鄒鑫，何文雪，牛杰

(青島大學 自動化學院，山東 青島 266071)

0 引言

隨著我國對高層建筑、大跨度橋梁等大型工程建設的不斷投入，大型H型鋼的需求量將會大幅度增長[1]。采用異形坯生產(chǎn)H型鋼材，可減少軋制道次，縮短軋制時間，節(jié)約能源；而且軋材性能的各向異性小，產(chǎn)品質(zhì)量可靠。重型異形坯的連鑄技術(shù)已逐漸成熟，但是對于重型H型鋼異形連鑄坯的切割系統(tǒng)并不完善。基于此，設計了一種以S7-1500PLC為控制器、火焰切割機為執(zhí)行機構(gòu)的切割系統(tǒng)，提高了自動化程度，節(jié)省了大量的人力，提高了生產(chǎn)效益。

1 切割系統(tǒng)方案設計

1.1 重型H型鋼坯生產(chǎn)流程

重型H型連鑄坯由引錠桿緩緩拉出，通過紅外定尺技術(shù)把需要切割的長度尺寸發(fā)送給S7-1500PLC，由1500PLC控制火焰切割機執(zhí)行切割動作。生產(chǎn)流程圖如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)流程圖

1.2 火焰切割機的組成和系統(tǒng)工作原理

火焰切割機由大車架、切割小車(由割槍、割嘴等組成,每一流分別有兩個切割小車)、同步機構(gòu)(由氣缸等組成)、?；妊b置組成[2]。當1500PLC收到紅外攝像定尺與規(guī)定切割長度相同的尺寸時，1500PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)控制火焰切割機的西門子S120變頻器來驅(qū)動大車和割槍的電機，再通過電機上的旋轉(zhuǎn)型編碼器將大車和割槍的位置反饋給1500PLC，達到了整體的閉環(huán)控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動化控制。切割系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 切割工作原理圖

1.3 紅外定尺系統(tǒng)

重型H型異形連鑄坯切割尺寸由紅外定尺系統(tǒng)測量，紅外定尺系統(tǒng)由紅外攝像機、CCD半導體器件和工控機組成。攝像頭主要負責信號的采集和處理。首先紅外攝像頭通過紅外成像原理把鑄坯實物通過處理轉(zhuǎn)換成圖形信號后送到CCD，再經(jīng)CCD處理轉(zhuǎn)換成視頻信號送到工控機，工控機處理后通過PUT/GET通信把實時測量鑄坯前端面距標定原點的位置距離L2發(fā)送給1500PLC，通過上位機把需要切割的尺寸L1輸入到1500PLC。當L2≥L1時，1500PLC控制火焰切割機完成切割命令[3-4]。紅外定尺系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 紅外定尺系統(tǒng)工作原理圖

2 切割系統(tǒng)的硬件設計

基于PLC的重型H型鋼連鑄坯火焰切割系統(tǒng)主要是完成連續(xù)鑄坯的定尺切斷，從硬件的角度考慮，主要包括控制器和執(zhí)行機構(gòu)的選擇[5]。

2.1 控制器的選擇

所設計的重型H型鋼切割系統(tǒng)復雜，輸入、輸出的開關(guān)量較多，工作在高溫的環(huán)境下，控制精度要求高。因此選用西門子高性能S7-1500系列PLC，其CPU選用1513-1 PN，通信響應速度和數(shù)據(jù)傳輸快，抗干擾能力強，安全性能好，能適應復雜的工作環(huán)境[6]。S7-1500 PLC模塊具有診斷的功能并且診斷的級別為通道級，不需要進行額外的編程就能快速準確地查到受影響的通道，減少因故障而停機的時間。電源模塊選用60W 120/230VAC/DC_1，根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出點數(shù)選擇兩個DI 32x24VDC BA、兩個DQ 32×24VDC/0.5A BA。

2.2 執(zhí)行機構(gòu)的選擇

由1500PLC控制執(zhí)行機構(gòu)完成切割任務，執(zhí)行機構(gòu)選用火焰切割機，其大車和切割小車的驅(qū)動電機選用變頻調(diào)速的異步電動機，大車行走速度Vc=3～20m/min，割槍行走速度Vg=0.09～2.5m/min，割槍升降距離S=200mm。

編碼器選用倍加福增量型旋轉(zhuǎn)編碼器RHI58N-0BAK1R61N-1000，其性能高、分辨率角度高、6通道信號輸出，可靈活使用，通過附帶的轉(zhuǎn)矩支架固定在適當?shù)奈恢?，通過電纜連接器進行電氣連接。

該系統(tǒng)中大車和小車的方向和速度控制單元選用西門子S120高性能驅(qū)動器，集V/F、矢量和伺服控制于一身，可實現(xiàn)單軸驅(qū)動和多軸控制?？刂颇KCU310與功率模塊PM340配合組成S120單軸控制系統(tǒng)[7]。1500PLC通過標準報文與S120驅(qū)動器通信控制大車和割槍的方向和速度。

