控制网

       莱芜钢铁股份有限公司轧钢厂热轧窄带钢生产线加热炉步进梁PLC系统核心控制部分为西门子S7-300系列PLC，通过PROFIBUS-DP现场总线协议连接主控室、液压站、操作辅台、控制室各ET200M分站，组建分布控制网络，同时利用成熟的MPI总线网络通讯技术连接加热炉主控室、液压站、操作辅台3台人机界面，组成完整、高效的HMI网络，这种集散控制方式大大提高了系统功能。

1、硬件配置：

        统：包括1台编程器，3台人机界面（HMI）；第二部分为过程控制核心，也可称为主站，是由一套S7-300系列PLC，包括相应的I/O模块、通讯处理模块、计数模块等；第三部分由3个ET200M组成，采用现场总线PROFIBUS-DP进行连接，主要包括加热炉外围设备所有开关量、模拟量输入/输出控制信号的采集、处理和控制。

1）编程器及各HMI操作站

编程器：采用Dell 170L商用机，CPU为P4-3.0G，256RAM，软件平台Microsoft

        Windows 2000，采用西门子STEP7编程软件完成PLC程序编写工作，采用西门子窗口控制中心WinCC建立人机界面。

HMI操作站：分别为主控室、液压站、操作辅台。其中主控室HMI正常作为炉区设备状态显示、故障诊断、炉内钢坯跟踪，以及部分功能选择；液压站HMI主要用于步进梁的手动操作控制以及正常的设备运行状态监控，操作辅台HMI主要作为炉区上料端设备状态显示、故障诊断。

2）PLC硬件参数：

主站：SIMATIC S7-300 CPU：314-2DP 128K RAM

                   I/O ：  64K数字量或4K模拟量     

从站：3套ET200M分布式I/O站分别安装在液压站、操作辅台、控制室。ET200M是一个模块化的I/O站，采用扩展总线可连接8个S7-300 PLC的信号模板和功能模板，通过IM153接口模板把ET200M连接到PROFIBUS-DP现场总线上，最大传输速率是12Mbps. 操作辅台ET200M主要完成装炉端上料辊道、推钢机、装料炉门等设备的数据采集与通讯；液压站ET200M主要完成液压站泵阀的启停及顺序控制信号的采集与通讯；控制室 ET200M主要完成各种辊道、推钢机、出钢机等设备的控制信号的采集与输出,中央处理器通过Profibus-DP网络访问I/O模块。

2、网络结构与工作原理：

        本系统设有一条MPI总线和一条PROFIBUS-DP总线，采用双绞线缆，最大传输速率12Mb/s (与传输距离有关)，MPI用于主站与HMI之间的数据传输；PROFIBUS-DP用于主站与3个ET200M之间的数据传输。

1）PLC通讯网络分为两部分：MPI， PROFIBUS-DP。

（1）MPI（多点通讯接口）

       MPI多点通讯接口，主要用于连接主站S7-300 PLC和编程器之间的数据通讯以及连接主站S7-300 PLC和上位机、HMI之间的数据通讯，包括将上位机的设定值送到PLC或HMI进行控制，PLC将I/O信号模板采集到的数据送到上位机进行处理。 数据传输率为187.5kbps，相邻站之间的距离无中继器可达50m。

（2）PROFIBUS是按照DIN19245来进行标准化的。采用三种协议模型：PROFIBUS-FMS（现场总线信息规范）、PROFIBUS-PA（过程自动化），PROFIBUS-DP（分布式的I/O）。

2）工作原理：在总线系统里，每个站共享传输介质，当一个站接受到传输介质的访问信号，通道访问控制就确定了。PROFIBUS-DP现场总线使用一种混合式的访问方法（具有低层的主-从站用令牌传送），在PROFIBUS-DP上，当主站接受到令牌，它获得访问总线系统的权力，当规定时间过去后，它把令牌传到网络上的下一个站，从站并不接受令牌，它们是由所属的主站来直接寻址。它允许少量数据的高速循环通讯，具有高度的容错性、数据的完整性、标准信息帧结构、在操作过程中可自由的访问每个站等优点。数据传输率可达12Mbps,可用双绞线和光缆传输数据，可自动识别从站的数据传输速率。

