基于profibus-dp总线的钢板热处理传输并信号跟踪仿真系统

基于profibus-dp总线的钢板热处理传输并信号跟踪仿真系统

对经过加工的成品木材进行工艺处理，按照客户要求的正火、陡坡和火山处理，以提高木材的性能，满足特殊需求，有效提高产品的附加和利润。同时,还能够对轧制工序产生的钢板性能缺陷,进行调质挽救。因此,热处理工厂级成套设备不仅是专业热处理厂的组成主体,也是多数轧钢厂,甚至某些具备在线控冷轧制能力的轧钢厂必选的配套设备。热处理线主要设备包括抛丸机、辊底式正火炉/淬火炉(热处理炉)、水处理、冷床、矫直机、取样剪/试样剪、喷号机等。钢板在热处理炉前后及炉内的实时位置和传输速度,尤其在炉内停留的时间、炉膛温度等工况,是严格按照热处理正火、淬火、高温/低温回火等具体工艺要求而定的。分别由物料传输并跟踪控制模型和燃烧加热控制模型及冷却水配方处理数学模型,根据钢板规格参数、钢种型号和具体的热处理工艺要求自动选定并执行。总之,按照热处理工艺要求,对于钢板在热处理线,尤其是在热处理炉内,只有实现钢板传输速度精准可调,钢板实时位置检测跟踪准确可靠,才能够准确地达到热处理工艺要求的相应不同临界温度值,然后按照对应工艺要求结合进行露天缓冷,或者淬火或者小水量喷淋等等不同后续处理方式,最终完美实现各类型钢种板材热处理工艺。钢板在热处理炉的实时传输速度及其实时位置检测并跟踪,对于热处理工艺要求的精准执行,是非常重要的。1热处理炉配套设施热处理炉是热处理线的核心设备,其他设备皆为其服务配套设施。热处理炉主要由:上料平台、正火炉/淬火炉、淬火机、卸料辊道四部分组成。各部分功能不一,分别由一套或多套设备构成。1.1钢板模拟传输跟踪信号系统的确定上料平台由58支传输辊道、一组刷辊(上一下二)及其升降装置、钢板抬升及对中装置和5道辊道内置式钢板检测光栅以及测宽用拉绳编码器、测厚光栅等组成。上料平台设备组成见图1。热处理炉上料平台设备集成紧凑,功能众多。集钢板投放,钢板外表清洁,钢板测长、测宽、测厚、对中等多项功能于一体。随后由二级自动控制系统进行钢板规格数据校正,自动创建钢板数据信息包,激活并启动钢板物料传输跟踪仿真模拟信息系统。因此上料平台是热处理工艺执行的关键设备。钢板一经起重设备吊运投放至上料平台的放料区,即刻触发位于控制系统所建立的二维坐标系位于原点处Y轴上并排布置的第一道光栅PC1,第一道光栅安装在第一支辊道的前方距辊中心线0.5m处,内嵌式垂直向上以检测辊道上表面切线方向传输的钢板,其他辊道内嵌式光栅安装同此。整个钢板物料传输跟踪系统二维坐标系为沿辊道传输方向即热处理炉炉长方向为X轴,辊道宽度方向即炉宽方向为Y轴,由于对中装置是通过双臂梁机械对中,自然将钢板中心线与辊道宽度中心线重合,因此Y轴在传输跟踪控制系统中参与度很低;而每支辊道和每道光栅(包括测厚光栅和对射式炉内跟踪光栅)都对应地在坐标系X轴上唯一标定,该标志热处理炉及其前后辊道全长的坐标系连同规格实测完成后的每支钢板以同样比例投映显示在HMI界面的仿真模拟传输跟踪信号系统中。每支钢板的实物传输及其仿真模拟跟踪信号移动是一一对应的,钢板的实物传输以所到达的光栅实际检测信号为准,钢板的仿真模拟跟踪信号同样以该光栅信号进行移动位置的自动校正。