侯立功，劉全勝

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省傳感網(wǎng)工程技術(shù)研究開發(fā)中心，無錫 214121）

清洗是熱雙金屬、覆銅鋼、鋼板等帶狀金屬材料生產(chǎn)工藝中非常重要的一道工序，其主要目的是對(duì)帶材表面進(jìn)行處理，清除帶材表面的氧化層、表面鍍鎳、使清洗后的帶材具有表面光潔、耐腐蝕等特性，類似的清洗處理機(jī)械在煤礦行業(yè)也有廣泛應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的連續(xù)式工藝處理生產(chǎn)線控制設(shè)備采用的是西門子、歐陸、ABB等世界著名品牌的PLC、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)等工控產(chǎn)品，如文獻(xiàn)[2]介紹了精細(xì)化工行業(yè)全自動(dòng)CIP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基于西門子S7-300PLC控制器可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備及管道的自動(dòng)在線清洗、工藝參數(shù)的設(shè)定和工藝過程的監(jiān)控。優(yōu)點(diǎn)是操作安全方便，同時(shí)也提高了清洗消毒效率。文獻(xiàn)[3]中通過引入觸摸屏技術(shù)，基于西門子S7-200CPU226控制器，將CIP系統(tǒng)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)清洗設(shè)備的控制，提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度和可靠性。缺點(diǎn)是當(dāng)設(shè)備中采用PLC控制器，尤其是核心控制器部件PLC還必須配置張力檢測(cè)處理模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等選購(gòu)件，整套自動(dòng)控制系統(tǒng)造價(jià)不菲，后期維修費(fèi)用也很高[4]。

該系統(tǒng)以自主研發(fā)的基于嵌入式微處理器的多功能過程控制器為核心，重新整合設(shè)計(jì)了分布式現(xiàn)場(chǎng)控制模式，通過與中國(guó)聯(lián)合工程公司校企合作，配套連續(xù)式復(fù)合帶材清洗生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)，在西南某電工集團(tuán)公司覆銅鋼生產(chǎn)線工程得到應(yīng)用，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制功能達(dá)到國(guó)內(nèi)同類自動(dòng)化先進(jìn)水平[4]。

1 生產(chǎn)線工藝流程分析

整條生產(chǎn)線工藝流程如圖1所示，它主要由入口段、工藝段、出口段組成。入口段包括開卷、1#轉(zhuǎn)向輥、焊接平臺(tái)，吊車將原料帶材運(yùn)至開卷區(qū)小車上，開卷區(qū)小車將帶材送上開卷機(jī)開卷，經(jīng)1#轉(zhuǎn)向輥到達(dá)焊接平臺(tái)，在此完成帶頭、帶尾焊接處理。工藝段包括清洗一區(qū)、清洗二區(qū)、鍍鎳區(qū)、清洗三區(qū)、清洗四區(qū)、蝕印區(qū)、清洗五區(qū)，帶材在此經(jīng)過化學(xué)脫脂、3M磨料輥刷拋光，超聲波清洗、表面鍍鎳、表面蝕印標(biāo)記、清洗烘干等工藝處理后到達(dá)出口段。出口段由2#轉(zhuǎn)向輥、牽引、3#轉(zhuǎn)向輥、卷取4個(gè)部分組成，牽引機(jī)構(gòu)將經(jīng)過表面處理的帶材從2#轉(zhuǎn)向輥牽引送至3#轉(zhuǎn)向輥，最后到達(dá)卷取機(jī)構(gòu)，配備液壓浮動(dòng)糾偏裝置的卷取機(jī)將帶材收卷整齊。

圖1 酸洗生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 Flow chart of working process for the whole production line

清洗生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是保證上述生產(chǎn)工藝流程能夠連續(xù)自動(dòng)進(jìn)行，從而形成協(xié)調(diào)有機(jī)的生產(chǎn)過程。

2 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)采用四級(jí)分布式現(xiàn)場(chǎng)控制和三層通信網(wǎng)絡(luò)處理模式[1，4]，系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Basic structual diagram of the control system

四級(jí)分布式現(xiàn)場(chǎng)控制包括就地執(zhí)行級(jí)（L0）、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)（L1）、操作現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控級(jí)（L2）、生產(chǎn)管理監(jiān)控級(jí)（L3）。三層通信網(wǎng)絡(luò)處理模式中，第一層是傳動(dòng)過程控制之間的CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，第二層是主控制器與車間管理工作站之間的RS485總線[1]，第三層為車間管理工作站與廠部管理工作站、設(shè)備管理工作站等其它IP設(shè)備之間的LAN網(wǎng)絡(luò)。

