设备管理_板坯喷印机plc控制系统研究

上海交通大学 硕士学位论文 板坯喷印机PLC控制系统 姓名：王泽宇 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：顾战松 20090201 上海交通大学硕士学位论文 I 板坯喷印机 PLC 控制系统 摘 要 钢铁工业是关系到国计民生的支柱性产业。自动喷印设备是板坯连 铸生产系统中的主要设备，用于在板坯表面清楚的标记生产过程及质量 管理等方面所需要的标记或代号，以便对连铸产品进行科学的管理(产品 入库管理、 品种管理与质量管理)， 并有利于连铸的生产组织及用户识别。 此标识的清晰与否，准确与否十分重要。 PLC 即可编程控制器，自从诞生以来，便以其体积小、功能强、速 度快和维护方便的优点，被工程技术人员所青睐。尤其是它的高可靠性 和较强恶劣环境的适应能力，使其在钢铁、化工、石油、电力等行业得 到了广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱之一。 本文介绍了基于三菱公司 Q 系列 PLC 和 GT1595 触摸屏、CC-Link 现场总线、 工业以太网的喷印机控制系统的设计与实现。 应用 Q 系列 PLC 开发控制程序，实现对喷印机的工艺控制。设计的人机界面简洁实用， 其故障查询功能极大的方便了工作人员对故障的查询与排除。采用 CC-Link 连接 PLC 与传感器、伺服放大器、现场操作盘等，降低成本， 节省布线。应用工业以太网实现 PLC 与上位机的通信，开发了上位机监 上海交通大学硕士学位论文 II 控软件。通过互联网访问 PLC 的实现，使用户能够远程了解工业现场的 情况，为用户提供了方便。 基于 PLC 的喷印机控制系统运行稳定可靠，喷印机定位准确，喷印 字符清晰耐久，满足了控制要求，提高了生产效率。 关键词：喷印机控制系统，PLC，HMI，CC-Link，工业以太网，互联网 上海交通大学硕士学位论文 III SLAB SPRAY MARKING MACHINE CONTROL SYSTEM BASE ON PLC Abstract Steel industry is a pillar industry of national economy and peoples life. Auto spray marking machine is a main equipment of slab casting system. It is used to mark the identification code for production process and quality management on the surface of slab, in order to do the scientific product management, such as product warehousing management, species management and quality management, and is beneficial to production organization and user identification. The identifiers must be clear and correct. PLC is Programmable Logical Controller. It is favored by engineers because it has many advantages such as small size, powerful function, fast scan speed and easy maintenance. Especially its high reliability and strong ability to adapt to harsh environment make it widely used in steel industry, chemical industry, oil industry and power industry. Now PLC has ranked one of the three major equipments for modern industry control. This paper presents the design and implement of slab spray marking machine control system, using Q Series PLC, GT1595 HMI, CC-Link fieldbus and industry Ethernet. The Q Series PLC are used to control the system; The human machine interface in this system is concise and practical, its fault query function help staff to query the fault and do troubleshooting easily; To reduce cost and save