浅谈大冷床辊道的检测

摘要：辊道是钢棒传输的重要传动部件，由于长时间在系统环境下运行，辊道可能因为轴承断裂，电机堵转等原因导致非正常工作。从而产生擦伤等问题。现拟采用PLC和一些元器件及时发现这类问，具有定位准确，维护方便等特点。

1 概述

我公司一轧钢分厂的大冷床输入侧辊道原本是通过空开通断来检测电机有没有运行。把10-15个左右的空开串联起来形成一个回路后接入PLC，然后通过WINCC画面显示出来。以F箱为单位，一共有12个箱子。全部正常运行效果为12个箱子在画面上都为绿色。一旦其中一个空开跳，则这个对应的F箱跳红色。这样的效果只能显示以F箱为单位，不能判断具体是哪个电机。其次是只能看电机，不能看辊子，万一地辊和电机中间的联轴器脱开了，也无法判断。

问题：在当前这个系统下经常会碰到机械联轴器脱开了，画面上显示为绿色，操作工不知道，点检员点检时一看电机是转的，也忽视掉了，造成这个地辊成了三无地带，直到哪天擦伤了或者彻底堵转了，才去检查到。造成严重的擦伤不说，恢复起来还费劲，本来是小问题：加点油、连下轴就能恢复的，却要换地辊。造成热停費时，重新更换地辊还费力。针对现存在问题，我构思了一种结构简单、操作简便、检测效率高的辊道检测系统。主要目的有三个：

1. 首先应该对地辊进行检测，而不是电动机，这样才是最直接有效的。

2. 其次要让人一眼看出有问题的地方，到底是哪个地辊出现了问题。

3. 要及时的通知到人，不要有问题了，人家也不知道。

从这三个目的出发，开始对辊道检测系统进行构架

一、硬件方面：先从材料方面着手。

1. 定制一个180*80*50的柜子。

2. 硬件方面SIEMENS 24V，40A电源一个。

3. SIEMENS 6ES7 315-2AH14-0AB0 CPU模块1个。

4. SIEMENS 6ES7 321-1BL00-0AA0 数字量输入模块5个。

5. SIEMENS 6ES7 322-1BH01-0AA0 数字量输出模块1个。

6. SIEMENS 6AV2 124-0GC01-0AX0 HMI触摸屏1块。

7. 40A 施耐德双P空开1个。

8. 16A 施耐德单P空开5个。

9. 10A 施耐德单P空开12个

10.保险端子若干，接线端子若干，24V继电器若干。

11.8MM接近开关130个左右。挡片和支架各130个左右。

12.1*3的电缆若干米。

13.Profibus电缆1.5米。DPS插头2个。

开始着手简单的安装

1. 测量地辊与电机之间的距离，预先做好支架和挡片，放好电缆。装好接近开关和挡片。如图（1）

图（1）

图（2）现场柜子

2柜内的结构大致如图（2）

2.1 第一行为CPU、数字量输入和数字量输出模块、DC24V/40A电源。

2.2 第二行为总电源开关、分列24V电源开关、保险端子等。

2.3第三行为报警24 V继电器（用来控制现场220V带灯报警器和操作台24V声光蜂鸣器）、变频器端使能继电器信号，用来控制现场柜内的继电器，通过继电器的通断，来决定地辊何时开始检测。

3. 现场每10-15个电机放一个端子箱。里面放带指示灯的保险端子。用来连接现场的接近开关，万一向现场电缆短路，可直观看出来。

二、软件方面：

1. 用STEP7进行硬件组态

2. PLC编程：

2.1当辊道变频器运行后，我们靠接近开关来检测地辊是否运转。

2.2当有报警后我们选择继续检测，还是不检测。这里做了一个可选择。

2.3还有就是消音复位信号。

3 触摸屏画面制作和变量编写

用博图软件硬件组态

3.1. 创建项目 创建名称为PLC_HMI

3.2 添加PLC添加一个PLC到项目中

3.3 添加HMI，添加一个HMI到项目中，不根据HMI设备向导设置，点取消 ，然后确定 ，这样子就添加了一个触摸屏HMI

3.4 组态连接，点击电机控制-HMI_1-设备组态-PROFINET接口。查看修改IP地址 要保证和PLC统一局域网内。

查看HMH_1文件夹中 “连接”，查看连接情况

3.5 HMI变量的分类 PLC_1PLC变量中 “默认变量”添加变量。设置系统和时钟存储器

3.6. HMI变量的生成与属性设置

HMI_1HM1变量中 “默认变量表” 添加变量

3.7创建根画面

HMl_1-画面-画面1 并将画面1修改为根画面

点击右边工具箱开始准备创建触摸屏画面

4 制作主画面：

4.1图中每个小方框代表一个地辊。正常为黑色，如果报警则整个小窗口为红色。另外每个小方框内右上角的小圆圈用来显示地辊是否投入检测，灰色为未投入检测，绿色为投入检测。大冷床输入侧辊道大概为130个左右。

