高线打包机PLC自动控制系统的设计

(佛山职业技术学院,广东 佛山 528137)

0 引言

打包机是现代高速线材生产线特有的设备，它集机械、液压、电气控制于一体，位于高线的精整区域[1]。打包机将由C型钩运来的盘卷经过打包机压紧，沿线卷圆周方向成90°等分打4个平行结头。打包后线卷最小长度可达0.5～0.6 m，大大方便了盘卷的储藏和运输[1-4]。

韶关市伯顿工业技术有限公司设计和制造的BT4600型打包机，其电气控制系统动作准确、可靠、智能化程度高。控制系统采用分布式I/O进行数据采集和控制，降低了接线成本，提高了数据安全性，增加了系统灵活性[5]；实时监控打包机的状态，便于操作维修人员对设备进行监控和及时发现设备所存在的隐患，及时采取有效措施，避免事故的扩大化。压实车、线道架的速度和打包线张力能自动跟随校正，保证了压实和捆紧效果。

1 系统结构及工艺过程

1.1 系统结构

高线打包机是一套非常复杂的机电液一体化的全自动智能控制设备。它包括了几方面的自动控制：位置控制、运动控制、速度控制、液压控制、报警控制、联锁控制和顺序控制等[2-4]。打包机PLC控制系统结构如图1所示，按功能可以划分成以下3大块：①外围设备，这部分包括液压润滑站、主控台、配电柜；②打包机主体设备，包括4个打包头、2台压实车、1个升降台、4个喂线轮、线库和线道架；③现场总线，用于主控台和打包机、液压站之间的信号连接和通信。

由图1可知，打包机的控制比较分散，因此采用基于DP总线的分布式I/O控制系统设计[4]。PLC控制系统由1套S7-300 CPU主站、7套ET200S从站和1套MP277按键屏组成。DP主站选用CPU 317-2PN/DP，是整个控制系统的中心。A101、A201、A202、A203、A204、A205这6个从站均选用6ES7 151-1AA05-0AB0 ET-200S IM 151 DP接口模板。其中，A101站用作主控台的本地控制和用户接口；A201站用作线库、举升台和压实车驱动的控制；A202站用作1#、2#打包单元的控制和1#压实车位置检测；A203站用作3#、4#打包单元的控制；A204站用作1#～4#喂线单元的控制；A205站用作线道架的控制和2#压实车位置检测。A11站为智能从站，选用6ES7 151-7AA21-0AB0 ET-200S IM 151 带CPU的DP接口模板，集成24 kB工作内存，用作液压润滑站的控制。

图1 打包机PLC控制系统结构图

1.2 工艺过程

当带有盘卷的C型钩停在打包机中心线位置时，定位夹紧器闭合锁定，PF线自动控制系统发出开始打包指令启动打包机。打包机检测信号布置图如图2所示。

图2 打包机检测信号布置图

打包机自动打包工艺流程说明如下。

① 预压紧。1#、2#压实车在液压缸的驱动下朝盘卷方向同时运动，线道架从压实车上开始朝前运动，举升台往上运动到盘卷刚好与C型钩之间保持着自由状态。

② 压紧。2#压实车刚好接触到盘卷边时(S8光电开关动作)，举升台继续上升托起盘卷，然后压实车压紧盘卷，同时线道架靠拢至关闭(电感传感器S12动作)。

③ 开始喂线，冲压就绪。液压马达驱动送线机构送出打包线，同时锁定1#、2#压实车。

④ 停止喂线，夹紧线头。打包线沿着线道到达扭结装置，在碰到夹紧装置的挡板时停止喂线，打包线头部被夹紧。

⑤ 拉紧打包线。扭结装置向内运行移动到打包位置，兜线轮打开，同时喂线轮反转，打包线被拉紧，剩余的线被送回线库。

⑥ 扭结，剪切。喂线轮停止，脉冲编码器给出指示后，扭结。扭结完成，打包线被剪断。这时打包完成。

⑦ 返回初始位置。打包结束后，1#、2#压实车返回初始位置，线道架返回起始位置，举升台返回起始位置。

自动打包机循环打包流程如图3所示。

图3 打包机循环打包流程图

打包好的盘卷挂在C型吊钩上，打包机控制系统向PF线控制系统发出打包完成指令。

由打包工艺过程分析可知，打包机实现快速准确的打包控制，除了要求各个检测信号正常外，还必须要求升降台的高度位置要控制准确，压实车要快速预压和冲压就绪，打包线速度控制合适，线道架能快速关闭。升降台位置、2台压实车位置和4道打包线速度控制分别采用编码器G3、G1和G2、1S18～4S18来实现，编码器型号选用6ES7 138-4DA04-0AB0型高速计数模块24 VDC/100 kHz。