wiring, CC-Link fieldbus is used to connect the PLC and sensors, servo-amplifiers, field operating panel and so on; The industry Ethernet is used to realize the communication between PLC and PC, developed the monitor software in PC; In order to help worker get the 上海交通大学硕士学位论文 IV situation in industrial field, the method of how to access the PLC via internet is presented. The automatic control system is put into operation, it is shown that the system response is stable, the spray marking machine is positioned accurate, the identifiers are clear and durable. It meets the control requirements and improves production efficiency. KEY WORDS: Control System of Slab Spray Marking Machine, PLC, HMI, CC-Link, Industry Ethernet, Internet 上海交通大学硕士学位论文 I 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 王泽宇 日期： 2009 年 2 月 12 日 上海交通大学硕士学位论文 II 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：王泽宇 指导教师签名：顾战松 日期：2009 年 2 月 12 日 日期：2009 年 2 月 12 日 上海交通大学硕士学位论文 第 1 页 1 绪论 1.1 课题背景 1.1.1 我国钢铁工业概况1 钢材是经济发展的基础，钢铁工业是关系到国计民生的支柱性产业。自新中国 成立以来，经过几十年的发展，中国的钢铁工业已经形成具有相当规模，布局比较 合理，大、中、小型企业相结合，行业比较完整的工业体系。尤其是改革开放以来， 受到中国高速的经济增长的推动，中国的钢铁行业的发展尤为迅速，以满足中国国 内对钢材日益增长的需求。 改革开放以来，各行各业的蓬勃发展带动了钢铁工业的发展。1996 年，我国的 粗钢产量为 10100 万吨，上升到世界第一位，并且此后连续 11 年稳居首位。2007 年 国内粗钢产量 48924 万吨，占世界粗钢产量的 36%，约为 1996 年产量的两番。另据 统计， 2006 年我国国民生产总值增长率为 10.7%， 同年我国钢材需求增长率为 9.8%； 2007 年我国国民生产总值增长率为 11.4%， 同年我国钢材需求增长率为 11.5%。 数据 显示，国民经济增长和钢铁需求之间有着非常紧密的关系。可见，钢铁行业的发展 对国民经济起着巨大的推动作用。 宝山钢铁集团，是专业开发、生产、销售钢材的大型国有企业。在汽车用钢， 造船用钢，油、气开采和输送用钢，家电用钢，电工器材用钢，锅炉和压力容器用 钢，食品、饮料等包装用钢，金属制品用钢，不锈钢，特种材料用钢以及高等级建 筑用钢等领域，宝山钢铁集团已经成为主要钢材供应商。宝钢集团年产钢能力 2000 万吨左右，盈利水平居世界领先地位。 上海交通大学硕士学位论文 第 2 页 宝钢集团年产钢数量大，产品覆盖领域广，还出口日本、韩国、欧美四十多个 国家和地区。所以宝钢集团的产品质量，生产效率及管理效率不仅在我国现代化建 设中起着至关重要的作用，还对世界经济发展有着一定影响。 1.1.2 课题的研究内容及其意义 在板坯连铸生产系统中，自动喷印设备主要是用于在板坯表面清楚的标记生产 过程及质量管理等方面所需要的标记或代号，以便对连铸产品进行科学的管理(产品 入库管理、品种结构管理与质量管理)，并有利于连铸的生产组织及用户识别。此标 识的清晰与否，准确与否十分重要。自动喷印系统是实现自动编号管理(计算机管理) 和直接热送必不可少的辅助设备。 本文基于宝钢提供的自动喷印设备，应用三菱 Q 系列 PLC 及 GT1595 触摸屏， 设计实现了板坯喷印机 PLC 控制系统。开发的人机界面简洁友好，便于工作人员操 作。采用 CC-Link 现场总线实现现场操作盘与 PLC 的连接，开发 CC-Link 的应用程 序。通过以太网模块 QJ71E71-100 实现 PLC 与上位机的通信，开发上位机的信息管 理系统软件。并且实现了通过互联网访问 PLC，使用户可以在办公室中了解工业现 场情况。 此喷印机自动控制系统，达到了宝钢倡导的精益运行的要求，提高了宝钢生产 线的劳动生产率及信息管理的效率。 1.2 PLC 简介2-9 PLC 即可编程控制器，是针对工业自动化控制领域开发设计的、适用于工业现 场工作的、以现代微处理器技术为核心的控制器。