Dieser Artikel beschreibt den Einsatz des ABB MasterPiece200/1 SPS-Steuerungssystems in der Stabbündelungsanlage einer Stahlwalzanlage und konzentriert sich dabei auf die Systemkonfiguration und die Steuerungsfunktionen. 1. Einleitung: Die kleine bis mittelgroße Stahlwalzanlage von Laiwu Steel wurde 1997 errichtet und in Betrieb genommen. Sie produziert hauptsächlich Rundstahl, Federstahl, Flachstahl, U-Profilstahl und Bewehrungsstahl. Die Stabtemperatur wird mittels Wasserkühlung geregelt. Während des Walzprozesses werden die Stäbe aus dem Kühlbett im Bündelungsbereich entnommen und mithilfe von Magnetgriffen kompakt gebündelt und zum Scherwalzenförderer (CCL) transportiert. Die SPS-Steuerung dieser Produktionslinie stammt von ABB. Das Bündelungssystem nutzt das ABB MasterPiece 200/1 SPS-Steuerungssystem und gewährleistet so die präzise Positionierung, die sichere Lagerung und die Transportsteuerung der Stäbe während des Walzprozesses. 2. Systemaufbau Das Basisautomatisierungssystem basiert auf dem Stahlwalzwerk-Steuerungssystem RMC200 von ABB. Es handelt sich um ein offenes, verteiltes Steuerungssystem, bestehend aus einer Prozessstation MP200/1 und einer Bedienerstation AS520. Die Prozessstation umfasst ein CPU-Rack und ein E/A-Rack. Das CPU-Rack ist mit einem CPU-Modul DSPC172, einem Speichermodul DSMB176, einem 16-Kanal-DSAI130, einem 8-Kanal-DSAO120 und einem 32-Kanal-DI/DO-Modul ausgestattet. Über das Kommunikationsmodul DSCS140 ist es mit dem MasterBus300 verbunden und kommuniziert mit anderen Prozessstationen. Das E/A-Rack wird durch das Bus-Erweiterungsmodul DSBC172 erweitert. Die Bedienerstation nutzt eine HP-UNIX-Workstation und ist über eine Echtzeit-Beschleunigerkarte mit der redundanten Schnittstelle des MasterBus300 verbunden. Dadurch können die Bediener die wassergekühlten Anlagen vor Ort direkt überwachen. Die Hauptfunktionen sind: (1) automatischer/manueller Start und Stopp des Gruppensystems, (2) Einstellung und Echtzeitüberwachung des Balkenzählers, (3) Anzeige und Druck von Ereignis- und Alarmlisten usw. Die Hauptbildschirme des Gruppensystems sind der Startbildschirm, der Einstellungsbildschirm, der Wartungsbildschirm, der Ereignisbildschirm und der Alarmbildschirm. 3. Die Softwareimplementierung umfasst Systemsoftware und Anwendungssoftware. (1) Systemsoftware: Die Zentraleinheit ABB Master Piece200 ist ein leistungsstarker 32-Bit-Mikroprozessor. Die Systemsoftware ist im EPROM-Modul gespeichert und beinhaltet ein Echtzeitbetriebssystem und einen ABB Master Piece Language (AMPL)-Executor. (2) Anwendungssoftware: Die Anwendungssoftware ist im RWM (Read/Write Memory) mit einer Backup-Batterie gespeichert und wird mit der ABB Master Piece Language (AMPL) programmiert, wodurch eine strukturierte Programmierung ermöglicht wird. Industrielle Steuerungsprogramme haben oft viele Funktionen. Entsprechend den Anforderungen der industriellen Steuerung werden die Programmierelemente als grafische Funktionsbausteine, sogenannte PC-Elemente, realisiert. Es gibt drei Arten von Strukturelementen im PC-Element: PCPGM, CONTRM und FUNCM. PCPGM ist die oberste Ebene der Programmstruktur und dient der Ausführung vollständiger