CN105088426A - 一种金属齿条坯片三联轧机系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属齿条坯片三联轧机系统及其控制方法，负反馈闭环三联轧机控制系统由执行模块、控制模块、控制面板模块和报警模块组成，完成自动模式下的速度控制、启停控制，手动模式下的点动控制，同时还有辅助功能控制及各种保护功能。本发明的优点是采用通信技术连接人机界面、PLC和变频器，减少布线数目，提高传输效率，控制更加精确；系统具有手动模式和自动模式，两个模式采用不同的参数组，相互独立并且对应工艺的不同工况，可靠性高；系统具有完善的电气安全保护措施，能完成报警和故障指示，同时可以在人机界面读出各个重要参数的数值，辅助判断故障原因及日常监控。

Description

一种金属齿条坯片三联轧机系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及金属针布制造领域，具体涉及一种金属齿条坯片三联轧机系统及其控制方法。

背景技术

针布是梳棉机的基本元件，针布表面为针或齿，包裹在机件上用于梳理各种纤维(棉、麻、毛、化纤等)。针布分为：弹性针布、半硬性针布和硬性针布三类，硬性针布也就是金属针布。金属针布的制造的一般工艺流程：将外购的规格钢丝经过三联轧扁，轧出的坯片再经过冲齿、淬火，最后包装成针布圈或针布箱。

我国与1955年引进金属针布，因为国外的技术封锁和国外工艺指标和国内不匹配等等诸多原因，国内也开始了独立研发金属针布的生产。60～70年代我国金属针布制造发展较快，而国产老式轧机也大多是那个时间段里生产的，现在的轧制设备也大都是在国产老式轧机的基础上加以改造完成的。轧机的控制系统也从最开始的直流调速系统到交流调速系统，再到现在应用最广的变频调速系统。目前的变频调速系统也大都是90年代后采用可编程逻辑控制器和通用变频器组成的控制系统。这类方案优点是比原来交流系统的控制精度有很大进步，轧制速度有所提高，缺点是当时的变频器需要外加装置形成闭环控制，系统复杂程度较高，因为这类设备采用可编程逻辑控制器的端子控制，没有采用通信技术进行数据传输，所以速度等等参数大多是靠旋钮手动调节的，变频器里的很多有用的参数不能读出。

本发明设计的三联轧机控制系统是在老式三联轧机的基础上，保持原有工艺流程和生产设备不变，采用可编程控制器、变频器、人机界面和通信技术加以改造，实质是可编程逻辑控制器的多电机变频调速系统。

按照原有的轧制工艺流程，三联轧机系统要完成自动模式下的速度控制、启停控制，手动模式下点动控制，同时还有辅助功能控制及各种保护功能。变频器作为执行机构，完成电机速度控制，再由电机带动轧辊。为保证轧制过程的秒流量相等，由于老式轧机现有的张力装置结构，张力信号需被变送成4～20mA的标准信号，再送入变频器进行闭环控制。当出现故障时，整个系统停止工作，控制系统将进行故障报警，故障指示以保证生产现场的安全。

发明内容

为提高三联轧机系统的可靠性、自动化程度和轧制精度，并且简化结构，本发明提供一种金属齿条坯片三联轧机系统及其控制方法。

本发明通过以下技术方案来实现：一种金属齿条坯片三联轧机控制系统，其特征包括：负反馈闭环三联轧机控制系统包括执行模块、控制模块、控制面板模块和报警模块等。

执行模块由四台电机组成，分别由各自的变频器控制，自动模式下，四台电机以秒流量相等为原则，以三号轧机为基准运行。手动模式下，符合系统调试和上下料的工艺流程，可以让各个电机单独点动，部分电机联动。

控制模块主要由PLC系统、变频器和电控设备三个部分组成。张力装置反馈的信号直接送入变频器作为PID反馈值，不再送入PLC，提高动态响应，简化PLC程序。变频器采用两套参数组，可以适合手动模式和自动模式不同工况下的运行任务。PLC连接变频器端子排完成参数组切换、完成内部各个工况及保护的逻辑控制功能。PLC与变频器采用通信的方式连接，有效减少接线数目，提高传输效率。