对中一方面为钢板规格数据实测做准备,保证误差在允许范围内;另一方面保证钢板在长长的热处理线辊道传输中一直沿辊宽中心线移动,尤其在距离较长的炉膛内部不偏斜,以免钢板传输过程中刮伤炉体内衬的耐材或炉门等设施。钢板规格数据实测值还提供给燃烧加热控制模型,以计算温升达到工艺处理目标温度所需的处理时间(升温,保温),和烧嘴燃烧控制方式。因此钢板在上料平台所进行的对中、测长、测宽、测厚等规格参数的检测,至关重要。钢板最初放到物料投放区,由于未能检测确认钢板规格尺寸,无法与来自三级的MES信息比对,控制系统默认钢板无数据信息,此时钢板实物虽然触发了第一道光栅检测信号,但是系统仿真模拟信号由于没有实物规格尺寸(传输跟踪系统主要参照的为钢板长度数值)的参照,只是一支“钢板模拟信号”,其在HMI监控界面的大小和传输速度都不能做到精确,因此在监控界面上的显示如同“飞来之物”一般,外形也较大,待上料平台的一系列钢板的规格参数检测完成,创建了钢板的数据信息包后,其仿真模拟信号的长度和实时移动速度就和钢板实物实时一致,成比例地实时显示于HMI界面。此外,考虑到传输控制传动系统个别设备出现故障等非正常情况,全线的钢板跟踪测控光栅除了其各自的检测控制相应设备功能外,全部具有钢板实时传输位置检测并校正功能,它们在钢板传输并跟踪信号仿真系统的X轴上都有唯一坐标值标定。钢板实物触发第一道光栅信号后,即适时启动辊道传输,钢板前行;触发位于刷辊前的第二道光栅后,适时启动刷辊及其升降装置,进行清洁钢板上下表面,尤其经抛丸机抛过的钢板,由于小磁性弹丸的吸附极易被钢板带入炉内粘附到炉底辊上,造成辊道结瘤,导致成品钢板的下表面划伤,因此清洁钢板是入炉前的必要手段。随后钢板进入对中测量区域,由第三道和第四道光栅功能组合识别每一支钢板的头部和尾部,配合对中反送的辊道传输速度的检测(全部辊道变频器为伺服模式配以2048线的增量编码器,位置控制和速度检测精度很高),因此可由PLC计算得到精确的钢板长度值;对中进行的同时由拉绳编码器测定钢板宽度,对中完成时由位于第四道光栅之前的测厚光栅测得钢板厚度(测厚光栅以上料平台的辊道上表切线所在的水平面为基准),至此钢板规格实测完成。实测值与MES钢板信息比对,其中长度与实测相差大于±0.1m的,即于HMI界面报红警示,经操作工确认,并选定钢种型号和处理工艺后,控制系统自动创建该支钢板的数据信息包,其中每支钢板自动生成的唯一标识号和该支钢板相应热处理工艺所需要的在炉内处理时间,两个重要参数显示在传输跟踪控制仿真系统的模拟钢板信号的标志上,然后等待入炉。上料平台5道光栅,均为辊道内置式,三只光栅传感器构成一道,为检测不同宽度的钢板,将它们沿辊道宽度方向布置,每只光栅以常闭点采集接入PLC,当光栅发射的光波被经过它上面的钢板阻挡,发生漫反射,光栅检测到漫反射的光波信号,即输出信号,常闭信号翻转。每道光栅中的任一只光栅检测信号有效,控制系统即认为其上面存在钢板实物,只有三只光栅全部没有检测信号输出,控制系统才认为此处不存在钢板,此设置能够适应不同宽度规格的钢板,可有效检测。1.2钢板传输过程钢板在热处理炉炉前的上料平台等待,进料条件满足后,炉门自动开启。进料条件为多选项,可由操作工酌情选定或取消。钢板数据信息建立完成(可人工录入或由L3级提供),并与实测值相比对,操作工确认后,系统自动进行上料条件检查。钢板数据信息和上料条件见图2。炉门自动打开包括三个连贯控制执行步骤:炉门夹紧释放并到位,炉门抬升并到位,氮气门封打开。