仪器仪表/检测/监控现代制造工程（Modern Manufacturing Engineering）2014年第5期
罗庚兴
（佛山职业技术学院，佛山528137）
摘要：打包机是高速线材厂的主要设备，为了满足钢铁厂高速线材生产线全自动打包工艺的控制要求，选用S7-300PLC 为核心控制器进行打包机全自动化控制。重点阐述打包机自动化控制系统的硬件设计、压实车位置控制、线道架运动控制、打包线速度控制和扭结控制。生产实践表明，该打包机控制系统的控制精度、响应速度等技术指标完全达到了工艺要求，运行可靠，操作简便，提高了工作效率，减少了运行和维护成本。 关键词：打包机；电气控制；高速线材；可编程控制器
中图分类号：TP273文献标志码：A文章编号：1671—3133（2014）05—0113—05
Design and application of automatic control system for
compactor in high speed wire
Luo Gengxing
（Foshan Polytechnic，Foshan528137，Guangdong，China）
Abstract：Compactor is main equipment of high speed wire factory．To meet the control requirement of high speed wire production in steel plant，S7-300PLC is selected as the kernel controller for the full automatic control of compactor．The designs of hardware，press trolley position control，wire shelf movement control，wire speed control and twist control of compactor automatic control sys-tem are developed．Production practice shows that the technical indicators of compactor control system（e．g．high precision con-trol and fast response）completely meet the process requirements．And the system is reliable，easy to used that improve the effi-ciency and reduce the cost of running and maintain．
Key words：compactor；electrical control；high speed wire；PLC
0引言
打包机是现代高速线材生产线特有的设备，融机械、液压和电气控制为一体。打包机将C型吊钩运来的盘卷沿线卷圆周方向成90ʎ等分打四个平行结头，经打包压紧后的盘卷更容易被储藏和运输。
本文介绍的BT4600型打包机已在高速线材生产线投入运行。自行研发的电气控制系统动作准确、可靠，智能化程度高。控制系统采用分布式输入/输出（I/O）接口进行数据采集和控制，降低了接线成本，提高了数据安全性，增加了系统灵活性。压实车对中、线道架的速度和打包线张力能自动跟随校正，保证了压实和捆紧效果。
1系统结构及工艺过程
1．1系统结构
高速线材打包机的可编程控制器（PLC）控制系统结构如图1所示，按功能划分为3部分：
1）外围设备包括液压润滑站、主控台和配电柜。
2）打包机主体设备包括4个打包单元、2台压实车、1个举升台、4个喂线单元、线库和线道架。打包单元包括打包头和气缸等；喂线单元包括喂线轮、液压马达和气缸等。
3）现场总线包括主控台和打包机、液压站之间的信号连接与通信。
由图1所示可知，打包机的控制比较分散，因此，采用基于DP总线的分布式I/O控制系统设计。PLC 控制系统由1套S7-300CPU主站、7套ET200S从站及1套MP277按键屏组成。主站选用的CPU317-2PN/
