基于PLC的大盘卷数控生产线的自动化控制系统设计

摘要：本文简要介绍了大盘卷生产线的经典工艺和生产设备，在此基础上对大盘卷生产线自动化控制系统的组成进行了合理划分，并详细阐述了各主PLC的功能分工以及各主PLC之间的通讯方式。介绍某钢铁公司新建80万t高线及大盘卷生产线的工艺流程、关键设备的技术性能和结构。最后对大盘卷生产自动化控制过程中容易出现的问题给出了行之有效的解决方法。该套自动化控制系统在南昌长力高线厂的大盘卷生产线上得到了很好的应用。

1前言

我国生产线公司以高质量、低价位、优服务吸引了广大新老客户。但是在我国生产线工业快速发展的背后，触目惊心的是大量技术含量高的成套设备仍依靠进口，每年大量的外汇用于进口成套的高端设备。如塑料薄膜双向拉伸设备，一条生产线就近1亿元，从上世纪70年代开始引进，到目前为止，国内相继进口此类生产线110条。除此之外，还有产品业大量使用的无菌薯片生产线食品包装盒、灌装设备几乎都为瑞典利乐公司一家提供。业内专家认为，我国生产线食品包装机械对国外高端技术的过度依赖，已经严重制约了我国生产线工业持续、稳定发展。

某钢铁厂高线厂的生产线既能生产高速线材又能生产大盘卷，高线与大盘卷共用热送装置、加热炉、粗中轧机组及预精轧机组。预精轧机组后分成两条轧线分别轧制高线和大盘卷产品，两条生产线又在P/F线汇合，共用P/F线运输系统及其它卸卷设备。主轧线和大盘卷生产线主传动均为交流电机，飞剪传动为直流电机，共设轧机21架，采用全连续布置方式，设计年产量80万t，产品规格为Ø18～Ø50mm圆钢盘条。已形成年产钢300万t的能力。现有轧钢能力严重不够，而且轧钢生产线陈旧落后，品种单一，急需要新建一条现代化的轧钢生产线，实现公司生产能力的总体平衡，也是公司规模效益和新的经济效益的增长点。但就钢铁公司现实际状况，上一条优质高速线材及大盘卷生产线（含细直径螺纹钢）比较适合钢铁公司实际的。此条生产线装备水平要达到世界先进水平，主要生产高附加值的精尖产品。

2大盘卷的生产工艺概述

存放在原料跨钢坯架内的钢坯用电磁吊车成排吊运到上料台架上，上料台架（自动或手动方式）步进，启动受料辊道，钢坯被送到称重辊道上进行测长称重。合格钢坯进行称重后，加热炉控制室控制钢坯入炉、定位。

钢坯在加热炉完成加热后，接到出钢指令，夹送钢坯快速通过高压水除鳞装置，除去钢坯表面氧化铁皮。轧件经1~6#粗轧机组后，1#飞剪前热检启动切头动作，然后轧件进入7~12#中轧机组。同理2#飞剪切头后轧件进入预精扎机组轧制6道。接着通过一组预水冷箱，4#

飞剪切头后进入盘卷减定径机组轧制，经5#飞剪切尾后轧件即进入卷取区。设备故障时1#、2#飞剪及4#、5#剪后的碎断剪对轧件进行碎断。

全线共设7个活套器，分别是12#轧机前立活套（1#）、13#轧机前立活套（2#）、14#轧机前水平活套（3#）、15-18#预精轧机架间立活套3个（4~6#）以及减定径机组前立活套1个（7#），以实现轧件在各机架间的无张力轧制，从而保证产品的尺寸精度。

线材进入卷取区后经夹送辊进入事先选定的某架卷取机，底部托板将卷成螺旋状的盘卷托出卷取机后，由盘卷移送机将盘卷运送至步进梁运输线，而后转至另外一架卷取机的等待位等待下一盘卷。四段步进梁下设6台风机用于盘卷冷却，盘卷运至卸卷位置后，由运卷小车将盘卷运送至P/F线的C型钩上。

