎn)距離檢測(cè)的光電開關(guān)后，隱患消除。
　　　　（3）對(duì)電極、壓板、擋板、導(dǎo)輥及剝離器等動(dòng)作的檢測(cè)由限位開關(guān)改為接近開關(guān)。由于接近開關(guān)的非接觸性檢測(cè)，有效克服了氣缸因氣壓不穩(wěn)等因素對(duì)檢測(cè)開關(guān)的沖撞。
　　　　（4）為抑制電源及變頻調(diào)速器對(duì)PLC控制系統(tǒng)的噪聲干擾，采用線路濾波器、隔離變壓器及分離開關(guān)單獨(dú)供電。線路濾波器安裝時(shí)盡量靠近PLC電源，用最短的雙絞線連接，且將其輸入、輸出線的配線分開；變頻調(diào)速器及其配置的濾波器盡量置于柜體底部，縮短柜內(nèi)線段，濾波器的外殼接地。
　　　　（5）對(duì)檢測(cè)開關(guān)、PLC的I/O信號(hào)采用專用的24V凈化電源，提高信號(hào)線路的抗干擾能力及整套設(shè)備的電磁兼容性。
　　　　（6）采取合理的配線方式。控制線路、電源線路和信號(hào)線路分別獨(dú)立配線，而且相互間保持一定距離，設(shè)法避免長(zhǎng)距離平行配線，采取垂直交叉走線方式，以及輸入、輸出信號(hào)線分槽布置。對(duì)速度調(diào)節(jié)、時(shí)間設(shè)定等模擬信號(hào)采用雙絞屏蔽電纜傳送，并將信號(hào)線屏蔽層一端可靠接地。
　　
　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　4.1 PLC軟件設(shè)計(jì)
　　　　采用狀態(tài)設(shè)計(jì)法編制控制程序梯形圖。狀態(tài)設(shè)計(jì)法就是根據(jù)具體對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分配中間變量作標(biāo)記，然后針對(duì)各個(gè)狀態(tài)給予實(shí)際控制的設(shè)計(jì)方法。其關(guān)鍵是確定系統(tǒng)在工藝流程中的狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)化的條件，分析系統(tǒng)的狀態(tài)必須充分考慮各種情況。在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，首先按工藝流程對(duì)焊機(jī)各運(yùn)行狀態(tài)（如擋板下降、導(dǎo)輥上升、小車前進(jìn)、焊接開始等）分配中間變量；然后確定各狀態(tài)的先后次序及聯(lián)鎖關(guān)系；明確系統(tǒng)所要涉及到的輸入、輸出量，畫出PLC各輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的邏輯關(guān)系；再由邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)化為梯形圖。該程序分別由鋼帶定位、小車控制、過程監(jiān)控、故障診斷等控制程序組成，采用狀態(tài)設(shè)計(jì)法編制后，梯形圖程序流程有序、邏輯清晰。鋼帶焊接過程時(shí)間雖短，但條件多，動(dòng)作復(fù)雜，為此，將系統(tǒng)的運(yùn)行和故障聯(lián)鎖等全部由PLC控制，以提高系統(tǒng)的可靠性；在軟件設(shè)計(jì)中適當(dāng)添加聯(lián)鎖條件，使各動(dòng)作間嚴(yán)格確保相互約束或定時(shí)關(guān)系；建立合適的狀態(tài)標(biāo)志位，如對(duì)焊機(jī)的“焊接完了”、“小車前后條件”、“故障停機(jī)”等建立標(biāo)志位，并準(zhǔn)確應(yīng)用于各控制狀態(tài)的設(shè)計(jì)中；設(shè)置識(shí)別及處理故障的能力，對(duì)系統(tǒng)中的冷卻水、空壓及變頻器等異常采用延時(shí)確認(rèn)方式。
　　
　　4.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
　　　　上位機(jī)監(jiān)控軟件以中文Windows98作操作系統(tǒng)，選用Intellution公司的Fix6.1編程，該組態(tài)軟件具有較高的穩(wěn)定性和兼容性，直觀的圖形界面便于操作人員學(xué)習(xí)和使用。監(jiān)控軟件與PLC的通信采用三菱PLC的MultiLink協(xié)議，波特率為19.2Kb/s，8位數(shù)據(jù)位，端口設(shè)為COM3。采用模塊化結(jié)構(gòu)方式編制，用以完成計(jì)算機(jī)通信硬件參數(shù)的初始化和PLC通信數(shù)據(jù)的格式定義，實(shí)現(xiàn)兩極間的通信管理：包括PLC發(fā)送數(shù)據(jù)的接收、校驗(yàn)和譯碼；對(duì)PLC內(nèi)存單元數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理，在屏幕上以抽象圖形模擬顯示現(xiàn)場(chǎng)各機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，反映系統(tǒng)各電氣信號(hào)的數(shù)據(jù)變化；根據(jù)實(shí)際控制需要，向PLC內(nèi)存寫入新的數(shù)據(jù)，下發(fā)命令給CPU。當(dāng)焊機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，除聲音報(bào)警外，還動(dòng)態(tài)顯示故障點(diǎn)，并提供故障原因及解決措施的查詢畫面。若需要進(jìn)一步查明設(shè)備的工作狀態(tài)，軟件的高級(jí)管理部分給出了PLC程序?qū)崟r(shí)運(yùn)行時(shí)的梯形圖，通過在線監(jiān)視映象PLC I/O點(diǎn)的位軟元件的開/斷狀態(tài)，來確認(rèn)對(duì)應(yīng)外部設(shè)備的動(dòng)作是否到位、PLC輸入輸出點(diǎn)與程序內(nèi)部各點(diǎn)是否一致，從而給操作人員提供了更直接的故障探查手段，以迅速確定故障點(diǎn)。在進(jìn)入高級(jí)管理畫面前設(shè)有口令管理，使合法操作員才可進(jìn)入對(duì)PLC的監(jiān)視。通過訪問高級(jí)管理，可拋開PLC編程軟件的監(jiān)控，有效防止運(yùn)行MEDOC對(duì)PLC可能產(chǎn)生的誤操作。具體監(jiān)控程序框圖見圖3。
　　
　　5結(jié)束語
　　　　滾焊機(jī)采用PLC控制后，大大簡(jiǎn)化了復(fù)雜的繼電器邏輯，提高了系統(tǒng)的可靠性；操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，焊接效果良好，圓滿地完成了用戶提出的控制要求。運(yùn)行近一年來，保持零故障，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。
　　
　　
　　[作者簡(jiǎn)介]肖麟芬（1971—），男（漢），江西吉水人，工程師，主要從事自動(dòng)化技術(shù)的研究和應(yīng)用工作。