3 切割系統(tǒng)的軟件設計

3.1 系統(tǒng)組態(tài)

使用TIA V15.1軟件完成控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)如圖4所示。S1201控制大車的移動方向和速度，S1202控制1#割槍的水平移動方向和速度，S1203控制1#割槍的垂直移動方向和速度，S1204控制2#割槍的水平移動方向和速度，S1205控制2#割槍的垂直移動方向和速度。PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)與S120變頻器連接。

圖4 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

3.2 切割系統(tǒng)的軟件設計

PLC的程序設計是重型H型異形連鑄坯火焰切割系統(tǒng)的核心部分。該切割系統(tǒng)在滿足控制要求和生產(chǎn)需要的情況下，設計自動模式、手動干預兩種模式。自動切割過程中，用戶可以根據(jù)需要通過割槍操作手柄使割槍退出自動切割方式，這種方法稱為手動干預。手動干預后，自動關(guān)閉切割氧，停止切割。手動干預后，有兩種進入程序的方式，一種是手動把割槍開到鑄坯邊緣,打開預熱火焰扳動啟動開關(guān)，割槍會進入自動切割程序；另一種是在預熱氧打開時按下切割氧按鈕，割槍直接以切割速度切割。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

1)系統(tǒng)的預壓緊和壓緊信號由紅外定尺系統(tǒng)給出，當鑄坯走過的長度達到設定的長度時，紅外定尺系統(tǒng)給1500PLC壓緊信號，1500PLC會發(fā)出命令控制同步機構(gòu)壓住鑄坯，鑄坯和大車同步運行，邊走邊切。

2)由于重型H型鑄坯厚度大，多采用仿弧式切割方式，當割槍水平切割到鑄坯腹板位置時，割槍開始以一定斜度下降，割槍下降到距腹板安全切割高度時停止下降，繼續(xù)以平移方式切割鑄坯，切割速度是設定切割速度的3倍。當兩槍相遇時(相遇極限發(fā)出信號)，畫面上選擇為“1#或2#相遇后返回”的割槍關(guān)閉切割氧，延時關(guān)閉預熱氧，延時關(guān)閉燃氣。割槍快速向原位退回程序如圖6所示。當退到翼板邊緣時，需要判斷割槍當前高度是否小于35mm。如果小于就可以繼續(xù)后退。如果高度>35mm，為了防止割槍后退時撞上翼板，就需要停下來等割槍上升高度<35mm后才能快速返回到原點。另一把割槍繼續(xù)切割完剩余鑄坯后，關(guān)閉切割氧，延時關(guān)閉預熱氧，延時關(guān)閉燃氣，以快速方式向割槍原位退回。

圖6 割槍相遇返回程序

3)割槍在切割過程中，因破口起切失敗或切割速度過快而產(chǎn)生翻渣時，可采用手動干預方式。按照現(xiàn)場情況，用手動的辦法處理事故。這時操作割槍操作手柄使割槍返回，割槍返程的速度是3 500mm/min，割槍返程后到達翻渣位置，人工打開切割氧后，割槍重新進行切割，同時這把割槍的狀態(tài)又恢復到自動狀態(tài)。如果破口失敗，則把割槍開出鑄坯，人工扳動“啟動”按鈕，割槍就進入自動切割程序，自動打開預熱火焰，按設定的時間預熱，預熱完畢后打開切割氧，開始以始切速度進行切割破口。

3.3 上位機畫面設計

該系統(tǒng)使用Wincc7.4對上位機進行設計，該生產(chǎn)線采用一機二流的方式對鑄坯切割，一流火切機人機交互界面如圖7所示。異形連續(xù)鑄坯火焰切割系統(tǒng)的上位機系統(tǒng)由人機交互界面、數(shù)據(jù)通信、腳本策略組成。通過人機交互界面，操作人員可以輸入定尺長度、預熱時間等參數(shù)。通過指示燈、動畫等可視化的方式讓操作員了解設備的工作狀態(tài)。腳本策略負責對1500PLC較為復雜的算法計算和復雜動畫的制作。數(shù)據(jù)通信負責上位機和1500PLC的數(shù)據(jù)傳輸，上位機通過SIMATIC NET OPC的方式，實現(xiàn)1500PLC和上位機的數(shù)據(jù)交互[8]。

圖7 上位機人機交互界面

4 結(jié)語

使用S7-1500PLC作為重型H型異形連鑄坯火焰切割系統(tǒng)的控制核心，紅外定尺系統(tǒng)對鑄坯移動長度進行測量，人機交互界面對設備的工作狀態(tài)進行實時的監(jiān)控，共同完成該生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)配有機旁操作箱，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以進行手動干預處理。該系統(tǒng)投入到生產(chǎn)應用中，能夠按照設計的切割流程工作，可以靈活切換各種操作模式，提高了系統(tǒng)的自動化程度，大大提高了切割鑄坯的精度和效率，避免了人工切割產(chǎn)生的誤差和質(zhì)量問題，降低了成本，經(jīng)濟效益明顯。