DP是整个控制系统的中心。A101、A201、A202、A203、A204和A205这6个从站均选用6ES7151-1AA05-0AB0ET200S IM151DP接口模板。从站A101用作主控台的本地控制和用户接口；从站A201用作线库、举升台和压实车的控制；从站A202用作打包单元1和打包单元2的控制；从站A203用作打包单元3和打包单元4的控制；从站A204用作喂线单
311
2014年第5期现代制造工程（Modern Manufacturing Engineering ）
元1 4的控制。从站A205用作线道架的控制。从
站A11是智能从站，选用6ES7151-7AA21-0AB0ET 200S IM 151带CPU 的DP 接口模板，它集成了24kB
工作内存，用作液压润滑站的控制。
图1打包机PLC 控制系统结构
1．2工艺过程当带有盘卷的C 型吊钩停在打包机中心线位置
时，定位夹紧器闭合锁定，输送线（PF 线）自动控制系统发出开始打包指令，启动打包机，自动打包
机将按照图2所示工作流程循环打包。
图2
打包机工作流程
1）预压紧。压实车1、压实车2在液压缸的驱动下朝盘卷方向同时运动，线道架从压实车2上开始朝压实车1的方向运动，举升台往上运动到盘卷刚好与C 型吊钩之间保持着自由状态。
2）压紧。压实车2刚好接触到盘卷边时（光电开关S 8动作），举升台继续上升托起盘卷，然后压实车压紧盘卷，同时线道架靠拢至关闭（电感传感器S 12动作）。
3）开始喂线，冲压就绪。液压马达驱动送线机构送出打包线，同时锁定压实车1和压实车2。
4）停止喂线，夹紧线头。打包线沿着线道到达扭结装置，在碰到夹紧装置的挡板时停止喂线，打包线头部被夹紧。
5）拉紧打包线。打包头向内（盘卷方向）移动到打包位置，兜线轮打开，同时喂线轮反转，打包线被拉紧，剩余的线被送回线库，喂线轮停止。
6）扭结，剪切。喂线轮停止，脉冲编码器给出指示后，扭结。扭结完成，打包线被剪断。这时打包完成。
7）返回初始位置。打包结束后，压实车1、压实车2返回初始位置，线道架和举升台返回起始位置。
4
1
1
罗庚兴：高速线材打包机自动控制系统的设计及应用2014年第5期
打包好的盘卷挂在C型吊钩上，打包机控制系统向PF线控制系统发出打包完成指令。
分析打包工艺过程可知，打包机实现快速准确的打包控制，除了要求各个检测信号正常外，还必须要求准确控制举升台的高度位置，压实车要快速实现预压紧和冲压就绪动作，打包线速度控制合适，线道架能快速关闭。举升台位置、2台压实车位置和4道打包线速度控制分别采用编码器G3、G1、G2和4个1S18-4S18来实现，编码器型号选用6ES7138-4DA04-0AB0型高速计数模块，其规格为24VDC/100kHz。
2主要控制功能的设计
打包机的PLC控制系统主要包括初始位置控制、手动控制、压实车运动控制、压实力控制、举升台控制、线道架的控制、送线系统控制、打包线速度控制、扭结装置控制、液压系统控制和通信等。下面介绍主要部分的控制功能。
2．1初始位置控制
打包机在初始位置时才能启动自动模式。打包机初始位置的条件是：1）压实车返回初始位置，2）打包头返回初始位置。压实初始位置的条件为：压实车1在后限位（即电感式限位开关S3闭合），压实车2在后限位（即电感式限位开关S6闭合），举升台在下限位（即电感式限位开关S10闭合），线道架在后限位（即电感式限位开关S14闭合）。打包头初始位置条件为：扭结装置在初始位（即电感式限位开关S5闭合），打包头在初始位（即电感式限位开关S20闭合）。如果系统不满足初始位置条件，则通过主控台上的压实操作选择开关和打包头操作选择开关手动复位。
2．2压实车运动控制
压实车的主要任务是完成盘卷的对中压实功能，其控制主要包括压实车的逻辑控制、对中控制、位置和压实力的计算。逻辑控制主要完成压实车1、压实车2的前进、锁定、后退以及与打捆的联锁等功能。位置控制的主要任务是计算2台压实车的位移，产生压实过程中高速前进、低速前进、低速后退和压实完成等信号，并计算盘卷长度和判断盘卷是否对中。盘卷长度CL=2ˑ压实液压缸长度CYL+压实车
