熱軋帶鋼中精軋區(qū)基礎(chǔ)級自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用

閔海斌（陜西鋼鐵集團漢中鋼鐵有限公司，陜西 漢中 724200）

李養(yǎng)利（西北工業(yè)集團資本經(jīng)營部，陜西 西安 710043）

霍福來（陜西鋼鐵集團漢中鋼鐵有限公司，陜西 漢中 724200）

當前，鋼鐵行業(yè)處于“黑色裂變”時期，國內(nèi)帶鋼近期需求空間大和銷售價格走勢好等因素，迫使一些鋼鐵公司由一些單一的建材生產(chǎn)線進行轉(zhuǎn)型，在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上只做少量的投資可形成帶鋼生產(chǎn)線，以應(yīng)對市場風險，達到創(chuàng)效增效目的，從而實現(xiàn)效益最大化。生產(chǎn)線能否順行和產(chǎn)品質(zhì)量是否合格至關(guān)重要，作為關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)之一的軋區(qū)基礎(chǔ)自動化控制及活套自動控制顯得尤為重要，現(xiàn)介紹某鋼鐵公司改造后的帶鋼生產(chǎn)線軋區(qū)自動控制及活套自動控制系統(tǒng)。

1 生產(chǎn)線工藝

某鋼鐵公司熱軋帶鋼生產(chǎn)線中精軋區(qū)共設(shè)2立7平共9架軋機，中軋前設(shè)一臺飛剪用于切頭、切尾和事故碎斷；軋件在中軋機組中設(shè)有六個電動活套實現(xiàn)無張力活套軋制，軋件經(jīng)卷取、輸出輥道、打包收集后，吊運入庫。產(chǎn)品規(guī)格是帶寬145-208mm,帶厚2.1-3.25mm的熱軋帶鋼。精軋機的出口速度最大12m/s，卷取機速度為14m/s。

圖1 帶鋼軋制示意圖

2 系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)

軋區(qū)電氣傳動系統(tǒng)采用西門子公司全數(shù)字直流調(diào)速裝置6RA70 SIMOREG DC MASTER控制系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)采用西門子PLC S7系列。以下針對精軋區(qū)基礎(chǔ)級自動控制系統(tǒng)作詳細介紹。

本套系統(tǒng)由高性能穩(wěn)定的工業(yè)控制計算機，西門子S7可編程序控制器（PLC）構(gòu)成，輔以全分布式網(wǎng)絡(luò)，CPU選用416-2DP，帶有2個Profibus-DP接口。Profibus網(wǎng)是一種實時、開放性的工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，其傳輸速率采用1.5Mb/s，對于現(xiàn)場控制設(shè)備采用ET200M分布式遠程I/O站，可完成過程信號采集、轉(zhuǎn)換功能，其強大的通信能力和高速的運轉(zhuǎn)速度保證了執(zhí)行程序的快速性。PLC通過Profibus-DP網(wǎng)與遠程I/O站及交流調(diào)速傳動之間交換指令，完成自動控制功能。

人機操作及監(jiān)控（HMI）采用“快速以太冗余技術(shù)”的工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為100Mb/s，能夠在300ms內(nèi)快速實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，保證系統(tǒng)的可靠性，減少了設(shè)備的停機時間，實現(xiàn)人機接口與PLC之間的信息交換。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用上位機，PLC一級控制系統(tǒng)和兩層通信網(wǎng)絡(luò)。人機接口監(jiān)控系統(tǒng)操作站及工程師站主機采用工控機，在主操作臺(MCT)設(shè)有操作員工作站，操作員站作為整個系統(tǒng)的人機界面，通過EtherNet網(wǎng)對現(xiàn)場設(shè)備進行過程監(jiān)控，主要實現(xiàn)基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的人機信息交換功能，采用西門子Wincc V6.2畫面監(jiān)控軟件。Wincc能實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)動態(tài)顯示，包括：所有工藝參數(shù)的預(yù)設(shè)定及修改；軋制程序表的建立、修改、存儲、調(diào)用、上裝及下載；設(shè)定與反饋轉(zhuǎn)速、力矩等信號的歷史趨勢記錄；各種故障(事故停車)的報警顯示、記錄及打??；軋制狀態(tài)顯示畫面；在線幫助畫面等功能。

PLC采用西門子S7-400系列產(chǎn)品，CPU選用414-2DP，帶有PROFIBU-DP接口，現(xiàn)場控制設(shè)備采用ET200M分布式遠程I/O站，其強大的通信能力和高速的運轉(zhuǎn)速度保證了執(zhí)行程序的快速性。PLC通過PROFIBUS-DP網(wǎng)與遠程I/O站及直流調(diào)速傳動之間進行交換指令，實現(xiàn)控制要求。

3 二級自動化網(wǎng)絡(luò)