控制面板模块由各个对应的按钮开关和人机界面组成。人机界面与PLC间也采用通信连接，速度等参数可以由人机界面输入，最后送入PLC寄存器中，同时还可以通过程序将变频器的各个重要参数送入PLC寄存器，最后通过人机界面读出，让操作人员了解系统运行状况。

报警模块主要是各个指示灯、电铃等，当发生故障时，整个系统停止，防止因为某个轧机突然故障造成安全事故，并且每个轧机对应各自的指示灯，可以简单直接地看出是那个出现故障，同时人机界面也提供报警界面。

变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统保持轧制过程稳定高效，自动化程度提高，操作更加方便，系统结构简单，可靠性高。

本发明的有益效果是：

1)所述变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统，采用通信技术连接人机界面、PLC和变频器，减少布线数目，提高传输效率，控制更加精确。

2)所述变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统，具有手动模式和自动模式，两个模式采用不同的参数组，相互独立并且对应工艺的不同工况，可靠性高。

3)所述变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统，具有完善的电气安全保护措施，能完成报警和故障指示，同时可以在人机界面读出各个重要参数的数值，辅助判断故障原因及日常监控。

附图说明

图1为变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统闭环结构图

图2为变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统系统组成图

图3为变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统电气总图

图4为变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统西门子S7-200系列CPU226型PLC接线图

图5为变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统西门子MM440型一号变频器接线图

图6为变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统西门子MM440型二号变频器接线图

图7为变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统西门子MM440型三号变频器接线图

图8为变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统西门子MM440型四号变频器接线图

图9为变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统变频器与PLC接线图

图10为变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统信捷OP320-A-S人机界面与PLC接线图

图11为PLC工作模式选择流程图

图12为PLC手动模式流程图

图13为PLC自动模式流程图

具体实施方案

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，张力装置输出4～20mA标准信号送入变频器模拟量口，变频器内置PID功能，与人机界面输入的设定值进行PID运算，控制变频器的频率输出，来控制电机的转速，张力装置处于稳定位置，系统稳定运行，形成变频控制闭环系统。输入为给定参数，输出为轧制速度，反馈信号为张力装置信号。

如图2所示，用3台额定功率为15kW的Y160L-4电动机和1台额定功率为7.5kW的Y132M-4电动机分别拖动各自的轧辊或卷曲设备，电机与轧辊之间是机械连接，规格钢丝被动放料，通过校直装置校直，之后经过三联轧辊，进行三联轧制。当某两个相邻轧辊之间料子堆积时，张力轮下移，张力装置输出反馈信号，对应变频器输入的反馈值变化，变频器使输出频率升高，调节电机转速提高，张力轮回到平衡位置，当某两个相邻轧辊之间料子拉紧时，张力轮上移，张力装置输出反馈信号，对应变频器输入的反馈值变化，变频器使输出频率降低，调节电机转速降低，张力轮回到平衡位置。整个系统以三号轧机的速度为基准，一号张力装置输出信号反馈控制一号轧机速度，二号张力装置输出信号反馈控制二号轧机速度，三号张力装置输出信号反馈控制卷曲机速度。PLC与变频器通信，控制变频器内部参数组的切换，完成手动模式与自动模式的切换，变频器内部的信号参数也可以反送入PLC的寄存器，以供人机界面显示。同时人机界面可以输入速度，行程等等参数存入PLC寄存器，控制变频器频率输出。

整个系统主要分为手动模式和点动模式两个状态。手动模式主要完成一号轧机点动、二号轧机点动、三号轧机点动、卷曲机点动、一二号轧机联动、一二三号轧机联动和全部联动的控制功能。主要用于系统调试和设备的上下料过程，点动频率为5Hz。自动模式是正常的工作模式，整个系统处于协调稳定的状态，人机界面用键盘按钮输入给定速度，控制轧制速度，同时可以在人机界面上可以读出各个电机的转速、电流和整个系统的行程等等重要参数。系统还有其他辅助的功能，冷却阀，润滑泵，上下电继电器，断路器等等。可以在变频器里设置整个系统的频率上限为50Hz，频率下限5Hz。

