基于PLC的气刀位置控制系统研发

韩家昌，闫 菲，张 伟

(1.天津电气科学研究院有限公司 天津300180；2.天津君晟科技发展有限公司 天津300180)

气刀是镀锌生产线中极其重要的设备，直接关系到镀锌产品的锌层厚度，目前国内生产的气刀，大多数还处于手动调节状态，这就需要增加现场气刀操作人员。在生产过程中，尤其在换产品规格时，由于操作人员的操作方式不同以及经验积累等问题，使锌层厚度处于不稳定状态，并且锌锅处的高温、噪音和锌蒸气等会严重影响操作人员的身体健康。

笔者单位开发了一套基于西门子伺服控制的气刀位置控制系统，可依据生产线上的焊缝跟踪和用户积累的经验数据来实现气刀的自动定位，如不同规格带钢、不同锌层要求，在过焊缝后可实现气刀高度、前/后气刀开口度及稳定辊的自动定位、压力的自动调节，实现无人化操作。

气刀位置控制系统由 S7 PLC和 SINAMICS S120伺服系统构成，S7 PLC负责逻辑运算和动作命令、速度及位置给出，S120伺服系统负责定位功能，在伺服驱动器参数配置中选择“Basic positioned”基本定位功能。与PLC进行DP通信，并选择Telegram 111报文；利用“Homing”功能对调节设备进行回零，初始化；利用“MDI”功能中的“速度模式”和“位置模式”相结合的方式来实现精确的位置控制，其中手柄操作和 HMI点动操作采用速度模式，HMI中的“位置自动控制”采用位置模式。

1 气刀控制锌层厚度的原理

带钢出锌锅时表面粘附着大量锌液，经过气刀后，由于刀唇强压力吹扫将大部分锌液从带钢表面刮下来，只残留少量锌液，冷却后形成带钢表面镀层。所以带钢表面锌液残留量的量化控制只有通过调整气刀控制参数来实现。

气刀影响带钢表面锌层厚度的主要因素有气刀刀唇缝隙及角度、气刀距液面的距离、气刀压力等等，本系统可以根据规格要求自动调整这些参数。

2 控制系统构成

2.1 WinCC操作界面

SIMATIC WinCC(Windows Control Center)视窗控制中心，是西门子控制系统中的人机界面组件，具有良好的开放性和灵活性，是应用非常广泛的过程监视系统。通过 WinCC操作界面可以实现气刀过程控制的大部分功能，如监控气刀系统的工作状况、参数设置以及报警响应等。

2.2 自动化系统

自动化系统由西门子 S7 414-2DP PLC、3个ET200S远程站和现场传感器元件构成，负责接收二级下发数据，经过模型计算后，再发送给下级伺服控制系统；同时负责采集现场元件数据，控制相关元件如气刀压力比例阀等。元件清单如表1所示。

表1 自动化系统元件清单Tab.1 List of automation system components

2.3 伺服控制系统

SINAMICS S120是西门子公司推出的、全新的集 V/F、矢量控制及伺服控制于一体的模块化设计驱动控制系统，可以提供高性能的单轴和双轴驱动。该系统由 2组整流单元、4组 CU320-2DP和 10套S120驱动单元构成，负责接收自动系统发来的位置数据和动作指令，实现高响应、高精度定位。元件清单见表2。

表2 伺服控制系统元件清单Tab.2 List of servo control system components

2.4 控制系统构架说明

控制系统架构如图1所示。WINCC操作界面工控机与生产线共用；主电室有一个PLC控制柜，现场有 2个控制柜分别位于气刀操作、传动两侧；每个控制柜分别有一远程IO负责现场信号采集和元件控制。

3 控制过程及实现的功能

3.1 操作手柄控制过程

有急停、急停复位；前/后气刀快开、快闭，及状态指示；前/后气刀同步进退；前后气刀倾斜；稳定辊单侧、两侧同步进退操作；挡板快开；刀唇刮刀动作。

3.2 界面HMI操作控制过程

气刀HMI由1个主画面和4个辅画面构成。

3.2.1 主画面

主画面用于气刀操作、状态显示等，功能如下：气刀各设备当前位置的棒图显示；辅助画面选择；二级及挡板操作；气刀单动、同步操作；激光器位置，显示带钢进入激光器检测范围内的宽度；气刀各设备运动方向及位置显示；气刀压力显示；状态报警。