4.2右下角的报警消音为复位按钮，处理完故障后按此按钮可以消音并恢复成正常检测状态。

5.编写变量（运转检测信号、报警切除信号、报警信号、辊道运行信号，采集周期为1秒。太快会增加CPU负担。）

6.设计报警小窗口并编写好对应地址和颜色。

6.1 画面辊道运行信号为绿色，不运行为灰色。

6.2 画面运转检测信号绿色闪烁为：正常运行。不闪烁为：未检测到信号。这里我们来重点来说下重要的检测元件：接近开关。接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触就可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动直流电器或给计算机（plc）装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无触点开关），它既有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型。

接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自動控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节等。

因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移传感器对物体的“感知”方法也不同，所以常见的接近开关有以下几种：

（1）无源接近开关

这种开关不需要电源，通过磁力感应控制开关的闭合状态。当磁 或者铁质触发器靠近开关磁场时，和开关内部磁力作用控制闭合。特点：不需要电源，非接触式，免维护，环保。

（2）涡流式接近开关

这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。

原理：由电感线圈和电容及晶体管组成振荡器，并产生一个交变磁场，当有金属物体接近这一磁场时就会在金属物体内产生涡流，从而导致振荡停止，这种变化被后极放大处理后转换成晶体管开关信号输出。

特点：A、抗干扰性能好，开关频率高，大于200 Hz B、只能感应金属。

应用在各种机械设备上做位置检测、计数信号拾取等。

（3）电容式接近开关

这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。

（4）霍尔接近开关

霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。

（5）光电式接近开关

利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在信号输出，由此便可“感知”有物体接近。

看完这些类型，我们选用现场涡流式接近开关比较合适（需要靠金属片）。了解完接近开关，我们来看下接近开关里的一个很重要的参数：响应频率，就是开关的灵敏度。比如同样的速度，输送链上有10个样品，或许响应时间短的能检测出10个，响应时间长的只能检测到<10个，反之响应频率高的，检测出的结果越正确（响应频率700HZ优于响应频率500HZ）。如果相应频率再差点，将会导致检测信号没有（大圆辊道速度慢的时候可以正常检测，小圆辊道速度快的时候就就检测不到），模板上I点虽然也能闪烁，但是灯光很微弱。通过不断的实验和接近开关替换认证，才发现是接近开关的响应频率不够，导致频率跟不上，现场辊道检测老报警。发现问题后，我们选择了频率更高的接近开关来代替。

结论

这个辊道检测系统经过1个多月的调试，最终完成并投用生产了。它的原理是：操作工让辊道运行起来，PLC采集变频器运行使能，让辊道开始检测，现场接近开关检测到信号，不停的刷新程序中继电器的扫描时间，程序中设置10秒计数10次，也就是1秒一次，一旦有哪个地辊停转了，检测信号不刷新了，或者10秒累计不到10次就开始报警，报警后需要操作工人为的到现场检查并复位消音（操作室只装了蜂鸣器，没装复位按钮），通过这次创新，让辊道更具目视化，如图：一旦有报警，现场触摸屏上可直观的看出17号地辊有问题，现场喇叭会声光报警。操作室的蜂鸣器也会闪烁和蜂鸣。可以提醒并准确地找到异常地辊。通过此次创新，大大减少了地辊地辊卡死而出现的擦伤。从2019年底至今运行稳定可靠，得到了操作工的一致好评。

参考文献

[1]百度-工控客-实例 | 博途V15 西门子S7-1200与触摸屏通信详解

[2]邓重一. 接近开关原理及其应用[J]. 自动化博览， 2003， 20（5）：31-34

作者介绍：陆文清（1985.10.26），性别：男;籍贯：江苏江阴;民族：汉;学历：本科、学士;职称：工程师/高级技师;研究方向：电气自动化。