盘卷在P/F线上继续冷却，并在运输过程中人工取样、检查。在打捆机位置进行压实、打捆，在盘卷秤位置称重、挂牌，然后在卸卷站卸卷，由电磁吊车吊运入库。如图1所示为生产工艺流程图。

图1大盘卷生产工艺流程图

3大盘卷的工艺设备

机，粗、中、预精轧机为短应力线轧机，Ф5.0～7.5mm线材的保证速度为112m/s。生产高线及大盘卷。

全线无扭轧制：采用全线平/立交替布置，实现无扭轧制,可大大减少合金结构钢，特别是弹簧钢因轧件扭转在角部产生的裂纹，减少表面和内部缺陷，提高成材率；减少因扭转产生的事故，提高轧机利用率。同时，有利于实现粗、中轧的微张力控制，改善产品的精度。

轧线选用33架轧机，线材轧机共计30架，另外三架为大盘卷的定径机。粗轧、中轧、预精轧各为6架短应力线轧机，立辊轧机均为上传动。高线精轧机组为12架，分为8架精轧＋4架减径定径机组。8架精轧和4架减径定径机采用引进设备，型结构超重型机架，V轧机的刚度大，可实现低温轧制。大盘卷三架减定径机，立、平、平紧凑式布置。

传统的10机架无扭精轧机，100m/s在轧制速度下轧件瞬时温升过高，给优质钢、弹簧钢和合金钢的生产带来困难。根据国内外设计经验选择将精轧机组拆成8+4的技术，可实现低温轧制，改善产品的机械性能；简化孔型系统，减少轧辊和导卫的数量、提高作业率；提高产品精度，本设计采用了8+4减径定径机的技术。

轧制温度控制：在本设计中重点控制轧件在生产过程各阶段的温度。在加热炉中均匀加热，按钢种严格控制开轧温度。在中轧与预精轧机组和预精轧与精轧之间各设有2段预水冷箱，以控制大盘卷产品和线材进无扭精轧机的入口温度。在组合式精轧机组的8机架之后、架减定径机之4前和减定径机之后均设有水冷箱，主要是为控制终轧温度，实现低温轧制和控制吐丝温度。根据各钢种冷却工艺，散卷风冷运输线设计为辊道式延迟型，备有16台大风量的风机和绝热保温罩，同时在大盘卷的加勒特卷取机后设有6台大风量的风机，以满足产品方案中各钢种的热处理要求。

为确保产品质量，本设计考虑预留了硬线产品、冷镦钢、合结钢、弹簧钢等的坯料检查和修磨的可能。

轧线主要轧机采用交流电机，变频调速。粗、预精轧机交流主传动采用引进高性能的交中、流变频装置，线材精轧机及减定径机采用引进的大功率LCI或MV交流变频调速装置。测速装置为无联轴器的空心轴型脉冲发生器，以此构成全数字控制系统。系统具有调节器参数自调谐、故障自诊断、状态检查、信号记录等功能，调节系统对速度及电流进行闭环控制。不调速的交流电动机采用MCC控制。所有飞剪采用直流电机传动。

所有设定均采用工艺参数,与电机及传动系统的参数无关，对于交流传动的主轧线,则根据设定的延伸率、辊径、辊环修正系数、精轧出口速度等自动计算出各机架的速度给定值，从而保证连续轧机各点金属流量相等。本系统选择精轧机的出口速度为基准速度，一旦精轧出口速度确定之后，系统可根据各机架相关延伸率自动计算出各机架的速度给定。

4大盘卷生产线自动控制系统的组成

全线共设有三台西门子公司最新型的S7-400系列PLC产品，远程I/O站采用ET200M；传动系统则分别采用西门子6SE70系列和6RA70系列，通过Profibus-DP网与PLC之间进行数据交换；各主PLC之间通过工业以太网完成信息和数据的传输。如图2所为大盘卷生产线自动化控制系统的组成示意图。