L0就地執(zhí)行級(jí)包括3套傳動(dòng)裝置、2套張力檢測(cè)、配套光電編碼器、電動(dòng)閥和溫控儀表，完成帶材平穩(wěn)開卷、傳送、收卷、清洗工藝溫度控制、清洗刷輥控制等現(xiàn)場(chǎng)控制功能。其中傳動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置采用艾默生變頻器，并且由牽引變頻器統(tǒng)一為其它2個(gè)變頻器提供直流母線電源，這種連接方式使得處于發(fā)電或電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)控制單元之間可以通過中間回路進(jìn)行能量交換，大量減少耗電量并能防止由此引發(fā)的傳動(dòng)裝置電源波動(dòng)[5]。

L1現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)為3臺(tái)自主研發(fā)的基于嵌入式微處理器的多功能過程控制器，用來完成酸洗各工藝功能的控制?，F(xiàn)場(chǎng)控制器可根據(jù)需要完成速度、張力、輸入輸出、監(jiān)測(cè)和報(bào)警等控制功能。

L2操作現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控級(jí)由主控制器和主、副操作站組成。主控制器通過CANBUS通訊總線采集現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)并對(duì)其發(fā)布處理命令，提供主操作站人機(jī)對(duì)話接口，副操作站人機(jī)對(duì)話接口由開卷過程控制器就近提供。主控制器生產(chǎn)數(shù)據(jù)錄入有2種模式，一種模式是通過RS485串行總線接收“車間管理工作站”發(fā)布的生產(chǎn)計(jì)劃和工藝并上傳現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，另一種模式是通過主操作站上的現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏人工輸入，兩種模式可以獨(dú)立選擇使用。

L3生產(chǎn)管理監(jiān)控級(jí)由位于工廠局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)臺(tái)遠(yuǎn)程電腦組成，通過網(wǎng)絡(luò)完成廠級(jí)、車間級(jí)的生產(chǎn)計(jì)劃、清洗工藝指令下達(dá)、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)等功能[7]。

3 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 基礎(chǔ)自動(dòng)化

底層基礎(chǔ)自動(dòng)化主要實(shí)現(xiàn)酸洗生產(chǎn)線各部分設(shè)備的邏輯功能、運(yùn)行功能[5]，具體包括速度控制、張力控制、酸洗電鍍控制、糾偏對(duì)中控制等系統(tǒng)功能[9]。

（1）速度控制功能。包括點(diǎn)動(dòng)速度控制、穿帶速度控制、工藝速度控制等環(huán)節(jié)，確保帶材在各種工藝狀況下同步運(yùn)行。

（2）張力控制功能。張力控制是關(guān)系到生產(chǎn)線能否正常運(yùn)行，產(chǎn)品質(zhì)量能否滿足要求的關(guān)鍵技術(shù)。該生產(chǎn)線在開卷側(cè)和卷取側(cè)分別設(shè)置張力檢測(cè)傳感器。安裝在開卷側(cè)1#轉(zhuǎn)向輥兩端的張力傳感器用來檢測(cè)運(yùn)行中開卷段的帶材張力，開卷過程控制器通過開卷張力傳感器實(shí)時(shí)采集開卷段的運(yùn)行實(shí)際張力數(shù)據(jù)，并根據(jù)生產(chǎn)工藝要求預(yù)置的開卷張力設(shè)定值和整機(jī)主令速度控制開卷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)恒張力和同步運(yùn)行，使帶材平穩(wěn)開卷并且能夠平穩(wěn)進(jìn)入酸洗工藝段。安裝在卷取側(cè)3#轉(zhuǎn)向輥兩端的張力傳感器用來檢測(cè)運(yùn)行中卷取段的帶材張力，卷取過程控制器通過卷取張力傳感器實(shí)時(shí)采集卷取段的運(yùn)行實(shí)際張力數(shù)據(jù)，并根據(jù)生產(chǎn)工藝要求預(yù)置的卷取張力設(shè)定值和整機(jī)主令速度以及當(dāng)前實(shí)時(shí)的帶材收卷直徑控制卷取電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)錐度張力控制和同步運(yùn)行目的，使收卷整齊，不變形[4]。

（3）鎳磷鍍控制?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)置的鎳磷鍍工藝參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)并記憶功能控制數(shù)據(jù)，包括鍍槽液位及槽液pH值控制、槽液溫度控制、清洗刷輥動(dòng)作控制等[8]。

3.2 過程控制

主要指生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理和工藝控制，包括生產(chǎn)計(jì)劃、工藝參數(shù)的傳送和管理，生產(chǎn)過程實(shí)際數(shù)據(jù)監(jiān)視、記錄、報(bào)表打印，系統(tǒng)診斷、故障報(bào)警等功能。