2 通信功能的设计

2.1 通信网络的设计

通信网路可查看图1所示系统结构图。主站CPU 317、人机界面MP277与上位机之间通过RJ45口用双绞线通信，CPU的IP地址为192.168.0.3，MP277的IP地址为192.168.0.1。主站与HMI、DP从站之间采用DP屏蔽双绞铜线通信。主站、HMI、A101从站、A201从站、A202从站、A203从站、A204从站、A205从站和A11智能从站的DP地址分别为3、12、11、21、22、23、24、25、8。主站直接访问远程I/O从站的地址。

2.2 主站与智能从站主从通信方式的组态

DP主站不是直接访问智能DP从站的输入/输出，而是访问CPU的输入/输出地址空间的传输区，由智能从站的CPU处理该地址区与实际的输入/输出之间的数据交换[5,7]。主站与智能从站之间的数据交换是由PLC的操作系统周期性自动完成的，不需要用户编程。

主站和智能从站之间的DP主从通信地址组态如表1所示。点击DP从站对话框的“组态”选项卡，点击“新建”按钮，在弹出的对话框中，按表1的内容设置通信模式、输入输出地址、交换区长度和单位等参数。

表1 DP主从通信地址的组态

设置通信用的输入/输出区时，应确保DP主站的一个输出区分配给DP从站的一个输入区，反之亦然。组态完成后，返回主站的硬件组态窗口，编译保存组态结果。

2.3 DP主从通信信息的设计

打包机的通信信号共59个。主从站之间的通信数据交换信号主要有：通信正确信号，急停信号，液压泵的启停、运行、封锁和故障信号，循环泵和加热器的启停、运行、封锁和故障信号，油位、油温高低检测信号，油温值等。

3 主要控制功能的设计

打包机的PLC控制系统的功能主要包括初始位置控制、手动控制、压实车运动控制、压实力控制、举升台控制、线道架运动控制、送线系统控制、打包线速度控制、扭结装置控制、液压系统控制和通信等。下面介绍部分主要控制功能。

3.1 初始位置控制

打包机在初始位置才能启动自动模式[8-9]。打包机原位的条件为:一是压实返回初始位置，二是打包头返回初始位置。压实原位的条件为：1#压实车在后限位S3，2#压实车在后限位S6，举升台在下限位S10，线道架在后限位S14。打包头原位的条件为：扭结装置在初始位S5，打包头在初始位S20。如果系统不满足原位条件，则通过主控台上的压实操作选择开关和打包头操作选择开关，手动复位操作。

3.2 压实车运动控制

压实车的主要任务是完成盘卷的对中压实功能，其控制主要包括压实车的逻辑控制、对中控制、位置和压实力的计算。其中，逻辑控制主要完成1#、2#压实车的前进、锁定、后退以及与打捆的联锁等功能。位置控制的主要任务是计算2台压实车的位移，产生压实过程中高速前进、低速前进、低速后退和压实完成等信号，并计算盘卷长度和判断盘卷对中。

盘卷长度计算公式如式(1)所示。

LC=2LCY+DPP-SPP1-SPP2

(1)

式中：LC为盘卷长度；LCY为压实液压缸长度；DPP为压实车最小间距；SPP1为1#压实车位移；SPP2为2#压实车位移。

盘卷对中的判断为:①若SC-δ≤SPP1-SPP2≤SC+δ，说明盘卷已对中；②若SPP1-SPP2SC+δ，说明2#压实车位移过大。其中，SC为盘卷偏移量，单位mm，δ为误差允许量。

对于压实车的对中控制，将盘卷偏移量SC作为给定信号、压实车的位移差(SPP1-SPP2)作为反馈信号，输入PID运算器，产生的输出用于控制2#压实车的速度值，从而保证压实完成后盘卷中心与吊钩中心重合，达到使吊钩平衡的目的。