它使用可编程序的存储器存放指 令，并按照指令执行，完成相应的逻辑运算、开/关控制、定时、计数、顺序控制、 算数运算和数据处理等功能，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或 生产过程。PLC 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技 上海交通大学硕士学位论文 第 3 页 术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。自从诞生以来，便以其体积小、功能 强、速度快和维护方便的优点，被工程技术人员所青睐，尤其是它的高可靠性和较 强恶劣环境的适应能力，使其在钢铁、化工、石油、电力等行业得到了广泛的应用， 成为现代工业控制的三大支柱之一。 1.2.1 PLC 的功能特点1011 1 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是 PLC 最主要的特点，其平均无故障时间可达几万小时以上。工业现 场环境恶劣并且充斥着各种电磁干扰，控制器必须保证高可靠性才能保证安全稳定 的生产。PLC 的输入/输出接口电路全部采用光电隔离；各输入端采用 R-C 滤波，高 速输入端采用数字滤波；各模块均经过严格的电磁辐射检测，防辐射性能良好；对 于大型控制系统，可以采用双 CPU 冗余系统，这一系列措施，提高了 PLC 的可靠性 和抗干扰能力。 2 编程简单易学 PLC 采用的第一编程语言为梯形图，此种图形编程语言与多年来工业现场使用 的电气控制图非常相似，对于电气技术人员和技术工人，这种语言比高级编程语言 更易于接受。近年来开发的 PLC 已经可以支持高级语言编程，进一步增强了 PLC 的 功能。 3 系统设计、安装容易，与外部设备连接方便 PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、记 数器等器件，从而使控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC 采用统一接线 方式的可拆装的活动的端子排，厂商提供不通的端子能适合于多种电气规格，方便 于外部设备的连接。用户应用厂商开发的编程软件的仿真功能，可以在实验室进行 初步调试，然后在将控制系统应用到工业现场中进行调试，这样缩短了系统的调试 周期。 上海交通大学硕士学位论文 第 4 页 4 模块化结构，扩展能力强 除某些小型 PLC 外，多数 PLC 都采用模块化结构，具有功能完备齐全的模块产 品。常见的模块有电源模块、CPU 模块、直流 I/O 模块、交流 I/O 模块、温度模块、 数字量混合模块、模拟量混合模块、网络模块、接口模块、定位模块、PID 模块、空 模块、高速计数模块等。如此多样化的模块为用户提供了丰富的选择方案，用户可 以根据现场需要进行不同功能的扩展的组装。 5 维修方便，功能更改灵活 在用户维修方面，由于 PLC 本身的故障率极低，维修的工作量很小，而且各种 模块上均有运行状态和故障状态指示灯，便于用户了解运行情况和查找故障。由于 许多 PLC 采用模块式结构， 因此一旦某模块发生故障， 用户可通过更换模块的办法， 使系统迅速恢复运行。而程序的修改即意味着控制功能的修改，所以功能的改变非 常灵活。 1.2.2 PLC 的发展趋势12-14 PLC 发展至今，已有 30 余年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技术 的发展，工业控制领域已有翻天复地的变化，PLC 亦在不断的发展变化之中，PLC 正朝着新的技术发展。PLC 控制系统的主要发展趋势表现在如下几个方面： 1 微型、小型 PLC 功能明显增强 很多有名的 PLC 厂相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的 PLC。三菱的 FXOS14（8 个 24VDC 输入，6 个继电器输出） ，其尺寸仅为 58mm89mm，仅大于 信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使 PLC 的应用领域扩大到原理工业控制的其 他行业。 2 集成化发展趋势增强 由于控制内容的复杂化和高难度化，使 PLC 化向集成方向发展，PLC 与 PC 集 成、PLC 与 DCS 集成、PLC 与 PID 集成等，并强化的通讯能力和网络化等。尤其是 上海交通大学硕士学位论文 第 5 页 以 PC 为基础的控制产品增长率最快。PLC 与 PC 集成，即将计算机、PLC 及操作人 员的人机接口结合在一起， 使 PLC 能利用 PC 丰富的软件资源， 而计算机能和 PLC 模块交互存取数据。以 PC 机为基础的控制容易编程，开放的体系结构提供灵活性， 最终降低成本和提高生产率。 3 网络化发展方向 多层次分布控制系统（DCS）与集中控制系统相比，具有更高的安全性和可靠 性，系统设计、组态也更为灵活方便，地域分布广，是当前控制系统发展的主要潮 流。为了适应这种发展，实现工厂自动化，世界上各 PLC 生产厂家不断地研制开发 功能更强的 PLC 网络系统。