熱連軋精軋速度控制系統(tǒng)及其完善

路曉亮　桑帥帥

【摘要】介紹了安鋼1780mm熱連軋精軋機(jī)組速度控制系統(tǒng)的基本原理和組成，闡述了PLC系統(tǒng)與交交變頻主傳動(dòng)系統(tǒng)之間通訊的具體實(shí)現(xiàn)，探討了在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中系統(tǒng)的不足，通過(guò)改進(jìn)和優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】熱連軋機(jī)；精軋區(qū)；自動(dòng)速度控制；現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

安鋼1780mm熱連軋精軋機(jī)組由7臺(tái)軋機(jī)組成，每臺(tái)軋機(jī)由一臺(tái)交流同步電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪分配箱驅(qū)動(dòng)上下兩支工作輥轉(zhuǎn)動(dòng)工作。由于是連續(xù)軋制，各機(jī)架間的速度匹配十分重要，這就要求速度控制要迅速、精確，否則將直接影響帶鋼質(zhì)量。精軋機(jī)組速度控制由PLC系統(tǒng)中的速度主令控制器下發(fā)給定，交交變頻主傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)。而該速度給定值又是由過(guò)程控制級(jí)（L2）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況下發(fā)的速度設(shè)定和AGC、活套以及操作工手動(dòng)調(diào)節(jié)等得到的速度調(diào)節(jié)值相結(jié)合而得到。

1.精軋機(jī)組速度控制的基本原理

在精軋機(jī)組的工作過(guò)程中，為保證軋制的穩(wěn)定性，要求帶鋼在機(jī)架間不堆、不拉，始終保持恒定小張力狀態(tài)。這就要求首先確定各機(jī)架速度之間的關(guān)系。

1.1秒流量平衡方程

在確定各機(jī)架速度時(shí)，最末機(jī)架的速度最為關(guān)鍵。根據(jù)軋制的工藝情況和設(shè)備情況，考慮到各機(jī)架的負(fù)荷分配和帶鋼的終軋溫度，過(guò)程控制級(jí)（L2）會(huì)確定各機(jī)架的出口厚度和F7出口帶鋼速度，并以此為標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)秒流量平衡方程反推其他各機(jī)架速度，將此速度做為基準(zhǔn)速度設(shè)定下發(fā)給基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)（L1）PLC執(zhí)行。

1.2精軋機(jī)組的速度調(diào)節(jié)量

2.精軋機(jī)組速度控制系統(tǒng)的組成

精軋速度控制系統(tǒng)主要由速度主令控制器、主傳動(dòng)系統(tǒng)以及速度采集和反饋元件組成。其中速度主令控制器是TMEIC公司提供的東芝Ｖ系列3000PLC，主傳動(dòng)系統(tǒng)為北京金自天正公司提供的大功率交交變頻器，使用的通訊網(wǎng)絡(luò)為Profibus-DP，速度采集和反饋元件為HUBNER增量式光電編碼器。

2.1速度主令控制器

精軋速度主令控制器位于精軋PLC室內(nèi)，是精軋區(qū)控制系統(tǒng)18個(gè)PLC機(jī)站之一，是速度控制的核心。該控制器為東芝V系列3000PLC，是與西門(mén)子S7-400PLC性能相近的大型PLC系統(tǒng)。主機(jī)架包括電源模板PS791S、擴(kuò)展通訊模板IF721、遠(yuǎn)程通訊緩存處理模板R3PU45A、TC-net網(wǎng)絡(luò)接口模板TN721、以太網(wǎng)接口模板EN751以及CPU模板S3PU55B。PLC系統(tǒng)各機(jī)站之間通過(guò)TC-net高速網(wǎng)絡(luò)連接，傳輸介質(zhì)是光纖。PLC與HMI操作界面工作站和配有V系列控制器編程軟件Vseries Engineering Tool2(簡(jiǎn)稱(chēng)Vtool2)的工程師站之間通過(guò)以太網(wǎng)連接，與傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)R3PU45A及下掛擴(kuò)展機(jī)架內(nèi)的Profibus通訊模板PF311連接。由于PLC和傳動(dòng)裝置相距較遠(yuǎn)，中間采用了光電轉(zhuǎn)換器，保證了通訊的及時(shí)和穩(wěn)定。

速度主令控制器的程序存儲(chǔ)和執(zhí)行、數(shù)據(jù)運(yùn)算等主要功能是通過(guò)CPU模板實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)在線(xiàn)編程軟件Vtool2，可以實(shí)時(shí)打開(kāi)其中正在運(yùn)行的程序，監(jiān)控相關(guān)數(shù)據(jù)，并可對(duì)程序進(jìn)行在線(xiàn)編輯和修改。Vtool2軟件功能強(qiáng)大，支持多種常見(jiàn)的編程語(yǔ)言，包括梯形圖、功能塊圖、順序功能圖等，并可以在一段程序中同時(shí)使用以上3種編程語(yǔ)言。在Vtool2中將整個(gè)控制功能分成一個(gè)個(gè)任務(wù)(Task)，任務(wù)又分成事件任務(wù)（EV）、超高速任務(wù)(SS)、中斷任務(wù)（IP）、高速任務(wù)（HS）、主要任務(wù)（MS）、后臺(tái)任務(wù)（BG）。依據(jù)控制任務(wù)的種類(lèi)和要求將相應(yīng)的控制程序?qū)懺诟鱾€(gè)任務(wù)區(qū)域。

