论PLC在环形加热炉电气控制系统的设计与实现

摘要：环形加热炉是钢管生产中的第一道工序，负责将管坯加热到穿孔和轧制所需要的温度。管坯加热质量的好坏直接关系到穿孔和最后轧制成形的钢管质量的好坏。机械设备的自动控制程度直接关系到生产效率的高低。本文从电气控制系统方面论述电气控制的思路和软件编制过程，简单介绍了软件的操作界面，并对软件的运行状况作了相应的评估。

关键词：PLC；电气控制系统；设计

一、PLC（可编程控制器）简介

本文的自动化控制系统使用西门子（可编程控制器）系统。可编程控制器最初被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）.简称为PLC，主要是用来代替继电器电路实现逻辑控制。随着计算机技术的发展，它的功能早已大大超出了逻辑控制的范围，可以实现复杂的运算，包括过程控制功能，原先DCS（集散控制系统）的主要功能，PLC系统都能实现。当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。在结构上，可编程控制器由机架、电源、中央处理单元、接口模块、信号模块、功能模块、通信处理器、子网络等组成。系统在编程上可以使用梯形图、语句表、功能图等语言，比较灵活。当然，系统不能使用高级语言编程，这与普通的计算机高级语言编程有一定的区别。可编程逻辑控制器具有使用方便、编程简单、性价比高、稳定性强、安装简单、维修方便等特点，因此，PLC电气自动化控制系统的应用在降低企业成本、提升生产效率、提高对设备控制的精准度方面发挥了巨大作用。

二、环形加热炉电气控制系统的硬件配置

电气控制系统选用西门子S7-400PLC，配置的模块通过PROFIBUS-DP网络与CPU相连，这样能够满足机械设备专业对电气控制系统有比较多的逻辑控制要求。另外，装、出钢机的电机为变频电机，可通过PROFIBUS-DP网络与装、出钢机变频器连接，通过DP网通讯。

图一是电气控制系统的硬件配置图，图中左侧方框内显示的是PLC主机架的配置内容，槽号1中PS407是主机架的电源模块，槽号2中是CPU模块，选用412-2DP，该CPU包含一个DP接口和一个MPI/DP接口，槽号3中是CP443-1模块，通过RJ45接口接入工业以太网（也可接入TCP/IP协议），用于与HMI操作站通讯。右侧显示的是DP网上配置的各个子站，电气控制系统共配置了两个ET200M子站和两个PP-17操作面板，PP-17操作面板安装于主操作台上用于操作员操作现场设备另外配置两个变频器子站，用于控制装、出钢机的平移电机。

图二下部显示的DP网络号为6的ET200M子站中的硬件配置情况，槽号4中的模块6ES7331-7KF02-0AB0是模拟量输入模块，用于接收液压站油箱温度变送器和主油管压力变送器传来的4～20mA信号。6ES7350-2AH00-0AB0是模拟量输出模块，输出4～20mA信号，用于调节炉底盘转动速度。6ES7350-2AH00-0AB0是高速计数模块，用于检测炉底盘的位置和装、出钢机的平移位置。DP网络号为10和11的分别是装、出钢机变频器，利用网络模块接在DP网上，通过DP网络给变频器发送启停信号和转速信号，变频器也通过DP网络给PLC发来状态信号。DP网络号1、2、3、4、9为空。

三、环形加热炉电气控制系统的软件功能实现

（1）装、出钢机的控制功能实现。装钢机处于后位（位置值为时，夹钳的中心位置正对最长的还料的中心，还料的长度范围是米。电气控制系统根据计算公式得出装钢机的定位位置，当装钢机处于自动状态时，电气控制系统控制装钢机以低速移动到该定位位置，等待装炉命令。出钢机的控制要求与装钢机类似，只是动作程序相反，装钢机的作用是从炉外往炉内装钢，而出钢机则是从炉内往炉外出钢。

（2）炉底盘转动的控制功能实现。炉底盘的转动由液压马达驱动，环形炉共设三个液压马达，在哨合液压虹的作用下与炉底盘啮合。任何时候都可以将其中一个液压马达退出哨合状态进行维修而不影响环形炉的运转。液压马达的转动速度由通过马达的压力油的流量决定，PLC通过给比例阀不同的电压值来调节压力油的流量，从而调节炉底盘的转动速度。

（3）炉门开关的功能实现。装料炉门和出料炉门的幵关动作均由液压赶驱动，位置信号由接近开关检测。单动动作时，操作员在操作台上按下炉门开按钮，PLC通过继电器让正向电磁阀得电，液压社在压力油驱动下打开炉门，炉门幵到位接近开关检测到信号时，电磁阀失电，炉门停止。同样，操作员按下炉门关按钮，PLC通过继电器让反向电磁阀得电，液压社在压力油驱动下关闭炉门，炉门关到位接近开关检测到信号时，电磁阀失电，炉门停止。

（4）液压站控制功能的实现。液压站为部分设备的动作提供压力油，是部分设备动作的动力源。然而液压站本身也需要控制，液压站的控制包括泵的启停、油箱温度和液位控制、阀控系统控制。

（5）炉内跟踪功能的实现。以上对环形炉各设备的动作实现都作了简略描述，如果是在手动情况下，各设备的动作完全由人工根据观察来控制，也就不需要对炉内钢还实时位置进行跟踪。但正常情况下，环形炉的控制完全是在自动状态下的，这就需要对炉内钢还进行实时的位置跟踪。

在电气控制系统的软件中，除了对设备动作控制的软件外，另外增加了炉内钢坯跟踪软件和出炉钢坯数据统计软件。这两部分本是属于二級计算机的内容，但是目前环形加热炉没有配置二级计算机系统，故从生产需要的角度出发将其增设在电气控制系统中。

参考文献：

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[2]刘超.电气自动化控制系统之设计思路探析[J].神州，2013，06：48.

[3]任张春.西门子STEP7编程语言与使用技巧[M].机械工业出版社，2010.

作者简介：许波，女，汉族，1987年3月生于河南省焦作市，助理讲师，现为河南工业和信息化职业学院教师。