該系統(tǒng)共設(shè)二級網(wǎng)絡(luò)，其中PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)又分為兩路，為了確保調(diào)節(jié)柜有快速響應(yīng)，以適應(yīng)活套閉環(huán)和微張力控制時，各調(diào)節(jié)柜之間的大量數(shù)據(jù)傳送，將主軋機和活套的調(diào)節(jié)柜聯(lián)入PROFIBUS-DP（傳動）網(wǎng)；對于操作臺控制因傳送數(shù)據(jù)較小故通過PROFIBUS-DP（遠程站）網(wǎng)傳輸；上位機的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控通過工業(yè)以太網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)傳輸；其控制級依次增高。

第1層由TCP/IP以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，進行數(shù)據(jù)傳遞、信號聯(lián)絡(luò)和通訊實現(xiàn)人機接口與PLC之間的信息交換，以太網(wǎng)采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)，主干網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)采用光纖，支線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)采用雙絞線，以保證以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)目煽啃?，該網(wǎng)絡(luò)通訊速率高（100Mbps）且抗干擾性能強。

第2層由2路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，分別是PLC遠程站之間的PROFIBUSDP網(wǎng)，PLC與調(diào)速傳動系統(tǒng)（6RA70）之間的PROFIBUS-DP網(wǎng)。PROFIBUS網(wǎng)是一種實時、開放性工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點數(shù)量可靈活組態(tài)，網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸速率為1.5Mbps，最多可帶32個工作站，采用雙絞屏蔽電纜連接，PLC與傳動間的各種控制信號和狀態(tài)信息都可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

4 主要控制功能及實現(xiàn)方式

中精軋機主要控制功能包括軋機主傳動速度控制（單調(diào)增減速、聯(lián)調(diào)增減速、微調(diào)增減速、正反轉(zhuǎn)、停機等）、活套跟隨軋機主傳動實現(xiàn)自動起落套及套高閉環(huán)控制，各傳動設(shè)備運行連鎖等。

中精軋機控制的關(guān)鍵是軋機的速度控制和活套控制。

4.1 速度控制

中精軋機的速度控制是以成品機架—末機架為基準機架，保持其速度不變，并作為基準速度設(shè)定，其前面機架速度根據(jù)金屬秒流量相等的原理，自動按比例設(shè)定，即

式中，hi為第i機架的出口軋件厚度，i=1,2…,n; vi為第i機架帶鋼出口線速度。

圖2 軋區(qū)控制系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成圖

由于存在前滑，實際帶鋼速度vi與軋輥速度v0i的關(guān)系為:

Vi=（1+ fi）v0i

式中，fi為機架前滑值。

當軋制道次改變時速度的變化，速度給定按照工藝提供的軋制參數(shù)表的原則進行。軋制前，軋機首先按照軋制參數(shù)表中所設(shè)定的速度運行，軋機軋輥檢測到鋼坯（電流變化）時，軋機通過補償軋機咬鋼跌轉(zhuǎn)?n來保證鋼帶頭部的速度變化，通過傳動系統(tǒng)的恢復(fù)時間和人工干預(yù)調(diào)節(jié)量，自動加速到軋制速度，當前一機架檢測到無鋼信號后，延時使后機架減速并發(fā)出落套指令，以防活套拋鋼。卷取機的速度要與精軋末架軋機速度匹配，通過畫面進行設(shè)定，一般卷取機的速度設(shè)定為比末架軋機速度高10%～20%。

4.2 活套控制

在軋制過程中，因動態(tài)咬鋼速降及穩(wěn)定軋制階段總存在各種外部干擾，各機架之間速度匹配關(guān)系發(fā)生了變化，為了避免堆鋼、拉鋼現(xiàn)象，因此通過設(shè)置活套來實現(xiàn)機架之間速度的匹配，熱軋機架間共設(shè)6個電動活套，電動活套作為大貫性環(huán)節(jié)，活套控制系統(tǒng)采用直流調(diào)速6RA70裝置，其動態(tài)響應(yīng)快、分辨率高，分辨率為0.00～650.00s，通過直流電機拖動。生產(chǎn)過程中，若連軋過程中套量過大，容易產(chǎn)生迭軋堆尾或甩尾拍擊軋輥等情況，套量過小，產(chǎn)生拉鋼軋制，產(chǎn)生質(zhì)量事故?；钐灼鹇涮卓刂疲捎酶鶕?jù)軋機咬鋼電流信號自動進行控制，活套控制系統(tǒng)用張力控制，電機輸出電流穩(wěn)定，才能保證活套張力維持在恒定的水平，所以，通過6RA70調(diào)速裝置系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)整，直接把給定加在電流環(huán)直接作用于輸出。給定信號必須要有起套、落套、張力投入三個。

4.2.1 活套的控制方式

結(jié)合工藝要求和現(xiàn)場實際將活套設(shè)為三種控制方式，便于操作臺操作。

（1）手動方式：手動起、落套，張力恒定，活套不閉環(huán)控制，目的在于生產(chǎn)前進行試活套動作是否可靠。

（2）半自動方式：手動起、落套，張力恒定，活套閉環(huán)控制，目的在生產(chǎn)過程中自動控制活套效果不好時可進行手動干預(yù)活套控制。

（3）自動方式：自動起、落套，張力恒定，活套閉環(huán)控制，目的不需要人工操作和干預(yù)能自動實現(xiàn)預(yù)期的活套控制。

4.2.2 對活套的動態(tài)性能的要求

活套支撐器的一個周期是由起套、恒張力軋制和落套三個階段組成。對于帶鋼熱連軋生產(chǎn)工藝要求活套起套落套可靠迅速，為此就需要活套支撐器具有良好的動態(tài)性能。