图2大盘卷生产线自动控制系统的组成

4.1轧线PLC1

轧线PLC1为1台西门子S7-400系列416控制器，另配2块DP接口模块IM467，1块以太网通讯模板。PLC1主要完成主轧线1-18架轧机、7个活套和1－2#飞剪的自动控制，控制功能包括：主轧机设定系统即轧机的速度设定、区域起动/停车、轧机级联调速、机架间控制的手动修正、粗中微张力控制、自动活套控制、飞剪切头/切尾控制、轧件跟踪和自动碎断控制以及辅传动设定。

4.2介质PLC2

介质PLC2为1台西门子S7-400系列414控制器，另配1块DP接口模块IM467，1块以太网通讯模板。PLC2主要完成粗轧润滑站、中轧润滑站、预精轧润滑站、轧区液压站、卷取润滑站、卷取液压站、盘卷减定径液压站及润滑站的控制，控制功能包括：循环泵和主泵手/自动控制、加热器手/自动控制、溢流阀自动控制、润滑站内轧机供油温度控制及各种报警。为了避免DP网中断时液压润滑站停机导致设备损坏，所有润滑站和液压站配西门子S7-300或者S7-200系列控制器，这些CPU作为介质PLC的DP从站，通过DP网与PLC2进行数据交换。

4.3卷取区PLC3

卷取区PLC3为1台西门子S7-400系列414控制器，另配2块DP接口模块IM467，1块以太网通讯模板。PLC3主要完成4＃飞剪前夹送辊、4-5＃飞剪、两个碎断剪、减定径机前立活套、分道器、两个卷取前夹送辊、两个卷取机、盘卷移送机、步进梁、风机和运卷小车的控制。控制功能包括：夹送辊速度设定、夹送辊的手/自动夹送、飞剪的切头/切尾控制、碎断剪速度控制、活套自动控制、分道器手/自动切换、卷取机速度控制、卷取机摇摆控制、卷取机定位控制、卸卷板手/自动控制、盘卷移送机支撑挡爪手/自动控制、盘卷移送机速度控制和手/自动接卷控制、两个卷取机自动切换控制、步进梁手动/联动控制、风机和风门自动控制、运卷小车手/自动运卷控制、轧件跟踪和自动碎断控制、与减定径机控制PLC进行数据交换。

4.4三个PLC之间的通讯

三个PLC之间的数据交换有快速和非快速之分，因此根据情况采取了不同的通讯方式。

介质PLC2只和轧线PLC1之间进行数据交换，把液压站和润滑站的状态通过以太网送给轧线PLC1，再由轧线PLC1送给其它PLC，这样维护起来简单方便。

轧线PLC1和卷取PLC3之间要求快速交换数据，因此采用DP主从方式。PLC3作为PLC1的DP从站，接收来自PLC1的主轧线末架线速度，作为卷取区各个设备速度跟踪的基准；而PLC3则将活套的调节量送给PLC1，作为主轧线速度调整量的一部分，同时把卷取区的自动碎断命令传给PLC1。

综上，这种大盘卷自动控制系统中的各个PLC分工明确、功能集中，且采用DP网和工业以太网能够保证数据传输的可靠性和实时性，控制效果良好。

5结论

采用控温、控轧、控冷技术，产品公差控制在国标C级精度，最高精度±0.1mm。此条线的装备水平达到世界先进水平，双高产品占80%以上。Φ18～Ф50大盘卷成为南方第一条生产线，某钢铁厂高线厂的大盘卷生产线于2009年4月1日热试成功，整个自动化控制系统运行良好，性能稳定可靠，盘卷产品直径均匀且圈形规整，能够很好地满足生产要求，这种大盘卷生产线的自动控制系统值得推广。