这种网络一般是多级的，最低层是现场执行级，通常由 多台 PLC 或远程 I/O 工作站组成，他们通常通过工业现场总线相连；中间级是协调 级，由 PLC 或计算机构成；最高级一般由高性能的计算机构成。这样，只要通过最 高一级的计算机就可以实现工业现场的远程监控、对现场设备进行参数调整；除此 以外，还可以实现在线优化、生产过程的调度、产品计划、统计的功能，成为测、 控、管一体化的多功能系统，大大增强 PLC 控制系统的功能。 1.3 工业触摸屏简介 1.3.1 工业触摸屏概述15 随着工业自动化的发展， 基于 PLC、 单片机和 PC 的自动化系统与自动化设备越 来越普及，几乎遍布所有自动化领域，与之相应的人机交互系统也应运而生。液 晶显示工业触摸屏作为人机交互系统中的一员，由于其高可靠、长寿命、高性能 等优点，越来越受到自动化系统集成商、自动化设备制造商的青睐。 传统的工业控制系统的输入控制采用按钮、开关等操作元件；系统监视采用指 示灯、仪表灯等显示元件。但很难实现系统工艺参数的现场设置和修改，也不方便 对整个系统的集中监控，而且系统的接线复杂繁琐。最初的触摸屏的主要功能就是 上海交通大学硕士学位论文 第 6 页 取代传统的控制面板和显示仪表，在其显示屏上模拟开关、按钮、指示灯等功能， 通过与控制单元（如 PLC）通信，实现人与控制系统的信息交换，更方便的实现对 整个系统的操作和监视。经过后期的发展，触摸屏已经不仅是按钮和指示灯的替代 品，更集成了操作控制、状态监控、数据存储、报表打印、网络通信、视频监控等 众多高端功能。 触摸屏人机界面由触控面板、液晶显示面板、主控机板三部分组成。触控面板 用来识别操作者触控的位置;液晶显示面板用来显示图片、用户设计的图形和文字符 号等信息;主控机板上有 CPU、ROM、RAM、控制电路以及与电脑或 PLC 传送数据 的通讯口。 1.3.2 工业触摸屏的种类1617 按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，把触摸屏分为四种：电阻式、电容 式、红外线式及表面声波式，下面对各种类型的触摸屏进行简要介绍。 1 电阻式触摸屏 这是目前市场运用最广泛的一种类型。电阻式触摸屏的内外表面均涂有一层导 电层（ITO 膜），当手指接触屏幕时,两层 ITO 发生接触，电阻发生变化，控制器根 据检测到的电阻变化来计算接触点的坐标，再依照这个坐标来进行相应的操作。电 阻式触摸屏是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽，它可以用任何物 体来触摸，可以用来写字画画，比较适合工业控制领域及办公室内有限人的使用。 电阻触摸屏共同的缺点是因为复合薄膜的外层采用塑胶材料，不知道的人太用力或 使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。 2 电容式触摸屏 电容式触摸屏利用人体的电流感应进行工作，其技术还不成熟，缺点较多。电 容屏反光严重，而且，电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存 在色彩失真的问题，由于光线在各层间的反射，还会造成图像字符的模糊。电容触 上海交通大学硕士学位论文 第 7 页 摸屏在有导体靠近，会引起电容屏的误动作。电容触摸屏的另一个缺点是用戴手套 的手或手持不导电的物体触摸时没有反应。电容屏更主要的缺点是漂移：当环境温 度、湿度改变，环境电场发生改变时，会引起电容触摸屏的漂移，造成不准确。 3. 红外线式触摸屏 红外触摸屏的四边排布了红外发射管和红外接收管，它们一一对应形成横竖交 叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指会挡住经过该位置的横竖两条红外线， 控制器通过计算即可判断出触摸点的位置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线 而实现触摸屏操作。 红外触摸屏不受电流、 电压和静电干扰， 适宜恶劣的环境条件, 此 外，由于没有电容充放电过程，响应速度比电容式快，但分辨率较低。红外线技术 是触摸屏产品最终的发展趋势。红外线触摸屏只要真正实现了高稳定性能和高分辨 率，必将替代其他技术产品而成为触摸屏市场的主流。 4. 表面声波触摸屏 该类型触摸屏除能响应的 x、y 坐标外，还响应第三轴 z 轴坐标，也就是能感知 用户触摸压力的大小值，其原理是由接收信号衰减处的衰减量计算得到。表面声波 触摸屏清晰度较高；抗刮伤性良好(相对于电阻、电容等有表面度膜)，反应灵敏；不 受温度、湿度等环境因素影响，分辨率高，寿命长(维护良好情况下达 5000 万次)； 透光率高( 92%，能保持清晰透亮的图像质量；没有漂移，只需安装时一次校正；有 第三轴(即压力轴)响应。表面声波屏需要经常维护，用户需严格注意环境卫生，以免 影响触摸屏的正常使用。 1.4 本文章节安排 本文主要介绍了基于 PLC、工业触摸屏、CC-Link 现场总线和工业以太网的板 坯喷印机控制系统的设计和实现。