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摘 要 为提高双频淬火机床控制系统稳定性，基于双频淬火机床控制工艺，提出先进算法控制系统设计，本文详细介绍了控制系统硬件配置和软件设计思路，阐述系统集成方法，通过设备模拟画面进行程序的仿真测试，温度和功率曲线数据达到淬火的工艺指标要求。
关 键 词 轧辊淬火；算法控制；PLC；MATLAB
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）022-022-2
宝钢集团上海热处理厂双频淬火机床系统是多年前从比利时OSB公司引进的轧辊淬火专用设备，1999年上海派克软件公司对淬火机算法控制计算机系统进行了改造。目前，该系统存在元器件老化，双系统切换繁杂，系统使用可靠性差、维护困难，基于上述原因，对该设备进行控制系统重新设计是当务之急。
随着PLC技术不断发展，具有处理逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等多种功能，结合上位机监控界面和数据服务器，组成一个由操作、监控、管理为一体的智能控制系统，整个淬火控制系统，利用先进控制算法，并进行模拟设备仿真测试，验证了系统的可行性。
1 轧辊淬火机床介绍
1.1 轧辊淬火原理
淬火原理基于电磁场理论，利用加载于50 Hz工频和250 Hz中频两种感应圈的交变电流而在其周围产生交变磁场，产生感应电动势e，金属轧辊通过交变磁场，在轧辊表面的一薄层内形成涡流，涡流强度 ，由焦耳定律可知，产生的热量Q=0.24I2Rt。
产生的热量使轧辊表面加热，达到所需的淬火温度。同时利用两种感应圈的不同频率使感应热渗透到不同的深度，喷水使其急剧冷却淬火，从而在轧辊表面形成一定厚度的淬硬层，经双频淬火后的淬硬层有较缓和的过渡区和均匀的残余应力分布，提高了轧辊的韧性和抗疲劳强度，增加了轧辊尺寸的稳定性。
1.2 淬火控制工艺
淬火启动后，轧辊按给定的速度旋转和下降，同时开始下降位移计数，计算机连续跟踪轧辊状态变化，根据轧辊的移动位置，按照实测的温度T1和T2与设定的温度值比较，通过模型算法确定50 Hz和250 Hz感应线圈的设定功率，控制模型及顺序为50 Hz感应圈功率预设定模型、T1升温控制的调节模型、T2温度控制的调节模型、250 Hz感应圈功率预设定模型、T3升温控制的调节模型、T4溫度控制的调节模型、水流量的调节控制、T2降温控制的调节模型、50 Hz感应圈电源切断、T4降温控制的调节模型、250 Hz感应圈电源切断，当位移计数到达淬火区终了位置时，轧辊停止位移。当轧辊完全处于淬火区域时，升降机构停止移动，冷却时间到达给定的时间之后，水泵停止运行，升降机构开始上升到位，卸载结束完成整个淬火的控制工艺。
2 系统架构设计和主要功能描述
本设计将淬火控制系统架构分为设备控制层、上位机监控管理层两个层级。其中，设备控制层包含“淬火算法控制系统”和“电气控制系统”两套系统，上位机监控管理层包含一个监控操作站和一个数据服务器管理站。如图1所示：
设备控制层作为监控管理层的下位机，是整个系统控制的核心，是保障设备安全可靠运行的基础，其中“电气控制系统”作为任务执行系统，包含10个从站，各从站之间通过Prifibus总线进行连接，其主要任务是完成对工频设备、中频设备、高压供电系统、淬火机及水处理的工艺顺序控制，包括设备的运行、停止、联锁保护、故障报警输出、现场数据采集及设备状态反馈。“淬火算法控制系统”采集T1-T4温度值，根据测量值与设定值的比较，运行自动控制模型和算法，并换算成重新加于电磁感应圈的电功率增量来补偿，使轧辊表面的实际温度控制在设定温度范围。
两台PLC之间通过Profinet通讯进行数据交互，简化了线路布置和设备的故障率。
上位机监控管理层由一台Siemens工控机和一台DELL数据服务器两个站组成，Siemens工控机作为监控操作站，运行ifix监控界面，显示淬火过程的运行及报警状态，通过画面直观的监控系统情况。
DELL数据服务器作为工程师站，供组态和开发，存放生产历史数据、报表生成等，配置一台打印机供报表查询打印。
