靳 哲，唐繼英，李 軍

（天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，天津 300400）

1 引言

火焰切割機是連鑄系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，主要由切割機械、介質(zhì)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成。與機械剪切相比，火焰切割具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、靈活易于維修；投資?。磺懈钏俣瓤?、割縫質(zhì)量好；不受鑄坯斷面和溫度的限制等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用。但是，對火焰切割機的控制系統(tǒng)有較高的要求，切割機的運行穩(wěn)定程度直接影響鑄坯斷面平整精度。

本項目結(jié)合某工程實例，采用西門子S7-300 PLC 和西門子MM440 變頻器，開發(fā)了新型火焰切割機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，定尺率高，滿足了工藝和質(zhì)量對切割設(shè)備的要求。

2 火焰切割機工藝簡介

火焰切割機工藝過程分為靠坯、起切、切割、末切和返回5 個步驟。首先由測長系統(tǒng)發(fā)出信號，夾緊臂夾緊，切割槍運行，編碼器計數(shù)，切割槍靠坯，預(yù)熱氧、預(yù)熱煤氣打開進(jìn)行預(yù)熱，在這段時間內(nèi)切割槍是不動作的，預(yù)熱一段時間后，切割槍開始起切，在這個過程中切割槍慢速行駛，到達(dá)切割過程后切割槍開始快速行駛，末切又回到慢速，最后快速返回到原點。

按工藝要求火焰切割機分為自動切割、半自動切割和手動切割。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

本套火焰切割機自動切割鑄坯電氣控制系統(tǒng)設(shè)計選用德國西門子S7-300 PLC、西門子MM440 變頻裝置、編碼器和圖爾克接近開關(guān)等，分別對火焰切割機向前、切割、返回等過程進(jìn)行檢測和控制。

3.1 S7-300PLC系統(tǒng)設(shè)計

S7-300 PLC 系統(tǒng) 由1 個電 源 模 塊PS307、1 個CPU 模塊315-2DP、1 個8 通道計數(shù)器模塊FM350、1個通信模塊CP343、3 個DC24V 32 點數(shù)字量輸入模塊6ES7-321、2 個DC24V 32 點數(shù)字量輸出模塊6ES7-322、1 個模擬量輸出模塊6ES7-332 組成，如圖1 所示。

圖1 S7-300PLC系統(tǒng)配置圖

電源模塊電流種類有10 A、5 A 和2 A，本系統(tǒng)選用10 A。CPU 模塊通過PROFIBUS 總線分別與切割槍變頻器、割切小車變頻器的串行通信口連接，根據(jù)RS232 或RS485 協(xié)議操作。計數(shù)器模塊提供7 種不同的工作方式，用來讀取編碼器數(shù)值進(jìn)行速度測量。通信模塊在工業(yè)以太網(wǎng)上獨立處理數(shù)據(jù)，其自身帶有處理器，通過以太網(wǎng)與連鑄主機相連。輸入模塊把現(xiàn)場數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為S7-300 內(nèi)部電平信號。這個過程有光電隔離和RC 濾波，用于接收控制室的點火、預(yù)夾緊、夾緊、切割等操作按鈕信號以及切割槍速度輸入信號；接收切割小車原始位、慢速、伸縮輥、切割槍原始位等接近開關(guān)信號；接收當(dāng)?shù)乜刂葡鋳A緊、切割小車向前/返回、伸縮輥向前/返回等信號。輸出模塊把S7-300 的內(nèi)部電平信號轉(zhuǎn)換成控制過程要求的外部電平，并作隔離和功率放大處理。用于控制切割小車原始位、切割槍原始位、預(yù)夾緊、切割等動作的信號燈；用于控制切割小車向前、返回、快速、慢速抱閘、切割槍返回、速度、預(yù)加熱等。模擬量輸出模塊用來調(diào)節(jié)變頻器頻率，從而改變切割槍電機速度。

3.2 MM440變頻器的選用

變頻器電路圖如圖2 所示。切割槍電動機功率為0.55 kW，變頻器的電流應(yīng)大于電動機的電流，選用西門子MM440，額定功率1.1 kW，額定電流為2 A 的變頻器。該變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管IGBT 作為功率輸出器件。它具有很高的運行可靠性和功能的多樣性，其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲，全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動機提供了良好的保護(hù)。采用高性能的矢量控制技術(shù)，具有超強的過載能力，能提供持續(xù)3 s 的200%過載能力，同時提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性[1]。