第 1 章介绍了应用背景，PLC 的功能特点和发展 趋势及工业触摸屏；第 2 章详细介绍了板坯喷印机系统的结构和工艺流程，板坯喷 上海交通大学硕士学位论文 第 8 页 印机控制系统的配置及控制程序的开发；第 3 章介绍了控制系统的软件程序；第 4 章介绍了三菱人机界面的基本知识和基于 GT1595 的人机界面的设计与实现；第 5 章介绍了基于工业以太网的计算机监控系统的设计；第 6 章介绍了通过互联网访问 PLC 的方法；第 7 章总结。 上海交通大学硕士学位论文 第 9 页 2 板坯喷印机控制系统的构成 2.1 板坯喷印机系统18 喷印机是板坯连铸生产系统中的重要设备。自动喷印设备主要是用于在板坯表 面清楚的标记生产过程及质量管理等方面所需要的标记或代号，以便对连铸产品进 行科学的管理(产品入库管理、品种结构管理与质量管理)，并有利于连铸的生产组织 及用户识别。 自动喷印系统是实现自动编号管理(计算机管理)和直接热送必不可少的 辅助设备。 2.1.1 喷印机系统硬件构成 1 钢结构 钢结构由大块的盒状梁和支架组成。盒状梁由带有筋的“H”型架组成，在盒状梁 地底部有一个热保护装置，以免使之受到热辐射，沿着导轨，还包括橡胶缓冲器、 拖链、齿轮和齿条。其结构图如下图所示。 图 2-1 喷印系统钢结构18 Fig.2-1 Steel Structure of Spray Marking System 2 驱动框架 上海交通大学硕士学位论文 第 10 页 驱动框架的作用是为了安置每一个设备，如下图所示。横向驱动是由一个带有 齿轮齿条的伺服马达驱动的，导轨、紧急开关（非常限位） 、橡胶缓冲器、拖链都被 安装在驱动框架上。纵向驱动由变频调速器驱动马达来执行。 图 2-2 驱动框架18 Fig.2-2 Drive Framework 3 喷印系统 喷印系统由喷印头、除鳞装置、喷印头定位组件、两个非常限位、电缆箱、焊 接变压器的冷却风扇、终端箱、压缩空气装置等组成，还有一些必要的滑行位置开 关。喷印头定位组件用于在竖直平面上的 X/Y 两个轴向移动喷印头，它有两个线性 的舱，此舱由伺服马达，托架和固定材料驱动。 图 2-3 喷印单元18 Fig.2-3 Spray Marking Unit 上海交通大学硕士学位论文 第 11 页 4 喷印头 宝钢的喷印机系统的喷印头具有下列特征：1、设计简单、牢固；2、输入轴容 易更换；3、维护方便，更换喷嘴只需一字螺丝刀即可，对喷嘴进行调整也只需要一 个专用工具就能完成；4、用交流马达驱动输入卷轴进行调整。其构造如下图所示。 8 9 1 7 6 2, 3 4 5 图 2-4 喷印头18 Fig.2-4 Head of Marker 其中的部件名称及功能如下表所示。 表 2-1 喷印头的部件名称及功能 序号 部件名称 功能 1 固定螺丝 用于准确、快速安装，喷嘴调节精确。 2 压力盘 压力平衡（用于两条悬挂着的金属丝） 。 3 压力杆 固定压力盘，返回压力由一个可调节弹簧控制，旋转 180 度 后，压力盘可以被拿出。 4 交流马达 用于输入卷轴等边六角形轴齿轮下面的传动。 5 输入卷轴 （压力 盘后面） 上海交通大学硕士学位论文 第 12 页 6 金属丝喷嘴 通过喂丝喷嘴，金属丝被输送。 7 空气喷嘴 位于两个金属丝喷嘴间，高速空气由此喷出。 8 电流供给 9 喷吹空气供给 喷印金属丝通过输入卷轴送至喷嘴系统中的短路点，电弧不断地熔化金属丝， 来自喷嘴系统的喷吹空气带着溶化的、雾化的液滴，喷吹至板坯端面，形成清晰的 字符。 5 除鳞系统 除鳞系统由基础托架、线性导轨控制移动框架、带有碰接圆盘的除鳞头、带有 传动带驱动的除鳞连杆、一个 AC 鼠笼马达、驱动除鳞头前进/后退的气动缸组成。 除鳞系统中最重要的部分是除鳞头， 上面有 6 个轴， 轴上有碰接圆盘， 轴的直径 7mm， 小于碰接圆盘的孔，碰接圆盘可以通过离心力加速向前并且在到达板坯表面时起到 榔头和刷子的作用，达到除鳞的效果。除鳞头如下图所示。 图 2-5 除鳞头18 Fig.2-5 Descaler 6. 整流变压器 整流器带有自动通风装置：环境温度不得高于 45。此设计考虑到了整流器连 续工作产生的热量。使用时，严禁有东西遮住或覆盖，否则自动冷却功能将不再起 作用，可能导致设备损坏或减少使用寿命。 上海交通大学硕士学位论文 第 13 页 图 2-6 整流变压器18 Fig.2-6 Rectifier Transformer 7 金属丝盒 金属丝盒用于保护两个金属丝线轴免遭污染，两个线轴通过固定装置固定，固 定装置有一个集成的制动器使金属丝平整或不弯曲。为了防止两条金属丝短路，在 两卷金属丝之间放置了塑料绝缘板。金属丝是受监控的，它的末端在操作盘上用信 号做了标记。从线盒到喷枪，金属丝是通过软管引导的，软管的入口端有一个金属 丝净化器。在金属丝喂入绝缘软管前，金属丝经过两个毛毡的密封口以去除灰尘使 金属丝净化。 2.1.2 喷印机系统的控制设备 1 主控柜（电源柜） 为 PLC 及喷印机本体设备供电。 2 现场操作盘 现场操作盘提供喷印机工作在维护模式下的修理、维护、调节等功能。现场操 作盘的布置如下图所示。 上海交通大学硕士学位论文 第 14 页 图 2-7 现场操作盘18 Fig.2-7 Field Operating Panel 现场操作盘的按键及其功能如表 2-2 所示。 