Steuerungsfunktionen. Ein PCPGM kann ein oder mehrere CONTRMs enthalten, und ein CONTRM kann wiederum ein oder mehrere FUNCMs enthalten. Dadurch ist die gesamte Programmstruktur hierarchisch aufgebaut und ermöglicht ein strukturiertes Design. Zusätzlich verfügt die CPU über eine Echtzeitdatenbank, die zur permanenten Datenspeicherung und zum Datenaustausch zwischen Programmen dient. Die Elemente in der Datenbank werden als DB-Elemente bezeichnet. Diese Elemente umfassen die von der Prozessstation verwendeten E/A-Vorlagen und -Signale sowie weitere im Programm generierte Dateninformationen. 4. Steuerungsfunktion 4.1 Der Gruppierungsbereich der Prozessanlage nimmt die Stäbe vom Kühlbett auf, ordnet sie magnetisch kompakt an, gruppiert sie und transportiert sie zum Scherrollenförderer (CCL). Der Gruppierungsbereich umfasst folgende Ausrüstung: Entstapelungsvorrichtung (DPAS), Ausrichtrollenförderer (LIN): Gruppierungseinrichtung mit 100 Rillenrollen: (1) Magnetischer Gruppierungswagen (FT); (2) Gruppierungsförderkette (FC); (3) Magnetfinger (MF); (4) Stützklappe (SFL). Entnahme- und Transporteinrichtung: Gruppierungstransportwagen (ET1, ET2, ET3, MET). Das Prozessfließdiagramm des Gruppierungsbereichs ist in Abbildung 4.2 dargestellt: Ausrichtrollenförderer (LIN). Der Ausrichtrollenförderer befindet sich am Ausgang des Kühlbetts und besteht aus 100 Rillenrollen, jeweils 10 in einer Gruppe. Am hinteren Ende des Kühlbetts befindet sich eine feste mechanische Pufferplatte zur Ausrichtung des Stahlkopfes. Der verwendete Rollenfördererabschnitt wird vom Bediener oder automatisch gemäß dem Walzplan eingestellt. Die Vorwärtsdrehung wird von der Motorsteuerung (MCC) gesteuert (Rückwärtsdrehung ist deaktiviert). Der Betrieb erfolgt intermittierend oder kontinuierlich. Der intermittierende Zyklus ermöglicht die Startbedingungen des Rollenförderers: Verzögerung des Startsignals des Kühlbetts, verzögerter Stopp (T2). 4.3 Gruppierungs- und Übergabebereich 4.3.1 Übersicht In diesem Bereich werden die Stäbe vom Kühlbett mit derselben Ausrüstung aufgenommen und durch Magnethände präzise und kompakt angeordnet, gruppiert und auf den Rollenförderer transportiert. Dieser Bereich umfasst folgende Ausrüstung: Gruppierungsausrüstung: (1) Magnetischer Gruppierungswagen (FT); (2) Gruppierungsförderkette (FC); (3) Magnetfinger (MF); (4) Stützklappe (SFL). Entnahme- und Übergabeausrüstung: Gruppierungs-Übergabewagen (ET1…ET10,MET). 4.3.2 Funktionsbeschreibung 4.3.2.1 Magnetischer Gruppierungswagen Um eine kontinuierliche Gruppierung zu gewährleisten, sind zwei Sätze identischer Wagen (A und B) vorgesehen. Die beiden Wagensätze arbeiten abwechselnd. Ein Satz hält immer im Sammelbereich (obere Position: Aufnahme der Stäbe vom Kühlbett), während der andere Satz Stahl auf den Entnahmewagen entlädt, in die Parkposition zurückkehrt oder dort verharrt (untere Position). Jede Einheit wird einzeln von einem Gleichstrommotor über ein Getriebe angetrieben. Sie ist mit folgenden Sensoren ausgestattet: zwei Encoder (Drehzahl- und Positionsregelung), zwei Näherungsschalter (zum Zurücksetzen der Positionsencoder: DI5.4/FT_SG1_CHG_A, DI5.5/FT_SG2_CHG_B), zwei Näherungsschalter zum Entladen des Kühlbetts (DI5.6/FT_SG3_DISCHG_A, DI5.7/FT_SG4_DISCHG_B) und vier Endschalter (Motor-Not-Aus: DI5.8/FT_SG5_CHG_MOV_A, DI5.9/FT_SG6_DISCHG_MOV_A, DI5.12/FT_SG9_CHG_MOV_B, DI5.13/FT_SG10_DISCHG_MOV_B). 