速度控制的程序主要為HS和MS兩種，HS中的內(nèi)容主要為速度調(diào)節(jié)量計(jì)算和最終速度給定值合成以及速度沖擊補(bǔ)償和板坯跟蹤等要求快速響應(yīng)的程序。MS中的內(nèi)容主要為傳動(dòng)聯(lián)鎖、起停控制、模式選擇、保護(hù)和軋輥輥徑處理等速度要求一般的程序。

2.2主傳動(dòng)系統(tǒng)

由速度主令控制器下發(fā)的速度給定最終要靠主傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行來(lái)驅(qū)動(dòng)軋機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。1780線(xiàn)的主傳動(dòng)采用大功率凸極交流同步電動(dòng)機(jī)、全數(shù)字交交變頻矢量控制交流調(diào)速裝置。電機(jī)選用的是哈電成熟產(chǎn)品，調(diào)速裝置為金自天正公司提供，其使用的主傳動(dòng)控制器是西門(mén)子公司整柜SIMADYN D控制系統(tǒng)。

SIMADYN D系統(tǒng)完成對(duì)各機(jī)架電機(jī)的速度控制，包括同步電機(jī)矢量控制、電機(jī)啟?？刂坪碗姍C(jī)保護(hù)。其通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，與PLC系統(tǒng)緊密聯(lián)系在一起，并可通過(guò)下掛ET200站，采集電機(jī)機(jī)旁數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障顯示、診斷和保護(hù)。對(duì)于PLC下發(fā)的速度給定值，其通過(guò)復(fù)雜而精密的矢量運(yùn)算后，輸出晶閘管功率柜的觸發(fā)脈沖，通過(guò)晶閘管功率柜控制同步電機(jī)。

由于精軋7臺(tái)主傳動(dòng)電機(jī)功率不同：F1-F4為9000KW，F(xiàn)5、F6為8000KW，F(xiàn)7為7500KW。

F1-F4每臺(tái)電機(jī)調(diào)速裝置由9臺(tái)精軋管反并聯(lián)6脈沖功率柜組成，每臺(tái)功率柜內(nèi)裝12只晶閘管，F(xiàn)5-F7則各有6臺(tái)功率柜組成，每相少1臺(tái)。

2.3速度主令控制器與主傳動(dòng)系統(tǒng)間的通訊

PLC系統(tǒng)與主傳動(dòng)系統(tǒng)的通訊通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。在PLC端，擴(kuò)展機(jī)架上下掛有專(zhuān)用通訊模板PF311。通過(guò)專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)配置軟件Cycon，可對(duì)該模板進(jìn)行配置，定義通訊對(duì)象的地址、通訊字長(zhǎng)、內(nèi)容等。在主傳動(dòng)端SIMADYN D系統(tǒng)中的CS7通訊板上的SS52通訊子板負(fù)責(zé)完成與上位機(jī)的通訊。它們通過(guò)定義好的控制字和狀態(tài)字交互，實(shí)現(xiàn)速度控制信息的下發(fā)和反饋。

2.4速度采集和反饋元件

每臺(tái)電機(jī)軸上均安裝有一部增量式光電編碼器，負(fù)責(zé)測(cè)量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并將速度信息反饋給傳動(dòng)系統(tǒng)，便于傳動(dòng)系統(tǒng)完成速度自動(dòng)控制。由于PLC系統(tǒng)同時(shí)也要監(jiān)控和采集電機(jī)速度信號(hào)，編碼器的另一路輸出被直接引入PLC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了速度信號(hào)的雙系統(tǒng)監(jiān)控。為防止由于控制系統(tǒng)失效導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快，編碼器尾部還安裝有超速開(kāi)關(guān)，來(lái)實(shí)現(xiàn)超速保護(hù)。

3.速度控制系統(tǒng)的不足和完善

自投產(chǎn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)的檢驗(yàn)，精軋速度控制系統(tǒng)的某些方面還存在一些不足，主要存在于A(yíng)GC秒流量速度補(bǔ)償不穩(wěn)定、通訊網(wǎng)絡(luò)時(shí)有閃爍丟失現(xiàn)象、主傳動(dòng)系統(tǒng)功率器件性能不穩(wěn)定等。經(jīng)過(guò)努力完善和攻關(guān)，相關(guān)問(wèn)題得到了很好的解決。

（1）針對(duì)AGC秒流量速度補(bǔ)償過(guò)補(bǔ)，引起速度調(diào)節(jié)不穩(wěn)定，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩震蕩現(xiàn)象，科學(xué)合理的優(yōu)化了補(bǔ)償參數(shù)和限幅，使補(bǔ)償效果大大改善。

（2）針對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)短時(shí)閃爍，導(dǎo)致通訊丟失的問(wèn)題，適當(dāng)調(diào)整了網(wǎng)絡(luò)通訊速率，對(duì)系統(tǒng)中狀態(tài)監(jiān)控延時(shí)時(shí)間做適當(dāng)延長(zhǎng)，并對(duì)通訊線(xiàn)路的屏蔽和長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。

（3）針對(duì)主傳動(dòng)功率器件時(shí)有燒損的問(wèn)題，對(duì)傳動(dòng)功率柜室的溫、濕度進(jìn)行嚴(yán)格控制，定期檢測(cè)更換性能不穩(wěn)定的晶閘管，對(duì)觸發(fā)脈沖功放板定期檢測(cè)，防止因某柜內(nèi)晶閘管不導(dǎo)通，導(dǎo)致同相其他柜內(nèi)同位晶閘管過(guò)流。對(duì)關(guān)鍵位置晶閘管進(jìn)行換型，更換為進(jìn)口A(yíng)BB晶閘管。[科]