如图3所示，PLC与四台变频器总线型连接，PLC的Prot0口接到一号变频器，再到二号变频器，依次最后到四号变频器。PLC的Port1口接人机界面。PLC输出端电源可以是变频器自带的24V电源，也可以采用开关电源。总电路和每个变频器都由带热磁脱扣的断路器保护，主要是过载保护，并且还有继电器KM进行控制。

如图4所示，需要PLC与变频器的通信，PLC和人机界面的通信，所以至少要有2个通信口，同时辅助功能的变频器上下电、冷却阀、润滑泵的启和停各自需要2个输入和1个输出，行程控制和故障指示等等需要3个输入和4个输出，手动模式中各个点动按钮和点动输出需要7个输入和4个输出。自动模式需要启动/停止、紧急停止这两个输入，4个变频器正常运行指示灯，即4个输出，最后是手/自动切换和参数组切换，即1个输入和1个输出。因此至少需要19输入和16个输出。本发明选用西门子S7-200系列CPU为226的PLC。

控制线路的线号采用3位的数字表示，0开头表示输入，1开头表示输出。输入部分：除了手/自动切换I0.2、起停开关I1.2为带自锁的旋钮和急停按钮I1.3外，其他的均是点动按钮。I0.3～I1.1用于点动，分别表示一号点动、二号点动、三号点动、四号点动、一二号联动、一二三号联动和全部联动，用于手动模式下工作。I1.2、I1.3、I2.1分别为启/停、急停和故障复位用于自动模式下，其他部分如变频器上下电、冷却阀的启/停、润滑泵的启/停和行程控制为第三部分的控制。输出部分：电源部分可以接变频器内部的24V电源，Q0.0～Q0.3为手动模式的点动控制，分别是一号轧机点动、二号轧机点动、三号轧机点动和四号轧机点动，Q0.4～Q0.7用于对应变频器的故障指示，可以接红灯，电铃等报警装置，KM，KA1,KA2分别对应电路保护、冷却、润滑的继电器，完成继电器的通断，进而控制外围的设备。Q1.3为变频器参数组切换的信号，用于完成变频器内部参数组切换的重要任务。Q1.4～Q1.7是变频器正常运行的指示灯。

如图5所示，一号变频器的电气接线图，本发明选用西门子MM440变频器。PE接地，Din1接PLC的1号点动，Din2接参数组切换，通信采用RS485作物理接口，协议采用西门子的USS协议。采用变频器的BICO调用功能，将USS协议中的速度控制字作为PID的给定值，张力装置的反馈电流作为PID的反馈值，实际运行时考虑到扰动的存在，所以实际中可以设置反馈信号的死区。变频器自带的24V直流电可以给PLC供电。RST的380V工频三相电端接入空气开关QF1和继电器KM，起到控制和保护的作用。UVW的电源输出端直接连电动机。QF0为带热磁脱扣的断路器，热磁脱扣主要用于防止过载，本发明采用西门子3VT1N125TMAF/3P，QF1采用3VT1N40TMAF/3P。

如图6所示，二号变频器图电气接线图，本发明选用西门子MM440变频器。PE接地，Din1接PLC的2号点动，Din2接参数组切换，通信采用RS485作物理接口，协议采用西门子的USS协议。采用变频器的BICO调用功能，将USS协议中的速度控制字作为PID的给定值，张力装置的反馈电流作为PID的反馈值，实际运行时考虑到扰动的存在，所以实际中可以设置反馈信号的死区。RST的380V工频三相电端接入空气开关QF2和继电器KM，起到控制和保护的作用。UVW的电源输出端直接连电动机，QF2采用3VT1N40TMAF/3P。

如图7所示，三号变频器电气接线图，本发明选用西门子MM440变频器。因为整个系统的速度是以三号轧机为基准的，所以没有反馈量，PE接地，Din1接PLC的3号点动，Din2接参数组切换，通信采用RS485作物理接口，协议采用西门子的USS协议。RST的380V工频三相电端接入空气开关QF3和继电器KM，起到控制和保护的作用。UVW的电源输出端直接连电动机，QF3采用3VT1N40TMAF/3P。