4.3.2.2 Gruppierte Förderkette Die gruppierte Förderkette besteht aus drei Gruppen, die jeweils von einem Wechselstrommotor über ein Getriebe angetrieben werden. Jeder Abschnitt ist mit folgenden Sensoren ausgestattet: einem Impulsgenerator und einem am Motor montierten Thermoelement. Die Gruppenförderkette und die magnetischen Gruppierungswagen sind synchronisiert, sodass die Stahlstangen im erforderlichen Abstand platziert werden können. Die Detektionselemente der Gruppenförderkette umfassen: zwei Näherungsschalter zur Erfassung der Stahlstangen auf der Kette (DI5.14/FC_SG1_LAYERDET, DI5.15/FC_SG2_LAYERDET); ein Computer sendet einen Drehzahl-Sollwert an den Frequenzumrichter (AO1.1/FC1_IN_SPREF, AO1.2/FC2_IN_SPREF, AO1.3/FC3_IN_SPREF); und die gleichzeitige Überwachung der Betriebsspannung des Encoders (AI1.2/FC1_TACHO_5V, AI1.3/FC2_TACHO_5V, AI1.4/FC3_TACHO_5V). Während der Sammlung ist die Bewegung der Förderkette und der Gruppierungswagen stets synchronisiert. Nach Abschluss der Gruppierung bewegen sich die Gruppierungswagen und die Förderkette innerhalb kurzer Zeit, kürzer als die Zykluszeit des Kühlbetts, zum Entnahmebereich. Die Gruppierungswagen arbeiten im Rotationsverfahren. Jede Stangengruppe besteht aus N Stangen (festgelegt im Betriebssystem). Nachdem der Gruppierungswagen aus der Stoppposition angehoben wurde, fährt er zur entsprechenden Position, um die erste Stange der Gruppe aufzunehmen. Während jedes Kühlbettzyklus wird die vom Endschalter am letzten Zahn des festen Querträgers erfasste Stange auf den Gruppierungswagen geladen, und der Stangenzähler N1 wird um eins erhöht. Nachdem die Stange auf den Wagen geladen wurde (zu einem geeigneten Zeitpunkt nach Beginn des Kühlbettzyklus), wird, falls N1 > 4.3.2.3, eine elektromagnetische Hand eingesetzt. Diese dient dazu, die Stangen im Gruppierungsbereich zu greifen und korrekt auf den Gruppierungswagen zu platzieren. Zwei Fingerpaare, „A“ und „B“, dienen zum Greifen des Stahls in der Positionierung des Wagens. Werden zwei Stangen gleichzeitig entladen (Doppelzahnzyklus), werden beide Fingerpaare gleichzeitig verwendet; andernfalls wird nur ein Fingerpaar verwendet. Der Abstand der Finger zum Kühlbett kann mechanisch an die Produktabmessungen angepasst werden. 4.3.2.4 Halteklammern: Klammern und Magnetfinger haben dieselbe Funktion und werden gleichzeitig verwendet. Sie sind am Kühlbettrahmen befestigt. Zwei Klammersätze (A, B) dienen zum Greifen der Stangen während der Wagenpositionierung. Sie arbeiten im gleichen Zyklus wie die Magnetfinger. Die Detektionselemente umfassen: zwei Näherungsschalter (DI5.1/MF_SG1_FLAP1_DWN, DI5.2/MF_SG2_FLAP2_DWN) zur Erfassung der unteren Position der beiden Klammersätze; Bedienelement (CP3): Steuerung zum Heben/Senken der Klammern. 