數(shù)字輸入5、6、7、8、16、17 端為用戶提供了6 個完全可編程的數(shù)字輸入端，17 接復(fù)位按鈕，數(shù)字輸入信號經(jīng)光耦隔離輸入CPU，對切割槍電動機進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、正反向點動、固定頻率設(shè)定值控制等。模擬輸入10、11 端為用戶提供了0～10 V、0～20 mA 模擬信號輸入，作為頻率給定信號，經(jīng)變頻器內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，傳輸給CPU 來控制系統(tǒng)。輸出12、13 端為模擬輸出端為用戶提供0～20 mA 最大電阻500 Ω 的模擬信號，是經(jīng)變頻器內(nèi)D/A 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，傳輸給切割槍速度表進(jìn)行速度顯示。輸出端19、20、21、22 為內(nèi)部輸出繼電器的常開觸頭，外接準(zhǔn)備好，運行兩個繼電器線圈其常開觸頭用于控制系統(tǒng)中。基本操作板（BOP）通過串行通訊接口與變頻器相連，可以設(shè)置更改變頻器的各個參數(shù)，具有五位數(shù)字的七段顯示，用于顯示參數(shù)的序號和參數(shù)值；報警和故障信息以及該參數(shù)的設(shè)定值和實際值，但不能存儲參數(shù)的信息[2]。

4 控制功能實現(xiàn)

4.1 工作原理

S7-300 PLC 數(shù)字量輸出與變頻器數(shù)字輸入端規(guī)定如下：

Q1.0——切割槍正轉(zhuǎn)/停止，即切割槍前進(jìn)；

Q1.1——切割槍反轉(zhuǎn)/停止，即切割槍返回；

Q1.2——切割槍輸入速度，即定位速度；

Q1.3——切割槍慢速，即始切速度/末切速度；

Q1.4——切割槍快速，即返回速度。

鑄坯長度到定尺要求時，夾緊臂將鑄坯夾緊，PLC發(fā)出割槍靠坯信號，變頻器數(shù)字端口接收后，切割槍正轉(zhuǎn)快速向前。此時編碼器開始計數(shù)，到達(dá)靠坯位置，PLC 發(fā)出停止信號，切割槍停止運行。預(yù)熱5 s 后，PLC 發(fā)出起切信號，變頻器控制切割槍正轉(zhuǎn)慢速向前。編碼器計數(shù)，切割槍運行到起切位置，PLC 發(fā)出切割信號，改變撥碼器數(shù)值，通過模擬輸出端轉(zhuǎn)變成切割槍需要的速度，切割槍以設(shè)定速度正轉(zhuǎn)向前。編碼器計數(shù)，切割槍運行到切割位置，PLC 發(fā)出末切信號，切割槍正轉(zhuǎn)慢速向前。編碼器繼續(xù)計數(shù)，切割槍運行到末切位置，PLC 發(fā)出返回信號，變頻器控制切割槍反轉(zhuǎn)快速返回。編碼器反向計數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)原始位，編碼器歸零，PLC 發(fā)出停止信號，變頻器控制切割槍停止運行，等待下個周期。

圖2 MM440變頻器電路圖

以上所有過程的輸入信號、輸出信號、模擬量信號的采集和處理都是通過S7-300 完成的。

4.2 軟件編程

STEP 7 軟件是西門子公司S7 系列可編程序控制器組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，所支持的PLC 編程語言非常豐富。該軟件的標(biāo)準(zhǔn)版支持STL（語句表）、LAD（梯形圖）及FBD（功能塊圖）3 種基本編程語言，并且在STEP 7 中可以相互轉(zhuǎn)換。專業(yè)版附加對GRAPH（順序功能圖）、SCL（結(jié)構(gòu)化控制語言）、HiGraph（圖形編程語言）、CFC（連續(xù)功能圖）等編程語言的支持。本系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如下：