此时上料平台测量区辊道启动并加速,炉门内的辊道也适时启动并加速,一起将钢板快速地传输进入炉内。同时启动热处理时间倒计时,以递减的剩余时间形式显示在每支钢板的仿真模拟信号标识号的下方,方便直观。热处理炉内共设有7道发射接收式光栅,分设于炉外两侧,通过高温玻璃透镜发射光线平行穿过热处理炉炉膛内辊道上表面,由另一侧的接收装置接收,有钢板经过时阻隔光线,信号翻转。用以检测、校正炉内钢板的实际传输位置,同时提供给操作监控界面HMI上的跟踪仿真控制系统显示以正确的钢板实时位置。沿炉长方向设置的7道发射接收式光栅,准确监测、校正每支钢板实时传输位置;加之炉内辊道全部变频伺服传动和分辨率为2048的增量编码器反馈实现高精度控制,实现对每支钢板的精准传输。此外,设置于进料炉门前即上料平台的第5道辊道嵌入式光栅和进料炉门内侧的炉内第一组对射式光栅更重要的功能是识别每支钢板的头部和尾部,以及时开启和关闭炉门,防止钢板碰撞炉门。卸料炉门控制功能与此相同。不同的是,在炉内卸料炉门开启光栅之前设置一道钢板测厚光栅,其检测数据与卸料炉门外侧淬火机入口的测厚光栅比对后给出淬火机控制上辊系升降数值信号。此外该淬火机入口测厚光栅还在检测到钢板尾部后,给出卸料炉门关闭信号。进卸料时及时地开启关闭炉门;炉门开启瞬间启动氮气吹扫门封;钢板快速传输(进卸料时辊道变频器运行频率高达100Hz左右);以上措施尽最大可能地降低了炉内热量散失和大气中氧气进入炉内问题。钢板传输与跟踪受全线光栅监测校正以及钢板模拟仿真信号标识实时移动情况见图3,其中钢板唯一ID号和需热处理时间一目了然。钢板进入炉内伊始,热处理炉受控于相应热处理工艺加热模型,预热、升温、高温、保温、卸料各区段各自保持不同温度稳定不变,不受钢板热处理量的影响。钢板的传输受物料跟踪传输模型控制,厚度小于70mm的钢板一般持续直行,直至出炉,即能够达到相应热处理工艺所需的温度要求;厚度70mm以上的受最低辊道转速(炉内数百摄氏度甚至近千摄氏度的高温不允许炉内辊道停止不转,即使短时间停止不转,也会因受热不均而变形造成辊道损坏)和炉身长度的限制,炉内热处理时间需要延长,此时需要在炉内作前后方向摆动模式传动。二维坐标跟踪传输仿真模拟控制系统,即可灵活地实现辊道分区段摆动传动控制。不仅如此,若是炉外的淬火机、卸料辊道未能空闲或是其他故障原因不能接纳钢板。需要钢板继续待在炉内保温,等待卸料的情况,亦可自动地分区段地将炉内辊进入摆动运行模式,此时,自动检测炉内空间若足够,仍然继续进板而不致影响热处理生产,直至全炉进入摆动模式,此时每支钢板的间距是最小安全距离1m。摆动模式运行具有节约和充分利用能源,提高炉子利用率,可紧凑式连续进行批量生产等优势。1.3研究检测卸料及热处理钢板受控于模拟信号仿真跟踪控制系统,在炉内均匀加热,匀速前行,当达到具体工艺温度目标值后,即来至卸料炉门前的待卸料区保温待卸。具体卸料条件见图4。一般是满足炉后位置的淬火机内没有钢板正在进行淬火处理,并且淬火机机后卸料辊道空闲,该两个状态条件的检测是通过位于淬火机入口与热处理炉出口之间的钢板检测并测厚光栅和卸料辊道前后位置的辊道嵌入式光栅完成的。即可自动开启卸料炉门,进行卸料并淬火处理。淬火机为上下两套辊系(各32支辊道)集中驱动,变频传动,2048线编码器速度负反馈。