表 2-2 现场操作盘按钮的功能 序号 功能 描述 4 喷印头上升 按此钮使喷印头上升 5 喷印头下降 按此钮使喷印头下降 6 喷印头向左 按此钮使喷印头向左 7 喷印头向右 按此钮使喷印头向右 8 除鳞装置向前 按此钮使除鳞装置向前 9 除鳞装置向后 按此钮使除鳞装置向后 10 喷印装置向左 按此钮使喷印装置向左 11 喷印装置向右 按此钮使喷印装置向右 上海交通大学硕士学位论文 第 15 页 12 纵向前进 按此钮使喷印装置纵向前进 13 纵向后退 按此钮使喷印装置纵向后退 14 除鳞装置旋转 按此钮使除鳞装置开始转动 19 备用 备用按钮 注意，只有当锁盘上的钥匙开关在“维护”位置时，这些按钮才能启动。只有各 自按钮按下，按钮功能才能被激活。这些按钮的功能仅仅用于维护和调整。最后， 控制电压必须接通来驱动机器。 表格中向左和向右意味着当你站在机器的后面看到的方向。 现场操作盘的指示灯如表 2-3 所示。 表 2-3 现场操作盘指示灯 序号 功能 描述 2 维护功能 当钥匙开关选择在“维护”方式时，灯亮。 3 自动方式 当选择“自动”或“半自动”方式时，灯亮。 16 准备就绪 当喷印头的驱动电动机和 X/Y 轴就绪时，灯亮。 17 故障 当喷印机发生故障时，灯亮。 现场操作盘机侧锁盘上的附加功能如表 2-4 所示。 2-4 现场操作盘机侧锁盘的附加功能 序号 功能 描述 红色 紧急制动 紧急情况下按此按钮使机器停止运行 1=维护模式 1 2=自动方式 钥匙开关选择此两种方式 15 移动到待机位置 前提：操作盘上的钥匙开关必须在“维护”位置。 （半自动或自动方式并未被选择） 按这个按钮来启动 X/Y 轴移动到位。 （喷印头要进入 X/Y 轴线性移动的基准点） 18 灯试验 按这个按钮来确认此盘上的所有的指示灯的好坏。 20 故障复位 按这个按钮来确认喷印机的故障。 上海交通大学硕士学位论文 第 16 页 注意，按下红色紧急制动按钮，伺服放大器和频率变换器停止控制电压，强制 机器停止任何动作。 3 操作箱 操作箱仅提供金属丝喂入和喷印头开的工作。现场操作盘的钥匙开关在“维护” 位置时，下列按钮才能使用。控制电压必须接通来驱动机器。所描述的功能，只有 在各自的按钮按下才起作用。 操作箱的布置如图 2-8 所示。 图 2-8 操作箱的布置18 Fig.2-8 Operating Box 操作箱的按键功能如表 2-5 所示。 表 2-5 操作箱按键的功能 名称 功能 描述 WIRE FORWARD 喂入金属丝 按此钮，开始喂入金属丝 AIR SPRAYING ON 空气喷头开 按此钮，检查和调试空气喷头 现场操作盘的钥匙开关在“维护”位置时，下列按钮才能使用。此功能只是为了 维护和调整工作，控制电压必须是开着的。所描述的功能，只有在各自的按钮按下 才起作用。 另外两个控制设备PLC 和人机界面，分别在 2.2 节和第 4 章中介绍。 2.1.3 该系统中的主要数据参数 1 工厂数据 上海交通大学硕士学位论文 第 17 页 表 2-6 工厂数据 喷印产品 板坯 流数 2 板坯温度 01000 板坯厚度 220250 或 300mm 板坯宽度 12002300mm 板坯长度 680011800mm 喷印位置 前端面 2 喷印机数据 表 2-7 喷印机数据 HS-80/1/B HS=热态喷印机 80=字符高度：80mm；必要的话增至 100mm 1=线数 机器型号 B=桥式 字符类型 09，AZ 字符个数 1 行 11 个字符 用于达到 700板坯的铝丝 金属丝 用于达到 900板坯的 ALBz 丝 喷印周期 最大 56 秒 3 压缩空气的数据 表 2-8 压缩空气的数据 压缩空气 钢厂阀中过虑的、干燥的空气 压力 最小 5bar 消耗量 最大 0,2 Nm3/min (流量) 上海交通大学硕士学位论文 第 18 页 4 电气数据 表 2-9 电气数据 主电源 3380V 10%，50Hz 1% 总功率 app.13kVA 控制电压 24VDC 螺线管阀门电压 24VDC 维修和 PLC 电压 230V，50Hz 2.1.4 喷印机的基本工作原理 喷印机热喷印的基本原理是电弧作用。为了得到永久的喷印效果，在喷印前需 要对板坯切断面进行除鳞。当板坯前端面被除鳞后，将两根金属丝分别从喷印头的 两个喂丝喷嘴送入喷枪，位于两个金属丝喷嘴间的空气喷嘴形成电焊流，在电弧的 高温作用下金属丝不断融化（金属丝是通过一个交流电驱动马达控制输入，铸坯断 面粗糙、不光滑并不影响喷印效果） 。同时，空气喷嘴向前喷吹压缩空气（见图 2-4 箭头 7 所示位置） ，使熔化的金属液滴在聚焦的高速气流的作用下呈雾状高速飞离出 去，遇到温度较低的板坯便凝固而附着在板坯的前端面上。在金属丝融化的同时， 喷印头定位组件根据 PLC 传送的喷印字符的 ASCII 码信息，控制喷印头在竖直平面 内在 X/Y 两个轴向上做运动，这样就可以在板坯上喷出线条，从而达到喷印字符的 目的。 2.1.5 工艺流程介绍 热态喷印的目的是在板坯前端面清楚的标记生产过程及质量管理等方面所需要 的标记或代号，本系统热态喷印的工艺流程如下所述。 喷印系统的运动分三种：喷印机的运动、除鳞器的运动和喷印头的运动。喷印 机的运动分横向移动和纵向移动，横向移动为沿板坯方向的运动，纵向移动为垂直 上海交通大学硕士学位论文 第 19 页 于板坯方向的运动。