（1）起套要求：根據(jù)熱金屬檢測器有鋼信號或主軋機的咬鋼電流，系統(tǒng)通過上位機預(yù)期設(shè)定的活套高度，利用PROFIBUSDP網(wǎng)傳到活套6RA70調(diào)速裝置力矩控制命令，實現(xiàn)活套臂從機械位角起套，起套過程必須迅速，工藝要求起套在0.5秒鐘內(nèi)完成，否則，就會影響成品帶鋼的質(zhì)量。

（2）恒微張力控制要求：當活套起套后，通過很短時間的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)，活套輥與帶鋼之間無機械上的剛性接觸，相互的“軟接觸”是依靠活套電機所產(chǎn)生的力矩來調(diào)節(jié)上升下降得以實現(xiàn)，使活套輥穩(wěn)定在給定的活套高度位置上。

（3）落套要求：當帶鋼離開上游機架后，通過計算落套延時進行落套，工藝要求落套在1秒鐘左右完成，活套輥可靠降到機械零位，以免碰到帶鋼引起堆鋼事故。

4.2.3 活套的工作原理

熱軋帶鋼中精軋區(qū)有6個電動活套，為了滿足生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量需要，保證恒定微張力軋制要求，采用活套閉環(huán)調(diào)節(jié)和速度級聯(lián)系統(tǒng)來完成。機架間活套示意圖如圖3所示。

圖3 機架間活套示意圖

其中：θ為活套輥的擺角；0θ為活套輥在軋制水平線高度時活套輥擺角；L為帶鋼與上游軋機的水平夾角；α為帶鋼與下游軋機的水平夾角；β為相鄰兩軋機間的距離；L1為第i機架的中心線與活套軸中心的距離；L3為活套支撐器支點到軋制水平線的高度；R為活套支撐器的臂長；r為活套輥的半徑。

4.2.4 活套套量的計算

對于活套套量的計算采用如下公式：

式中K為 由L1,R,L,L3和r所決定的常數(shù)。

在實際應(yīng)用中，由于不同軋機機架需確定不同的K值，同時增加了調(diào)試難度，為此考慮到活套輥基本位于兩架軋機的中間位置，于是得出：

本廠采用此方法對活套套量進行計算，調(diào)試方便，且更能滿足活套高度控制系統(tǒng)的計算公式，由此計算活套誤差是0.2%，完全滿足生產(chǎn)要求。

4.2.5 活套高度控制

活套控制的關(guān)鍵是套高閉環(huán)控制，套高閉環(huán)控制與軋機速度有關(guān)，活套的實際位置檢測通過安裝在活套電機軸上的位置編碼器取得。套高閉環(huán)控制就是通過檢測活套器的實際位置，并與設(shè)定值進行比較，若有差值，調(diào)節(jié)上游機架的速度，使得套量保持在設(shè)定范圍內(nèi)?；钐赘叨瓤刂频年P(guān)鍵是起套和落套控制。起套時，活套起的太早或太快，會導(dǎo)致帶鋼頭部厚度和寬度變薄變窄。當活套發(fā)出起套指令時，且活套臂上升的角度為達到預(yù)設(shè)定值的70%時，活套的速度設(shè)定為100%，轉(zhuǎn)矩限幅為最大允許值；當檢測到活套角度大70%時，活套的速度設(shè)定改為15%，張力控制投入保證活套在起套時對帶鋼的沖擊減小。落套時，如果活套落的太早或太晚，會導(dǎo)致帶尾變厚和甩尾現(xiàn)象。為此在控制中采用了收小套控制，即在帶尾離開前一機架時，降低活套高度設(shè)定值，從而減少機架間的套量，使活套在帶鋼離開機架前較快地落到初始位置。

5 應(yīng)用效果

本系統(tǒng)于自投產(chǎn)運行以來，運行狀態(tài)穩(wěn)定可靠，大大降低了設(shè)備事故。同時，由于自動化控制精度高、活套控制精準，使產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)品大幅度提高，贏得了市場份額，取得了競爭優(yōu)勢，為企業(yè)取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

[1]熊新民. 自動控制原理與系統(tǒng)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2003.

[2]廖常初. S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005.

[3]劉玠, 楊衛(wèi)東, 劉文仲. 熱軋生產(chǎn)自動化技術(shù)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2006.

[4]孫一康. 帶鋼熱連軋的模型與控制[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2002.

[5]張殿華. 熱帶鋼熱連軋活套和張力的智能模型控制[D]. 沈陽: 東北大學, 2003.

[6]汪世彬. 帶鋼熱連軋電動活套自動控制[J]. 軋鋼, 2000, 017 (004) : 51.