3 控制系统选型
设备控制层硬件选用两套西门子PLC CPU 317-2PN/DP作为控制器，530导轨，PS307电源模块，MMC卡，ET200M通讯模块，扩展机架，AI/AO模块，DI/DO模块，PID-控制模块，计数模块，Profinet、Profibus通讯电缆，超声波液位计，编码器等。为便于算法控制系统算法的编写和模型仿真，使用TIA Portal STEP 7 Professional V11软件作为用户程序开发软件。监控管理层硬件选用西门子机架式工控机IPC 547ECO，CP1616以太网卡，DELL机架式服务器PowerEdge R420，DELL 19″液晶显示器等。选用GE公司的ifix 5.1作为监控组态软件及其OPC组件。
4 控制系统软件设计
1）PLC程序编写之前，根据设备淬火控制工艺，制定详细的淬火程序控制流程图，如图2。
2）根据流程图构思程序结构，通过TIA Portal V11软件进行组态及软件编程，组态TP 1500、Simens PC、Simens PLC，并通过以太网组成网络系统，其中TP1500设计基于Wincc RT HMI设计仿真监视界面；Simens PC通过OPC Server实现与MATLAB间的数据交换；Simens PLC处理算法控制。通过在监控界面设定相应的参数和操作，可监控程序的执行和各状态的显示。
MATLAB用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。设计淬火模型算法，模拟现场设备运行状态，并将设备执行的数据反馈到界面，进行实时监控。
5 结束语
本文介绍了轧辊淬火电气设计思路，对于复杂多过程量的系统，通过仿真模拟测试，可达到与实际生产类似的效果，同时节省了后期调试时间和减少设备运行的故障率。
参考文献
[1]刘平华，左智勇，詹益清.关于全数字自动控制的硅钢轧辊淬火机床研究[J].电气传动自动化，2004，26（6）.
[2]邵惠鹤，任正云.预测PID控制算法的基本原理及研究现状[J].世界仪表与自动化，2004，8（6）.
作者简介
冯毅（1976-），男，四川南充人，大学本科，项目经理，研究方向：工业自动化应用。
关 键 词 轧辊淬火；算法控制；PLC；MATLAB
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）022-022-2
宝钢集团上海热处理厂双频淬火机床系统是多年前从比利时OSB公司引进的轧辊淬火专用设备，1999年上海派克软件公司对淬火机算法控制计算机系统进行了改造。目前，该系统存在元器件老化，双系统切换繁杂，系统使用可靠性差、维护困难，基于上述原因，对该设备进行控制系统重新设计是当务之急。
随着PLC技术不断发展，具有处理逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等多种功能，结合上位机监控界面和数据服务器，组成一个由操作、监控、管理为一体的智能控制系统，整个淬火控制系统，利用先进控制算法，并进行模拟设备仿真测试，验证了系统的可行性。
1 轧辊淬火机床介绍
1.1 轧辊淬火原理
淬火原理基于电磁场理论，利用加载于50 Hz工频和250 Hz中频两种感应圈的交变电流而在其周围产生交变磁场，产生感应电动势e，金属轧辊通过交变磁场，在轧辊表面的一薄层内形成涡流，涡流强度 ，由焦耳定律可知，产生的热量Q=0.24I2Rt。
产生的热量使轧辊表面加热，达到所需的淬火温度。同时利用两种感应圈的不同频率使感应热渗透到不同的深度，喷水使其急剧冷却淬火，从而在轧辊表面形成一定厚度的淬硬层，经双频淬火后的淬硬层有较缓和的过渡区和均匀的残余应力分布，提高了轧辊的韧性和抗疲劳强度，增加了轧辊尺寸的稳定性。
1.2 淬火控制工艺