横向移动由伺服放大器驱动，纵向移动由变频调速器驱动，可 以控制喷印机的纵向移动速度。除鳞器由气缸驱动，可以在垂直于板坯的方向上运 动，其中的除鳞头由交流马达控制旋转。喷印头由喷印头定位组件控制的 X/Y 轴伺 服放大器驱动，可以在竖直平面内做二维运动。 运行开始前要检查喷印机是否在待机位置（应该满足的条件见 2.2.3 节） ，若不 在，将喷印机移动到待机位置。切割好的钢坯分左右两流沿辊道传送，通过激光检 测器定位在喷印位置，辊道锁死。切割机 PLC 向喷印机 PLC 发送“允许喷印”信号。 喷印机 PLC 接收来自上位机的喷印数据 （自动工作模式） 或来自 HMI 的喷印数据 （半 自动工作模式） ， 11 个喷印字符接收完成后， 喷印机 PLC 向切割机 PLC 发送“喷印准 备完成”信号。当喷印机 PLC 接收到来自切割机 PLC（自动模式）或来自 HMI（半 自动模式）的喷印开始信号时，喷印机开始横向移动。移动到除鳞位置，喷印机停 止，除鳞器前进。当除鳞器的前限位开关变为 ON 时，喷印机开始纵向快速前进。 当除鳞器接触到板坯时，其前限位开关从 ON 变为 OFF，喷印机变为纵向慢速前进。 除鳞器上有两个距离检测开关，用于检测喷印头与板坯的距离，当两开关均为 ON 时，表示喷印头与板坯的距离适合喷印（距离远，易造成喷印字符模糊；距离近， 易撞坏喷印头） ，此时，喷印机停止纵向前进，除磷器后退。当除鳞器后限位开关 ON 时，除鳞器停止后退，开始前进并且除鳞头开始旋转。0.5 秒后，开始横向移动 和喷印距离校准（校准方法见下一段） 。横向移动伴以除磷头的旋转，能够达到除鳞 效果。喷印距离校准是保证喷印头与板坯在正确的距离内。除鳞结束后，除鳞器后 退，喷印头位置组件对喷印头进行 X/Y 轴的定位。定位结束，开始喷印第 1 个字符， 喷印结束后检查最后字符喷印是否结束，若没有结束，喷印头位置组件再次对喷印 头进行 X/Y 轴的定位。定位结束，喷印第 2 个字符。 （可见，一次除磷，喷印两个字 符） 。第 2 字符喷印完成后检测最后字符喷印是否结束，若没有结束，除鳞器前进并 旋转除鳞头，开始新一轮的除鳞与字符喷印。若第 1 次检查或第 2 次检查时，最后 上海交通大学硕士学位论文 第 20 页 字符喷印已经结束，喷印机纵向后退，同时除鳞头停止旋转。纵向驱动后限位开关 ON 后，横向驱动到待机位置，本轮喷印周期结束。 应用除鳞器上的两个距离测量开关的信号，可以对喷印头与板坯的距离进行校 准。如上所述，两开关均为 ON 时，表示喷印头与板坯的距离合适。若位置远开关 由 ON 变为 OFF，表示距离过远，此时驱动喷印机纵向慢速前进；若位置近开关由 ON 变为 OFF，表示距离过近，此时驱动喷印机纵向慢速后退。通过此方法，即可保 证喷印头与板坯间在合适的喷印距离内（具体的控制程序参考 3.1.6 节） 2.2 板坯喷印机控制系统1923 2.2.1 板坯喷印机控制系统的配置 1 板坯喷印机控制系统的硬件配置如图 2-9 所示。 2.1.4节中的电气数据中的PLC电压为220V，所以电源模块选用Q61P-A2，它的 输入电源电压为200V到240VAC。 Q02HCPU为三菱Q系列PLC中的高性能型CPU，其程序容量28K步，支持基板上 的输入输出模块的输入输出点数4096个，可以用于如MELSECNET/H远程I/O网络和 CC-Link数据链接等远程I/O站点的I/O软设备点数最多8192个，基本指令的处理时间 为0.034S，指令丰富，功能强大24。 QX41 是一个 32 点开关量输入模块。当开关量输入端的输入电压高于 19V（小 于 24V）时，该输入处于工作状态，其 LED 指示灯亮；当输入电压低于 11V（或电 流低于 1.7mA）时，它不工作，其 LED 指示灯灭。其输入阻抗为 5.6K 欧姆25。 QY41P 是一个 32 点开关量输出模块。它的额定负载电压为 12-24V，额定负载 电流 0.1A， 最大启动电流 0.7A。 它由 ON 到 OFF 的响应时间小于 1ms,由 OFF 到 ON 的响应时间小于 1ms。当它处于工作状态时，其 LED 指示灯亮25。 上海交通大学硕士学位论文 第 21 页 Q61P-A2 电源模块 Q02H CPU QX41 （32点） QY41P （32点） QJ61BT11 CC-Link Master QJ71E71- 100 以太网模 块 HMI GT1595 A9GT- QCNB GT15- QBUS GT15- QC150BS 客户端 （个人电脑） 上位机 （服务器） 因特网 3块 AJ65SBTB1-32D （每块32点输入） 切割机 PLC 紧急制动 控制电压 开关 切割机 PLC 纵向驱动 变频调速 器 横向驱动 伺服放大 器 现场操作 盘 传感器限位开关 现场操作盘 与 操作箱 5块 AJ65SBTB1-16T （每块16点输出） 双绞线 CC-Link 专用电缆 CC-Link 专用电缆 CC-Link 专用电缆 路由器 图 2-9 板坯喷印机控制系统硬件配置图 Fig.2-9 Hardware Configuration of Spray Marking Control System 系统中的 PLC 与人机界面、以太网模块和上位机的连接及通过互联网访问 PLC 分别在第 4 章、第 5 章和第 6 章中详细介绍。 