4.3.2.5 Stangenmaterial-Transportvorrichtung: Diese Vorrichtung ist in vier Teile gegliedert: Der erste Teil umfasst einen elektromagnetischen Extraktionswagen; die übrigen Teile sind Extraktionswagen. Extraktionssequenz und Transport auf dem Rollenförderer: 1) Die letzte Wagengruppe fährt vorwärts und der Extraktionswagen befindet sich in der Stoppposition (P1): Der Extraktionswagen hebt sich und wird magnetisiert. 2) Der Wagen befindet sich in der Sammelposition: Der Gruppenwagen wird entmagnetisiert und senkt sich ab. 3) Der Gruppenwagen befindet sich in der unteren Position: Der Gruppenwagen kehrt in die Warteposition zurück. Ein Sensor (angetrieben von einer an den festen Zähnen des Kühlbetts montierten Nockenvorrichtung) erfasst den Rückhub. Gleichzeitig fährt der Wagen in die oberste Position (*1). 4) Der Entnahmewagen befindet sich in der oberen Position, und die Signale des Positionssenders und des ersten Sensors des Entnahmewagens werden mit einer Verzögerung Ts addiert (*2): Der Entnahmewagen fährt in Richtung des Rollenförderers. 5) Läuft der Rollenförderer oder befindet sich Material darauf, stoppt der Entnahmewagen in der mittleren Position (P2) (*3). Stehen Rollenförderer und Andruckrollen still und befindet sich kein Material auf dem Rollenförderer, fährt der Entnahmewagen zur Entladeposition P3. P3 befindet sich in der Mitte des Rollenförderers (*4). 6) Der Entnahmewagen befindet sich an Position P3 (*3): 7) Die erste Gruppe von Entnahmewagen wird entmagnetisiert und in die unterste Position abgesenkt. Alle Wagen werden abgesenkt und kehren in die Stoppposition (P1) zurück. Der Rollenförderer startet. ET1 verfügt über drei Positionserkennungen: oben, Mitte und unten. ET2 (ET2 bis ET5) und ET3 (ET6 bis ET10) verfügen jeweils nur über eine Positionserkennung für die untere Position. In horizontaler Richtung ist jede Wagengruppe mit einer Überlastungserkennung links und rechts sowie mit Schaltern zur Erkennung der Beladungsposition ausgestattet. Im Programm besteht die ET-Aktion aus den folgenden sieben Schritten, die eine zyklische Rechteckbewegung darstellen: (1) ET_LIFTPOSPICKUP; (2) ET_LIFTPOSUNLOAD; (3) ET_POSWAIT; (4) ET_POSCRT; (5) ET_LIFTPOSCRTLVL; (6) ET_LIFTPOSDOWN; (7) ET_POSPARK. Bei horizontaler Bewegung wird die horizontale Position (0, 300, 1460) dem ET_POSREF zugewiesen und über die Anschlüsse I4ORD1 und I4ORD2 des Elements COM_CV01 an das Übertragungssystem der vier Wagen übermittelt, um die Anlagensteuerung zu gewährleisten. 4.4 Stapel- und Langsamkühlsystem. Dieses System wird für Federstahlflachstahl eingesetzt. Für Federstahlflachstahl wird lediglich ein 60 m langes Kühlbett verwendet, und der Flachstahl muss langsam abgekühlt werden. Daher wird er gestapelt und in das Kühlbett transportiert. Beim Erreichen des Entladebereichs wird der Flachstahl einzeln entladen. Die Hauptkomponenten des Entstapel- und Langsamkühlsystems sind: (1) Entstapelvorrichtung; (2) Hebevorrichtung; (3) Kippvorrichtung; und (4) Hebeplatte. 5. Anwendungsergebnisse: Seit seiner Inbetriebnahme Ende 1997 arbeitet das System zuverlässig und stabil, wodurch die Arbeitseffizienz deutlich gesteigert und die Produktion von Walzstahl sichergestellt wird. Quellen: 1. ABB Prozessautomatisierung: Schichtformungssteuerung. 2. ABB RMC.5 PC-Programmliste. 3. Liang Guowei. Messtechnik und Instrumente. Maschinenbauverlag, 2002.