Siemens系列产品在冷轧实验机中的应用方案

1 引言
目前，西门子PLC以其强大的功能，优越的性能和良好的稳定性，在各行各业的生产线的控制中被广泛地使用，尤其是在轧钢领域应用得更是普遍。冷轧实验机的控制系统对控制器的精度和速度的要求都很苛刻，因为冷轧机的产品原料通常都很薄，轧制过程厚度控制的难度较大，同时还要对张力、速度进行精确控制。作为实验机，不仅要控制好，同时还要对控制过程的实验数据精确的测量，以便对工艺过程参数做进一步地分析和研究。
整个冷轧的机械部分包括主轧机(机架、两支撑辊和工作辊)、卷取机、减速机等。控制部分包括主传动电机、电动压下电机、左/右卷取电机、西门子直流调速器和液压缸。液压站中的五个电机和润滑站中的工艺润滑、设备润滑两个电机、加热器等。
2 系统的硬件设计
控制系统包括两部分，即控制部分和数据采集处理部分。控制部分采用西门子公司的S7-400系列PLC，并利用FM458作为高速模拟量控制器，与ET200组成ProfibusDP网，对分散的对象如操作台的控制时减少接线。使用S7-300PLC作为从站对液压站和润滑站进行控制。利用S7-400系列的443-1完成S7-400主站与人机界面计算机的通讯，人机界面计算机位于操作台上，采用西门子公司的触摸屏，软件为WinCCflexible。
主液压缸位移的测量选用德国的MTS绝对值传感器，左/右卷机的转速测量选用雷恩增量编码器，利用FM458控制器通过FM438-1扩展板上的绝对值和增量编码器模块读取位移和转速值，另外卷径也是通过增量编码器计算出来的。冷轧薄带钢在卷取时的张力是通过力传感器检测的。硬件配置见图1所示。

图1 控制系统硬件配
3 系统原理设计
首先慢速点动将原料带钢上卷，此时的主传动电机和卷取电机都是由S7-400站上的FM458通过6RA70直流调速器来控制的，其反馈信号如电机的速度是由FM438上的增量编码器检测，电机电流有调速器提供。构成速度闭环和电流(即转矩)闭环，同时通过力传感器检测到带钢的张力，完成力闭环控制。然后在触摸屏上输入工艺参数，如轧制的道次及相应的厚度值等。带钢的厚度控制是有MTS高精度位移传感器检测液压缸的位置，通过FM438模板上的绝对值编码器采集信号，经过PID算法后，输出电压值到高速伺服阀，从而完成对液压缸的位置闭环控制。当轧辊需要大位移移动时，需要对压下电机的控制来完成。
轧机在工作之前，液压站要首先工作，即要将主泵和背压泵打开，冷却水泵打开，以降低油温。将加热器打开，使乳化液的温度控制在50℃左右，打开搅拌电机时乳化液温度均匀。打开工艺润滑泵和设备润滑泵。
乳化液的温度控制是有S7-315 CPU，通过8通道模拟量输入模块7KF02检测来自温度变送器的温度值，通过与设定值的比较，控制两个加热器的通和断。当实际温度与设定温度相差较大时，两个加热器都打开，当实际温度接近设定温度的一个范围内时，关掉一个加热器。当轧机工作时，S7-315还要检测乳化液出口处的压力，并将压力、温度、液压站滤油器的状态等值通过Profibus-DP网发送到S7-400主站中的DB块中，以便在HMI计算机上显示，同时将速度、电流、张力等信号保存的数据库中。
4 系统通讯设计
在控制系统中将S7-400设为主站，将S7-300设为从站，它们之间的地址映射关系见图2和图3。
●Mode:通讯模式，MS为主从方式的通讯模式。
●Partner DP AddrP通讯伙伴的地址。
●Partner Addr:通讯伙伴的输入/输出地址。
●Local Addr:本站的输入/输出地址(S7-300站的地址)。
●Length:连续的输入/输出地址区的长度为32个字节。
●Consistency:数据的连续性。

图2 主、从站的地址映射关系

图3 报警信号发送到主站
5 系统软件设计
冷轧实验机机组的控制软件分为两部分，一部分是轧机的逻辑控制，即由梯形图或语句表编写，另一部分是模拟量闭环控制，由CFC结构流图编写。液压站部分的软件都是由梯形图或语句表编写。
液压站部分的软件分为模拟量检测，即乳化液温度和压力，温度控制;逻辑控制。具体的子程序块及其功能如下。
(1) 模拟量检测及主从站通讯子程序:完成乳化液温度、压力的检测，温度控制，并将温度、报警信号等，发送的S7-400主站，同时主站要对从站中控制乳化液的两个阀进行控制。
(2) AGC及弯辊站逻辑控制子程序:完成对主、辅电机及其伴随阀的逻辑控制。
(3) 水泵及搅拌器的逻辑控制子程序:完成液压站的油温控制，使其温度保持在一定范围内，按工艺要求完成搅拌器电机逻辑控制，使乳化液的温度保持均匀。
(4) 工艺润滑和设备润滑站电机逻辑控制子程序
(5) 故障报警子程序:当液压站油温持续过高、滤油器堵塞、乳化液温度不工艺在要求范围内等，将产生报警信号。
(6) 公共子程序:公共子程序包括很多，如图4、图5、图6示出了数据标。度变换、数据类型转换、控制算法、数据处理等子程序。

图4 标度变换子程序

图5 温度逻辑控制子程序

图6 数据检测子程序
6 结束语
该实验轧机的控制系统采用了性能稳定稳定、抗干扰性强的西门子系列PLC，使整个设备的运行安全可靠，完全达到了设计要求，利用该设备承揽了与韩国一家公司的润滑油性能研究的科研项目。该实验机是具有自主知识产权的设备，得到了国家九八五自然科学基金的资助，在此基础上我单位又与上海宝山钢铁公司上钢一厂签定研制一台了同型号的实验轧机。该设备是冷轧科研部门不可缺少的实验手段。