之间最小间距PPDIS－压实车1的位移PP1POS－压实车2的位移PP2POS。盘卷是否对中的判断条件为：若盘卷偏移量CS－误差允许量δ≤PP1POS－PP2POS≤CS+δ，说明盘卷已对中；若PP1POS－PP2POS＜CS－δ，说明压实车1位移过大；若PP1POS－PP2POS＞CS+δ，说明压实车2位移过大。
在压实车的对中控制中，将盘卷偏移量CS作为给定信号，压实车的位移差（PP1POS－PP2POS）作为反馈信号，输入PID运算器，产生的输出用于控制压实车2的速度，从而保证压实完成后盘卷中心与C型吊钩中心重合，达到使吊钩平衡的目的。
2．3线道架的控制
线道架由运动部分和固定部分组成。运动部分安装在压实车2上，由1台液压马达驱动，固定部分安装在压实车1上。线道架除了跟随压实车运动外，运动部分还有相对压实车的移动过程。线道架比较轻，运动速度快，除了减速控制外，还安装了减振器进行冲击防护。线道架运动部分的运行曲线如图3所示，打包机启动后先伸出减振器，预压紧完成后发出指令GC_FWD，启动线道架高速前进（对应最大液压力的85%时的速度）；当运动到前进减速位时限位开关S
15闭合，线道架转为低速前进（对应最大液压力的50%时的速度）；线道架合拢时限位开关S12闭合，启动喂线机构，同时收回减振器；在送线打包过程中，为了保持线道架处于有效合拢状态，液压马达应低速工作。打包完成后发出指令GC_ＲEV，线道架先高速（对应最大液压力的65%时的速度，
方向相反）后低速（对应最大液压力的50%时的速度，方向相反）退回原位，限位开关S14闭合。加装线道架前进极限限位开关S13，用于紧急状态的处理，当线道架前进到S13时立即停止。图3中虚线表示极限运行轨迹。
图3线道架运行曲线
2．4打包线速度控制
打包线的控制分高速送线、低速送线、高速抽紧、低速抽紧和低速收线等过程。各过程的切换依靠打包线位置检测信号、打包线位移脉冲信号和工序控制信号配合完成。完成后产生喂线启动命令STAＲT_ FEED信号，控制喂线轮液压马达高速正转（此时转速为额定速度的98%），打包线沿线道环绕盘卷高速前进，接近打包头时（此时编码器S18发出8200P脉冲），
51
1
2014年第5期现代制造工程（Modern Manufacturing Engineering ）
喂线轮转换成低速正转（此时转速为额定速度的50%），打包线低速靠近打包头，打包线低速进入打包头时，检测信号S 2断开（用S 2的下降沿），打包线再低速前进420P 个脉冲后到达挡块，完成送线过程。打包头夹紧后，发出抽紧信号BU_ST11，喂线轮高速反
转（此时转速为额定速度的100%，方向相反），PLC 通过高速计数器模块采样编码器S 18的脉冲数，当前后两
次采样的脉冲数之差小于等于1时（即S 18的脉冲数基本不变），表示第一次拉紧结束；兜线轮打开后，喂线
轮进入低速反转（此时转速为额定速度的70%，方向相反），当编码器S 18的脉冲数再次不变化时，表示第
二次拉紧结束。打包头扭结、
剪切完成，发出返回信号BU_ST19，
喂线轮低速反转（此时转速为额定速度的70%，方向相反），进行收线，当打包头返回初始位置，限位开关S 20闭合，收线结束。为了判断打包是否成功，在喂线单元的出线端安装一个传感器S 4。正常时，打包线穿过喂线单元，S 4有检测信号；当打包失败时，收线结束后，打包线不会超过S 4位置，这样S 4检测不到打包线。因此，
可用S 20＆S 4作为打包成功的标识。打包线的速度控制曲线如图4所示。
图4
打包线的速度控制曲线
3实时监控功能的设计
打包机的人机界面（HMI ）采用西门子公司MP27710ᵡkey 实时监控系统，现场操作员可实时操控和监视打包机情况。HMI 监控画面用西门子的WinCC flexible2008软件开发，共18幅，主要有以下功能。 打包机主控画面如图5所示，可以实现手动与自动的切换、进入其他监控画面、监视打包机整体运行状态、监视盘卷状态、记录打包数量和盘卷长度等。
4个打包头监视画面如图6所示，用于打包头、喂线单元、扭结装置、打包线等的位置检测和运动状态监视。图5
打包机主控画面
图6打包头状态画面
压实状态监控画面如图7所示，可监视压实车、线
道架和举升台的位置，
实时显示压实车与线道架的速度和压实力的数值，监视压实车和举升台编码器的脉