3.3 线道架的控制

线道架的运动曲线如图4所示，图中虚线表示极限运行轨迹。

图4 线道架运行曲线

线道架的运动部分安装在2#压实车上，由一台液压马达驱动；固定部分安装在1#压实车上。线道架除了跟随压实车运动外，运动部分还有相对压实车的移动过程。线道架比较轻，运动速度快，除了减速控制外，还安装了减震器进行冲击防护。线道架的运动与压实车的运动需要配合良好。打包机启动后伸出减震器，预压紧完成发出指令(GC_FWD)，启动线道架高速(VH1)前进，运动到前进减速位S15后转为低速(VL1)前进；线道架合拢(S12得电)，启动送线，同时收回减震器。在送线打包过程中，为了保持线道架处于有效合拢状态，液压马达低速工作。打包完成后发出指令(GC_REV)，线道架先高速(VH2)后退，到位置S16时转为低速(VL2)退回原位S14。加装前进极限位S13检测，线道架前进到S13立即停止。

3.4 打包线速度控制

打包线的速度控制有高速送线、低速送线、高速抽紧、低速抽紧和低速收线等过程，而检测信号只有打包线在喂线单元检测S4和打包线预进打包头检测S2两个。送线速度的控制信号需由脉冲编码器S18配合传感器来实现。打包线的速度控制曲线如图5所示。

图5 打包线的速度曲线

喂线启动命令(START_FEED)，喂线轮液压马达高速(VH1)正转，打包线沿线道环绕盘卷，接近打包头时(即编码器S18发出8 200个脉冲)，喂线轮低速正转(VL1)，打包线进入打包头(S2下降沿到来)，继续走420个脉冲到达挡块，完成送线过程。当打包头夹紧完成时，抽紧信号(BU_ST11)到,喂线轮高速(VH2)反转，当编码器S18的脉冲数不变化时，表示一次拉紧结束；兜线轮打开后，喂线轮进入低速(VL2)反转，当编码器S18的脉冲数不再变化时，表示二次拉紧结束。当扭结、剪切完成，打包头返回信号(BU_ST19)到时，喂线轮低速(VL2)反转，进行收线，当打包头初始位置(S20)信号到，且喂线单元有打包线(S4有信号)时，收线结束，打包完成。若打包头返回初始位置，喂线单元无打包线(S4无信号)，表示打包故障，需要二次打包。

4 实时监控功能的设计

打包机的HMI采用西门子公司的MP277 10″key实时监控，便于现场操作员操控和监视打包机。HMI监控画面采用西门子的WinCC flexible2008软件开发[5]，共18幅，主要有以下功能。

打包机主控画面，可以实现手动与自动地切换、进入其他监控画面，监视打包机整体运行状态，监视盘卷状态，记录打包数量和盘卷长度等[9]。

4个打包头监视画面，用于打包头、喂线单元、扭结装置、打包线等的位置检测和运动状态监视[10]。

压实状态监控画面，可监视压实车、线道架、举升台的位置检测，实时显示压实车和线道架的速度和压实力的数值，监视压实车和举升台的编码位移脉冲数等。

液压站监控画面，可监视液压马达、循环泵的启停控制和运行状态，还可监视液位、温度和油路蝶阀等数值和运行情况。

其他的信息显示画面有打包头状态画面、打包头工作过程画面、打包头设置画面、打包机状态画面、打包机工作过程画面、压实设置画面、与PF线通信状态画面、Profibus通信信号状态画面等。实时报警画面有打包头故障显示画面、压实过程故障显示画面、液压站帮助画面等。

5 结束语

BT4600型打包机在洛阳伟业轧钢有限公司高速线材生产线投入运行，改变了高线原来手动打包效率低下的状况，有效改善了操作人员的工作环境，极大提高了工作效率，使高线精整区打包工序的自动化生产成为现实。打包机自投入运行以来，扭结失败率低，最大盘卷打包时间约40 s，满足厂家65 s左右的轧钢生产节奏。当然，与国外高性能的同类产品(扭结失败率<0.3%，打包时间约35 s)比较，还存在一定的技术差距，还需在运行环境下不断优化控制参数。

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