其中上辊系由电动和液压双驱动升降,调整两套辊系间隙以适应不同厚度的钢板处理和通过。需要淬火或淋水正火处理的板材,此前还要进行水处理系统的状态正常与否的检测,主要是供水系统的压力和流量监测,条件允许,即在钢板进入淬火机的同时,通过淬火处理数学模型调用相应的水量配方,实施淬火工艺处理。需要进行空气自然缓冷的板材,则通过淬火机传输到卸料辊道。1.4钢板到达位置检测卸料辊道由25支辊道分别由各自的变频器驱动,编码器速度负反馈。伺服控制模式,定位传输准确,与炉前的上料平台辊道完全相同。卸料辊道的前后,即在淬火机出口进入卸料辊道后的第二支辊道和卸料辊道的第24和第25支辊道之间,分设两套内嵌式光栅,检测钢板到达的位置。若是卸料辊道后面的冷床因为装满钢板或故障原因不能接纳钢板,此冷床是否空闲和正常的要钢信号由冷床和矫直操作工视具体情况给出,信号采集进入钢板物料传输控制PLC,并输出信号到热处理操作界面HMI。又考虑到不需要淬火处理的钢板比如正火板和回火板的温度很高,有数百摄氏度,若一直停留在卸料辊道某个位置上不动,会将辊道及其电机电缆和光栅等设备烤坏。因此,设计由此前后两套光栅监测控制,自动启动卸料辊道进入前后两个方向的交替传动,使得钢板在卸料辊道上来回进行“游荡”,类同于热处理炉内的辊道摆动传动模式,均是为使辊道均匀受热,不致严重变形,保护辊道。2profibus-dp的数字视频监控系统由于热处理产线设备多,分布距离长,因此采用DCS信号采集处理系统,设置西门子S7-400PLC和多处子站就近采集炉子前后及炉内和炉门等等开关量和模拟量信号。所有子站和前后就地操作台、主控室、对中测宽拉绳编码器、测厚光栅以及总共多达245台的全部辊道变频器,均经由Profibus-DP总线连接至PLC。钢板物料传输跟踪并控制系统PLC硬件组态见图5。其中辊道变频器分段网络通过信号隔离器接入PLC,从炉内第71支辊道始,和淬火机、卸料辊道变频器、卸料就地操作台等设备接入光电转换器,由光纤引入位于前面控制室的PLC主机柜。以避免变频传动和长距离线路敷设信号耦合干扰,以及信号延迟造成的误动作等现象。图5中Profibus-DP地址为16的是设置于上料平台的钢板测宽拉绳编码器;地址15的是测厚光栅;地址13的是对中变频器;地址4的是淬火机辊道变频器;上料、主控室和卸料主令控制器DP地址分别为13、15、17;钢板物料传输并跟踪控制PLC还需要与钢板调运投放控制系统(视具体情况决定是否接入)、燃烧加热控制系统、淬火机控制系统、水处理控制系统的PLC主机进行信息交互,这些不同PLC控制系统之间的信号读取传递通过DP偶合器实现物理层链接,信号传输状态可在偶合器设置、查看。钢板热处理传输并信号跟踪仿真控制系统以精确的交流变频伺服传动和分布式物料实时传输位置的监测校正装置为基础,通过对每一支变频传动辊道和每一套钢板位置检测校正光栅在传输线所对应的X轴上进行唯一坐标标识,按比例缩放显示在HMI物料跟踪监控界面,同时钢板实物尺寸也以相同比例处理显示,进行实时传输位置监控,实现钢板在HMI的模拟信号与实物同步移动传输。由于变频传动伺服控制模式精准的位置控制和以传输线方向X轴为主的二维信号仿真系统的建立,使得该控制系统非常准确可靠,即使个别道组的位置检测光栅或辊道编码器损坏,信号异常,不能给出实物实时位置的校正,系统按照自己的传输并跟踪控制模型以及前道