冲数等。
图7
压实状态监视画面
6
1
1
罗庚兴：高速线材打包机自动控制系统的设计及应用2014年第5期
液压单元监控画面如图8所示，可对液压马达、循环泵的启停控制和运行状态进行监视，还可监视液位、温度、油路蝶阀等数值和运行情况。
图8液压单元监控画面
其他的信息显示画面有打包头状态画面、打包头工作过程画面、打包头设置画面、打包机状态画面、打包机工作过程画面、压实设置画面、与PF线通信状态画面和PＲOFIBUS通信信号状态画面等。实时报警画面有打包头故障显示画面、压实过程故障显示画面和液压润滑站帮助画面等。
4应用效果
BT4600型打包机在某高速线材生产线投入运行，改变了高速线材原来手动打包效率低下的状况，有效地改善了操作人员的工作环境，系统的维护和故障处理方便，使高速线材精整区打包工序的自动化生产成为现实。自打包机投入使用以来，打包机扭结失败率低，对于最大盘卷整个打包过程不到40s，完全满足厂家65s左右的轧钢生产节奏。打包后的线卷最小长度约为600mm，大大方便了盘卷的储藏、运输，提高了产品的包装质量和作业率，消除了产品包装上的质量异议。与国外高性能的同类产品（扭结失败率＜0．3%，打包时间为32 35s）相比较，还存在一定的技术差距，但价格不到其1/2，具有一定优势。
参考文献：
［1］罗庚兴．基于PＲOFIBUS-DP现场总线技术的智能化打包机控制系统［J］．制造业自动化，2012（3）：37－39．
棉花液压打包机［2］余琼．高速线材自动打包机控制系统［J］．冶金自动化，2009（S1）：106－107．
［3］洪海洋，孙善川，刘天豹．打包机实时监控与故障诊断系统［J］．河北冶金，2009，174（06）：57－59．
［4］李冰．西门子S7-300在高线打包机中的应用．2008年全国小型型钢生产技术交流论文集［C］．北戴河，中
国，2008．
［5］夏云龙，张洁，陈洪波．宣钢高线自动打包机应用实践．2008年全国小型型钢生产技术交流论文集［C］．北戴河，
中国，2008．
［6］王岸．S7系统在高线自动打包机中的应用［J］．甘肃冶金，2010，32（05）：160－163．
［7］陈彦，李巍，徐宏伟．承钢高线自动打包机PLC控制系统［J］．工控机与集散控制系统，2006（12）：48－50．
［8］王玉湘，卢秉亮，许莉．打包机电气控制系统的设计与应用［J］．沈阳航空工业学院学报，2006，23（2）：39－41．［9］张贵春，张宁峰，李谨．普线打包机设计与实践［J］．冶金设备，2006，158（04）：61－63．
［10］沈勇，黄程凯．铜极板打包生产线精确位置控制中的关键技术研究［J］．现代制造工程，2012（6）．
作者简介：罗庚兴，副教授，硕士，主要研究方向为PLC控制及自动化。E-mail：luogengxing@163．com
收稿日期：2013-03-01
（上接第140页）
［19］周晓东，邹国胜，谢洁飞，等．大规模定制研究综述［J］．计算机集成制造系统（CIMS），2003，9（12）：1045－
1056．
［20］周晓东，项保华，邹国胜．大规模定制战略及我国企业的对策［J］．工业工程与管理，2003（5）：12－16．
［21］Beat YＲT．Mass Customization［J］．Manufacturing Engi-neer，1996，100（5）：217－220．
［22］SIMPSON T．Product Platform Design and Optimization：Status and Promise．Proceedings of ASME Engineering
Technical Conferences and Computers and Information in
Engineering Conference［C］．New York：ASME，2003．
作者简介：王建正，博士，正高级工程师，硕士研究生导师，主要研究方向为产品平台、项目制造和企业信息化。
E-mail：tjpuwjz@163．com
收稿日期：2013-06-11
71
1
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议