如图8所示，四号变频器电气连接图，本发明选用西门子MM440变频器。PE接地，Din1接PLC的4号点动，Din2接参数组切换，通信采用RS485作物理接口，协议采用西门子的USS协议。采用变频器的BICO调用功能，将USS协议中的速度控制字作为PID的给定值，张力装置的反馈电流作为PID的反馈值，实际运行时考虑到扰动的存在，所以实际中可以设置反馈信号的死区。RST的380V工频三相电端接入空气开关QF4和继电器KM，起到控制和保护的作用。UVW的电源输出端直接连电动机，QF4采用3VT1N20TMAF/3P。

如图9所示，PLC与四台变频器之间通信的电气连接，RS485物理接口主要用到3和8号引脚，PLC与其他变频器为总线型连接，PLC能通过站号进行轮询，轮询的时间是ms级。站号要在程序和变频器参数号内进行设置。变频器主要连接29和30口，双绞线可以自己制作。在干扰较大的场合，采用屏蔽双绞线、接地等等措施。最后一台变频器需要连上终端电阻，终端电阻用于吸收网络上的反射信号。

如图10所示，人机界面和PLC之间的电气连接图，本发明采用信捷OP320-A-S文本显示器。该型号人机界面是与西门子S7-200系列PLC配套的文本显示器，物理接口为RS485，采用默认的PPI协议，主要是3、8号引脚完成通信任务。在人机界面上，可以输入电机转速，行程控制等等重要参数，也可以读出各个电机当前实际转速、电流和整个系统的行程数等等重要参数，人机界面还提供报警列表功能等等辅助功能。

如图11所示，本发明的变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统自动运行时，采用USS协议通信，完成自动模式下的运行任务；系统手动模式时，完成调试与上下料的点动、联动功能。系统还有其他辅助功能，确保整个系统的正常运行和安全保护。

如图12所示，在本发明的变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统的手动模式中，利用PLC的逻辑控制功能，能简单地实现各自点动、联动功能。

如图13所示，在本发明的变频调速金属齿条坯片三联轧机控制系统的自动模式中，开始是初始化程序，以USS程序是否使能为重要标志，使能时，USS协议库的程序块运行，USS协议的控制程序块和读数据程序块，可以控制整个系统正常工作，当不使能时，程序块不工作，自动模式停止。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。

Claims (1)

1.一种金属齿条坯片三联轧机系统及其控制方法，其特征包括：负反馈闭环三联轧机控制系统包括执行模块、控制模块、控制面板模块和报警模块等。

1)所述执行模块由四台电机组成，分别由各自的变频器控制，自动模式下，四台电机以秒流量相等为原则，以三号轧机为基准运行。手动模式下，符合系统调试和上下料的工艺流程，可以让各个电机单独点动，部分电机联动；

2)所述控制模块主要由PLC系统、变频器和电控设备三个部分组成。张力装置反馈的信号直接送入变频器作为PID反馈值，不再送入PLC，提高动态响应，简化PLC程序。变频器采用两套参数组，可以适合手动模式和自动模式不同工况下的运行任务。PLC连接变频器端子排完成参数组切换、内部各个工况及保护的逻辑控制功能。PLC与变频器采用通信的方式连接，有效减少接线数目，提高传输效率；

3)所述控制面板模块由各个对应的按钮开关和人机界面组成。人机界面与PLC间也采用通信连接，速度等参数可以由人机界面输入，最后送入PLC寄存器中，同时还可以通过程序将变频器的各个重要参数送入PLC寄存器，最后通过人机界面读出，让操作人员了解系统运行状况；

4)所述报警模块主要是各个指示灯、电铃等，当发生故障时，整个系统停止，防止因为某个轧机突然故障造成安全事故，并且每个轧机对应各自的指示灯，可以简单直接地看出是哪个轧机出现故障，同时人机界面也提供报警界面。