組織塊OB1：用于循環(huán)程序處理，是程序的最基本模塊。

功能程序塊FC9～FC12：FC9 程序是用來檢測和計算鑄坯長度；FC10 程序是調(diào)用編碼器的程序，給編碼器清零和賦值；FC11 程序是編碼器速度管理程序，它給出靠坯、起切、切割、末切和返回區(qū)域，從而驅(qū)動變頻器工作；FC12 程序是整個應(yīng)用程序的重點部分，切割槍的向前和返回都在這個程序中。

數(shù)據(jù)塊DB2 和DB3：DB2 存放切割過程重要數(shù)據(jù)，DB3 存放鑄流過程數(shù)據(jù)，在切割和澆鑄過程中，它需要一些數(shù)據(jù)起到聯(lián)鎖保護(hù)作用，通過這兩個數(shù)據(jù)塊，使重要的數(shù)據(jù)可以互相傳輸。

本系統(tǒng)編程語言采用梯形圖，比較形象直觀，容易掌握。系統(tǒng)中切割槍向前運行的梯形圖程序如圖3所示。梯形圖與繼電器控制電路圖的表達(dá)方式極為相似，適合于熟悉繼電器控制電路的用戶使用，特別適用于數(shù)字量邏輯控制。

圖3 切割槍向前運行的梯形圖程序

4.3 變頻器參數(shù)設(shè)置

在確保接線無誤的情況下，合上電源并設(shè)置MM440 參數(shù)，設(shè)置P0010=30，P0970=1，然后按下P鍵，使變頻器恢復(fù)到出廠的默認(rèn)值。變頻器各項參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置表

4.4 火焰切割機HMI監(jiān)控畫面設(shè)計

上位機監(jiān)控采用WinCC6.0 版本組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計。該監(jiān)控軟件由德國西門子公司與微軟公司共同開發(fā)，是結(jié)合西門子在過程自動化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微機軟件的強大功能的產(chǎn)物。用戶可以在WinCC 友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，能夠顯示實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，生成實時數(shù)據(jù)曲線與歷史數(shù)據(jù)曲線，并能生成報表打印出來[3]。

根據(jù)現(xiàn)場具體實際，設(shè)計了總畫面、一級監(jiān)控畫面和二級監(jiān)控畫面。操作人員登錄后顯示總監(jiān)控畫面，畫面顯示整個生產(chǎn)工藝的運行情況。在總監(jiān)控畫面左側(cè)，設(shè)置了一列一級監(jiān)控畫面鏈接按鈕，鏈接的畫面包括：液壓系統(tǒng)、操作表、儀表運行、趨勢以及第一流到第五流等監(jiān)控畫面。點擊任何一個一級監(jiān)控畫面鏈接按鈕，在顯示該部分整體運行情況的同時，在該畫面的右側(cè)，同時顯示若干個二級監(jiān)控畫面鏈接按鈕，點擊這些按鈕，可以顯示相應(yīng)的二級監(jiān)控畫面并可以對該部分的參數(shù)進(jìn)行顯示和設(shè)置。

圖4 是煉鋼廠火焰切割機1～5 流切割操作狀態(tài)監(jiān)控畫面，用來顯示和設(shè)置操作的各個參數(shù)，如：切割速度控制方式、切割速度、起切時間調(diào)整、切割距離調(diào)整、鑄坯長度設(shè)定等。

圖4 火焰切割機HMI監(jiān)控畫面

5 結(jié)束語

利用西門子STEP7 軟件編寫PLC 梯形圖程序進(jìn)行變頻調(diào)速控制，提高了系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性、工作的可靠性，操作與維護(hù)的也很方便，同時節(jié)約了大量電能。由于系統(tǒng)在設(shè)置參數(shù)P1300 時選用的是無速度反饋的矢量控制方式對電動機的速度進(jìn)行控制，可以得到大的轉(zhuǎn)矩，改善瞬態(tài)響應(yīng)特性，具有良好的速度穩(wěn)定性，而且在低頻時可以提高電動機的轉(zhuǎn)矩。經(jīng)實踐證明，采用PLC-變頻器控制的火焰切割機調(diào)速系統(tǒng)給企業(yè)帶來了更大的效益。

[1]馬寧，孔紅.S7-300PLC和MM440變頻器的原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：265-270

[2]孫書芳.西門子PLC高級培訓(xùn)教程[M].北京：人民郵電出版社，2011：310-319

[3]陳海霞.西門子S7-300/400PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：337-338.