        加热炉PLC改造完成的主要功能有：加热炉步进梁各种运行过程的自动控制；装料端、出料端自动控制；出钢机行程自动定位；预测出钢；换步距控制；炉内钢坯位置跟踪；双步距控制；步进梁自动复位；步进梁升降曲线设定等。其中技术难度在于：如何确定炉内钢坯的具体位置，而最终影响到能否自动出钢。而实现推钢机、步进梁、出钢机、装出料辊道、装出料炉门的全过程自动属于逻辑顺序控制，既要充分满足工艺上的各种连锁要求，又要所有设备都保留手动和自动两种控制，手动主要用于调试和单机试车，完成各种设备的单体动作，自动用于正常生产。下面就各个主要功能进行详细介绍：

1、    加热炉步进梁各种运行过程自动控制

        步进式加热炉步进梁正循环为正常生产状态，逆循环主要用于倒钢，踏步是为了避免炉内钢坯在生产中断时防止加热不均造成黑印而设计的。正循环分为上升上段、前进段、下降上段、下降下段、后退段、上升下段六个时段，每个时段都是先加速、后匀速、最后减速的过程。在步进梁正循环过程中，关键是步进梁启动的各种工作条件要充分考虑清楚：首先正常情况下推钢机推钢到位，启动步进梁；如果步进梁在“自动启动”状态下，遇到空步标志，且推钢机到达后极限，此时步进梁自动启动；在双步运行中，双步第一步步进梁自动启动。步进梁六个时段顺序控制中，前一个时段的停止点是下一个时段运行的必要条件

2、    出钢机行程自动定位

        加热炉原先设计中是利用安装在不同位置限位开关，确定出钢机前限位、后限位、超前限位、超后限位，从而确定出钢机停止的位置。由于出钢机行程不可调节，经常出现挑不到钢、挑到一半钢坯而出现钢坯掉下来砸炉头或一次挑两支钢的情况。在此次PLC改造中，出钢机行程采用两种定位方式：固定位置和自动定位。所谓固定位置即行程设定值确定出钢机行程；自动定位即利用编码器和计数模块准确记录出钢机的行程，将当前准备出钢的那一只钢到出钢线的距离作为出钢机的前进行程设定，编码器采集的脉冲信号通过计数模块传输给PLC作为出钢机行程的反馈值，为了避免出钢机启动后对步进梁的冲击，在程序中作了P调节器控制出钢机的运行速度曲线。在实际运行中发现，由于步进梁的误差，有时会造成出钢机行程设定与当前出钢的实际位置存在偏差，因此在3#操作台上设置了“出钢机设定行程加（减）”按钮开关，每个执行周期加减5mm，根据开关执行时间的长短来控制加减行程的多少，用来修正出钢机自动定位的设定值。

3、    位置点信号处理

        带钢加热炉最初设计中采用接近开关检测各个时段的减速点和停止点，由于步进梁的运行误差，实际运行曲线是一个不规则的平行四边形，经常出现找不到原点及各个减速停止点，影响加热炉的正常运行。在此次加热炉PLC改造中，除了保留原先的接近开关外，还分别在加热炉控制升降和平移的缸体上安装位置传感器，采用国际先进的位置检测元件―德国巴鲁夫BTL5位置传感器对加热炉的升降和平移位置进行检测，精确度达微米级，从而提高了控制精度。在位置点的处理上，程序中是这样作的：在水平距离6cm，垂直距离5cm范围内就认为是原点；将位置传感器检测到的反馈值与设定值进行比较，当反馈值小于等于设定值时就认为到达减速点或停止点。程序中是采用限位开关还是位置传感器确定减速停止点，由操作工在3#台上的计算机上进行选择。