淬火启动后，轧辊按给定的速度旋转和下降，同时开始下降位移计数，计算机连续跟踪轧辊状态变化，根据轧辊的移动位置，按照实测的温度T1和T2与设定的温度值比较，通过模型算法确定50 Hz和250 Hz感应线圈的设定功率，控制模型及顺序为50 Hz感应圈功率预设定模型、T1升温控制的调节模型、T2温度控制的调节模型、250 Hz感应圈功率预设定模型、T3升温控制的调节模型、T4溫度控制的调节模型、水流量的调节控制、T2降温控制的调节模型、50 Hz感应圈电源切断、T4降温控制的调节模型、250 Hz感应圈电源切断，当位移计数到达淬火区终了位置时，轧辊停止位移。当轧辊完全处于淬火区域时，升降机构停止移动，冷却时间到达给定的时间之后，水泵停止运行，升降机构开始上升到位，卸载结束完成整个淬火的控制工艺。
2 系统架构设计和主要功能描述
本设计将淬火控制系统架构分为设备控制层、上位机监控管理层两个层级。其中，设备控制层包含“淬火算法控制系统”和“电气控制系统”两套系统，上位机监控管理层包含一个监控操作站和一个数据服务器管理站。如图1所示：
设备控制层作为监控管理层的下位机，是整个系统控制的核心，是保障设备安全可靠运行的基础，其中“电气控制系统”作为任务执行系统，包含10个从站，各从站之间通过Prifibus总线进行连接，其主要任务是完成对工频设备、中频设备、高压供电系统、淬火机及水处理的工艺顺序控制，包括设备的运行、停止、联锁保护、故障报警输出、现场数据采集及设备状态反馈。“淬火算法控制系统”采集T1-T4温度值，根据测量值与设定值的比较，运行自动控制模型和算法，并换算成重新加于电磁感应圈的电功率增量来补偿，使轧辊表面的实际温度控制在设定温度范围。
两台PLC之间通过Profinet通讯进行数据交互，简化了线路布置和设备的故障率。
上位机监控管理层由一台Siemens工控机和一台DELL数据服务器两个站组成，Siemens工控机作为监控操作站，运行ifix监控界面，显示淬火过程的运行及报警状态，通过画面直观的监控系统情况。
DELL数据服务器作为工程师站，供组态和开发，存放生产历史数据、报表生成等，配置一台打印机供报表查询打印。
3 控制系统选型
设备控制层硬件选用两套西门子PLC CPU 317-2PN/DP作为控制器，530导轨，PS307电源模块，MMC卡，ET200M通讯模块，扩展机架，AI/AO模块，DI/DO模块，PID-控制模块，计数模块，Profinet、Profibus通讯电缆，超声波液位计，编码器等。为便于算法控制系统算法的编写和模型仿真，使用TIA Portal STEP 7 Professional V11软件作为用户程序开发软件。监控管理层硬件选用西门子机架式工控机IPC 547ECO，CP1616以太网卡，DELL机架式服务器PowerEdge R420，DELL 19″液晶显示器等。选用GE公司的ifix 5.1作为监控组态软件及其OPC组件。
4 控制系统软件设计
1）PLC程序编写之前，根据设备淬火控制工艺，制定详细的淬火程序控制流程图，如图2。
2）根据流程图构思程序结构，通过TIA Portal V11软件进行组态及软件编程，组态TP 1500、Simens PC、Simens PLC，并通过以太网组成网络系统，其中TP1500设计基于Wincc RT HMI设计仿真监视界面；Simens PC通过OPC Server实现与MATLAB间的数据交换；Simens PLC处理算法控制。通过在监控界面设定相应的参数和操作，可监控程序的执行和各状态的显示。
MATLAB用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。设计淬火模型算法，模拟现场设备运行状态，并将设备执行的数据反馈到界面，进行实时监控。
5 结束语
本文介绍了轧辊淬火电气设计思路，对于复杂多过程量的系统，通过仿真模拟测试，可达到与实际生产类似的效果，同时节省了后期调试时间和减少设备运行的故障率。
参考文献
[1]刘平华，左智勇，詹益清.关于全数字自动控制的硅钢轧辊淬火机床研究[J].电气传动自动化，2004，26（6）.
[2]邵惠鹤，任正云.预测PID控制算法的基本原理及研究现状[J].世界仪表与自动化，2004，8（6）.
作者简介
冯毅（1976-），男，四川南充人，大学本科，项目经理，研究方向：工业自动化应用。