2 基板输入输出模块的 I/O 点数分析 上海交通大学硕士学位论文 第 22 页 输入信号主要有控制电压开/关、紧急制动及切割机 PLC 的数字输出信号等；输 出信号作为切割机 PLC 的输入信号。这里仅简要介绍喷印机 PLC 与切割机 PLC 之 间的开关量信号，如表 2-10 所示。 表 2-10 喷印机 PLC 与切割机 PLC 间的数字输入输出信号 信号源（输入/输出） 信号 目的地（输入/输出） 左流切割机 PLC 数字输出 允许喷印 喷印机 PLC（X10） 左流切割机 PLC 数字输出 LA-6 ON（激光检测器）喷印机 PLC（X11） 左流切割机 PLC 数字输出 LA-7 ON（激光检测器）喷印机 PLC（X12） 左流切割机 PLC 数字输出 PH-8 ON（激光检测器）喷印机 PLC（X13） 左流切割机 PLC 数字输出 喷印开始 喷印机 PLC（X14） 左流切割机 PLC 数字输出 备用 喷印机 PLC（X15） 右侧切割机 PLC 数字输出 允许喷印 喷印机 PLC（X18） 右侧切割机 PLC 数字输出 LA-6 ON（激光检测器）喷印机 PLC（X19） 右侧切割机 PLC 数字输出 LA-7 ON（激光检测器）喷印机 PLC（X1A） 右侧切割机 PLC 数字输出 PH-8 ON（激光检测器）喷印机 PLC（X1B） 右侧切割机 PLC 数字输出 喷印开始 喷印机 PLC（X1C） 右侧切割机 PLC 数字输出 备用 喷印机 PLC（X1D） 喷印机 PLC（Y20） 喷印准备完成 左流切割机 PLC 数字输入 喷印机 PLC（Y21） 喷印中 左流切割机 PLC 数字输入 喷印机 PLC（Y22） 喷印完成 左流切割机 PLC 数字输入 喷印机 PLC（Y23） 允许喷印辊道运行 左流切割机 PLC 数字输入 喷印机 PLC（Y24） 喷印机在待机位置 左流切割机 PLC 数字输入 喷印机 PLC（Y25） 喷印重故障 左流切割机 PLC 数字输入 喷印机 PLC（Y26） 喷印轻故障 左流切割机 PLC 数字输入 喷印机 PLC（Y28） 喷印准备完成 右侧切割机 PLC 数字输入 上海交通大学硕士学位论文 第 23 页 喷印机 PLC（Y29） 喷印中 右侧切割机 PLC 数字输入 喷印机 PLC（Y2A） 喷印完成 右侧切割机 PLC 数字输入 喷印机 PLC（Y2B） 允许喷印辊道运行 右侧切割机 PLC 数字输入 喷印机 PLC（Y2C） 喷印机在待机位置 右侧切割机 PLC 数字输入 喷印机 PLC（Y2D） 喷印重故障 右侧切割机 PLC 数字输入 喷印机 PLC（Y2E） 喷印轻故障 右侧切割机 PLC 数字输入 当板坯在喷印位置并且辊道停止的情况下，允许喷印信号为 1，没有此信号喷印 周期不可能完成。在喷印过程中，如果允许喷印信号变为 0，则喷印机停止并返回待 机位置。3 个激光传感器（24VDC）用与辊道上的板坯定位。用激光传感器，切割机 PLC 可以将板坯停止在喷印位置，并且切割机 PLC 还把传感器的信号传送给喷印机 PLC，增加机侧 PLC 的连锁条件。 准备喷印：“0”=喷印机未准备喷印；“1”=喷印机准备喷印。喷印中：“0”=喷印机 未运行，辊道空；“1”=喷印机运行，辊道连锁。喷印完成： “1”=喷印周期已完成。 允许喷印辊道运转：“0”=喷印辊道锁定；“1”=喷印辊道可以运行。喷印机返回待机 位置：“0”=喷印机未返回待机位置，辊道连锁；“1”=喷印机返回待机位置，辊道空。 本系统输入点数为 101 点，25 点由基板输入模块输入，其余由 CC-Link 远程输 入模块输入；输出点数为 83 点，18 点由基板输出模块输出，其余由 CC-Link 远程输 出模块输出。 喷印机控制系统中 CC-Link 现场总线主站采用 QJ61BT11 模块， 远程 I/O 站采用 3 块 AJ65SBTB1-32D（每块 32 点输入）和 5 块 AJ65SBTB1-16T（每块 16 点输出） ， 这两种模块为三菱公司新开发的小型远程 I/O 模块， 和传统模块相比具有体积小、 接 线方便等多种优点。另外，CC-Link 专用电缆的两端需要接 110 欧或 130 欧的终端电 阻。CC-Link 的通信速度最高可以达到 10Mbps，但通信距离越长通信速度越低。 上海交通大学硕士学位论文 第 24 页 2.2.2 QJ61BT11 的硬件配置 QJ61BT11 模块上的配置面板如下图所示。 站号设置开关 传输速率/模式 设置开关 图 2-10 QJ61BT11 的配置面板26 Fig.2-10 Configuration Panel of QJ61BT11 站号设置的旋钮开关包括两个：一个设置十位数字，一个设置个位数字。主站 必须设为“00”； 本地站和备用主站的站号可以设置为为 1 到 64 ， 设置为 65 至 99 时 被认为设置错误，模块上的“ERR.”LED 亮起。传输速率/模式设置开关，其编号意义 的说明如下表所示。 上海交通大学硕士学位论文 第 25 页 表 2-11 传输速率/模式设置开关编号说明 本文中站号设置开关设为 00，传输速率/模式设置开关设为 3。 需要注意的是， 模块电源由