（1）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要用來完成酸洗生產(chǎn)過程中命令參數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的設(shè)置、采集、存儲(chǔ)、分析和管理，系統(tǒng)包含清洗工藝數(shù)據(jù)庫和清洗工藝參數(shù)記錄數(shù)據(jù)庫。清洗工藝數(shù)據(jù)庫記錄帶材材質(zhì)、厚度、寬度、重量以及對(duì)應(yīng)設(shè)置的速度、張力、電流、溫度等數(shù)據(jù)。酸洗工藝參數(shù)記錄數(shù)據(jù)庫將生產(chǎn)過程中的主要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（液位、pH值、槽液溫度、速度、張力等）分類存儲(chǔ)，并以數(shù)表或圖形方式顯示[6]。

（2）系統(tǒng)診斷、故障報(bào)警功能?？刂葡到y(tǒng)提供所有受控點(diǎn)的狀態(tài)檢測(cè)，用于自診斷及故障報(bào)警處理，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障后能夠自動(dòng)判斷產(chǎn)生故障的可能原因，并提示維護(hù)人員處理方法[6]。

4 多功能過程控制器的設(shè)計(jì)

滿足上述基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程控制功能要求，核心在于系統(tǒng)的控制設(shè)備尤其是現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)設(shè)備是否具備快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)和處理性能。為此筆者和相關(guān)科研人員專門研發(fā)了一種多功能過程控制器，該過程控制器基于先進(jìn)的RISC架構(gòu)的工業(yè)級(jí)嵌入式微處理器設(shè)計(jì)，整合了帶材處理類生產(chǎn)線運(yùn)行所必須的控制接口，包括張力檢測(cè)和控制，同步運(yùn)行速度控制，適應(yīng)分布式現(xiàn)場(chǎng)控制模式需求的CANBUS和RS485總線通信接口，常用I/O以及人機(jī)對(duì)話界面接口等，采用客制化專用軟件設(shè)計(jì)，滿足了現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)達(dá)到了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的設(shè)計(jì)目的[4]。

該多功能過程控制器的邏輯組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，其采用了組合式模塊化結(jié)構(gòu)，包含基礎(chǔ)框架模塊（圖3中虛線內(nèi)部分）、高級(jí)人機(jī)對(duì)話模塊和傳動(dòng)控制模塊3個(gè)部分。

圖3 多功能過程控制器組成框圖Fig.3 Composition diagram of multi-functions controller

基礎(chǔ)框架模塊以嵌入式微處理器為核心，配置輸入/輸出、通信總線、LED簡(jiǎn)易顯示等信號(hào)處理電路接口，是本過程控制器基本的軟、硬件支撐平臺(tái)。

高級(jí)人機(jī)對(duì)話模塊主要由具備觸摸操控功能的LCD顯示處理電路組成，通過加載專用人機(jī)對(duì)話操作控制軟件并連接觸摸式LCD顯示屏可實(shí)現(xiàn)中文界面下的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)查看、指令發(fā)布等功能。

傳動(dòng)控制模塊主要由光電編碼器信號(hào)處理電路、張力信號(hào)數(shù)據(jù)采集電路、高速脈沖輸出電路組成，通過加載具備張力控制算法的專用傳動(dòng)控制軟件并連接相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行部件，可用于變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)等傳動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)速度控制模式或恒張力、錐度張力控制模式下的多點(diǎn)同步運(yùn)行。

基礎(chǔ)框架模塊加高級(jí)人機(jī)對(duì)話模塊組合為本生產(chǎn)線控制系統(tǒng)L2層（操作現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控級(jí)）中的主控制器，而基礎(chǔ)框架模塊加傳動(dòng)控制模塊則成為本生產(chǎn)線控制系統(tǒng)L1層（現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)）中的多功能過程控制器，4臺(tái)多功能過程控制器各司其職，通過現(xiàn)場(chǎng)分布式控制模式互連，在三層通信網(wǎng)絡(luò)的支持下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)共享，經(jīng)濟(jì)、有效、靈活地組成整條生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。

5 結(jié)語

本控制系統(tǒng)投入使用以來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在滿足帶材清洗生產(chǎn)工藝流程要求的前提下，系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)成本只相當(dāng)于全套采用進(jìn)口控制設(shè)備的同類集散控制系統(tǒng)的三分之一，適應(yīng)了國(guó)家倡導(dǎo)的大型裝備國(guó)產(chǎn)化、生產(chǎn)工藝現(xiàn)代化、建設(shè)成本經(jīng)濟(jì)化的市場(chǎng)需求。

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