3.2.2 辅助画面

①位置初始化界面功能：在放置气刀刀体前要对气刀各底座、稳定辊底座进行位置初始化，即先自动后退寻零位置，找到零位置后对当前位置清零，再前进到初始工作位置(该位置可以根据需要设定)。

②位置自动控制界面功能：位置自动控制即气刀自动移动到设定位置，当选择要移动的设备后，指定每个设备的目标位置，单击“启动”，则设备自动定位；当一组设备进行同步移动时，需要输入每个设备相对当前位置的偏移量，在设备启动后，“目标位置”中自动显示换算后的目标位置，各设备同步定位。

图1 气刀控制系统架构Fig.1 Air knife control system architecture

③过焊缝模式界面功能：可以选择过焊缝时前、后气刀打开模式(自动打开或手动打开)，并可以设定前、后气刀的打开距离；当处于快开状态时，快开指示灯闪烁。

④设置/报警界面功能：可以设置上、下稳定辊辊径用于计算下稳定辊与上稳定辊之间的交叉量；通过设置挡板左、右激光器位置来确定带钢边缘在激光器中的位置，激光器的检测范围为 30mm，当输入值为5时，伺服系统始终确保带钢在激光器检测范围内的宽度为 5mm。“合闸”功能可以为传动装置使能，“全部使能”可以将所有伺服装置使能或去使能。当 PLC出现故障或操作手柄按急停，PLC中位置控制程序被封锁，需要按故障复位恢复，同时也能对装置报警进行复位，显示各 DP从站的当前工作状态；供电合闸显示当前供电状态。

3.2.3 二级系统、挡板设备控制

二级过程控制系统(L2)由本单位自主开发，是制造执行系统(L3)与基础自动化系统(L1)之间的桥梁，其主要功能是对生产计划进行有效整合和集成，以便高效地组织和实施自动化生产过程。L2系统根据来料主要原始数据而形成生产计划，对生产工艺过程进行模型计算下发或查表下发。这些生产计划通常由三级管理系统集合销售情况和工艺过程顺序进行优化来安排和组织。L2系统可以通过以太网接受上级下发的PDI，同时可将产出回抛上级。

挡板设备在气刀系统中起着重要的作用，其投入后可以保证带钢边缘气压，防止出现镀层厚边现象。

①数据上传功能：可以把气刀各设备当前值发送给二级，作为同种规格的基础值，发送数据包括：操作侧升降底座位置；传动侧升降底座位置；前气刀操作侧位置；前气刀传动侧位置；后气刀操作侧位置；后气刀传动侧位置；稳定辊操作侧位置；稳定辊传动侧位置；挡板操作侧激光器位置；挡板传动侧激光器位置；后气刀比例阀开口度；前气刀比例阀开口度等。

②二级投入功能：这是一个切换按钮，用于二级的投入与切除。当二级投入时在焊缝距离气刀 80 m时自动弹出下面窗口(表3)。

表3 生产线二级系统给气刀控制系统下发的数据Tab.3 Data sent by air feed knife control system of secondary system of production line

“目标位置”值是二级下发数据，操作工可以进行适当调整，点击“确定”后焊缝距离气刀5m后二级数据自动下发到 PLC，并关闭窗口；当焊缝距离气刀 0.5m 时，气刀系统自动调整到目标值。点击“取消”，二级数据不下发，并关闭窗口。

③挡板投入功能：这是一个切换按钮，用于挡板的投入与切除。当选择“挡板投入”时，操作侧、传动侧挡板向中间移动自动寻找带钢边缘，当带钢进入激光器检范围指定宽度(“设置/报警”画面中“设置”项内左、右激光器位置设定数值)时，自动跟随带钢边缘；当选择“挡板切除”时，操作侧、传动侧挡板自动退回到“初始工作位置”。

4 结 论

气刀位置控制系统在实际应用中，响应快、定位精度高、故障率低，真正实现了气刀无人化操作，使镀锌板表面锌层厚度均匀得到了保证，并且由于挡板的高灵敏度也消除了镀锌板的厚边问题。