4、    炉内钢坯位置跟踪及预测出钢

        炉内钢坯位置跟踪是加热炉PLC改造中的一个技术难点，能否得到每支钢坯的准确位置，将会直接影响到能否实现自动出钢。在原先的设计中，钢坯跟踪是靠理论计算的，步进梁每走一步，钢坯位置累加一个步距，而在实际情况中，由于步进梁平移存在误差，理论计算就会将每一步的误差累计，这样一支钢从入炉到处出炉，理论计算位置与实际位置相差甚远，根本无法实现真正意义上的自动出钢。在此次改造中，为了准确跟踪炉内每一只钢的位置，一是在硬件上安装了位置传感器，精确测量步进梁走过的每一步步距，二是在程序上人为的将加热炉纵向分为85个区域，定义每个区域的指针地址及其地址所对应的钢坯属性，包括空步标志、坯首标志、钢坯步距，进入炉内的第 i支钢的地址记为p，那么它的属性是否是坯首，是否是空步，以及走过的步距都记录下来，当步进梁走下一步时，这支钢的地址自动加为p+1，相对应的属性坯首和空步标志自动传递到p+1地址中来，步距则是已走过的步距加上当前步进梁所走的步距之和，从而实现了每一支钢坯位置的在线跟踪。判断累加步距是否大于推钢线到出钢线的距离，如果大于，将出钢缓冲区置位，并将累计步距加上设定执行步距，如果大于推钢线到出钢线的距离，则预测有钢信号置位，步进梁再走下一步时，自动启动出料端出钢；如果不大于，则预测有钢信号不置位，只是步进梁再走一步，而出料端不动作。

5、步进梁自动复位功能

        在原先加热炉控制中，如果出现了步进梁回不到原点，就到炉底手动操作升降与平移，使其到达原点，在这次加热炉PLC改造中，增加了“步进梁自动复位”功能。“步进梁自动复位”按钮同样也是设置在３＃台的计算机上，步进梁复位时，先将步进梁动作的六个时段全部复位，然后执行从下降下、后退到上升下段程序，一般情况下，一个循环就可使步进梁回到原点。

6、加热炉各段曲线设定

　　加热炉原控制系统中各时段运行速度是通过调节比例阀放大板来实现的，由于比例阀放大板是由分立元件作成的，有时难免会出现参数偏移等故障，而且速度的调节是由工程技术人员完成的，操作工调节时只不过是凭感觉，没法测量。在这次加热炉PLC改造中，去除了比例阀放大板，而直接采用曲线设定，由工程技术人员或操作工直接在计算机上设定各个时段的减速点和停止点。

7、双步距控制：

        为了适应市场的发展和初轧车间的转产，带钢车间的原料规格发生了变化，不止是360mm和400mm规格，有些规格超出了最大步距，在此次改造中，新增加了双步距控制功能，以便适应企业长足发展的需要。具体内容是：输入设定步距，判断设定步距是否大于最大步距设定值，如果大于，就将双步标志置位，同时也将双步第一步标志位置位，步进梁走第一步时，推料端与步进梁动作，出料端不动；当步进梁走第二步时，推料端不动，步进梁走一步空步，出料端动作出钢。

8、加热炉运行状态监控：

        分别在主控室、液压站、操作辅台设立了3个人机界面，进行加热炉各种运行状态监控及故障报警。每个人机界面设立了主画面、参数设定、操作辅台、液压站、钢坯跟踪等画面。

        主画面显示显示步进梁设备各种运行状态，六个运行时段及各段时间显示，步进梁的各种功能选择，如步进梁复位、出钢机自动定位等；

        参数设定画面可以对步进梁六个运行时段的减速点、停止点进行设定，进行步距选择：360步距、400步距、双步距；钢坯跟踪画面主要完成炉内每一支钢坯的位置跟踪。