鍍鋅線自動控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

佟明飛

（河鋼唐鋼微爾自動化有限公司，河北 唐山 063000）

近些年來，我國陸續(xù)建成了多條現(xiàn)代化的冷軋連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線，隨著鋼鐵冶軋技術(shù)及其自動化程度的不斷提高，國內(nèi)外市場對汽車板家電板質(zhì)量(如帶鋼的板形、機械性能和表面質(zhì)量等)的要求也日益嚴(yán)格，連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線將冷軋帶鋼進(jìn)行鍍鋅處理，穩(wěn)定的張力速度控制以及與加熱爐溫度的協(xié)調(diào)控制，以及后續(xù)的光整機、拉矯機、鈍化設(shè)備控制，對產(chǎn)品質(zhì)量控制有著很大的影響。因此，掌握鍍鋅控制核心技術(shù)，優(yōu)化控制效果，不僅有利于培養(yǎng)高素質(zhì)的企業(yè)科技人才，增強企業(yè)的科技創(chuàng)新能力，更能夠為國家節(jié)省外匯、為企業(yè)節(jié)約大量資金投入，創(chuàng)造具有高附加值的產(chǎn)品，增強產(chǎn)品的市場競爭力。

1 鍍鋅線自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成

連續(xù)熱鍍鋅機組自動化系統(tǒng)龐大、復(fù)雜、IO點數(shù)超過1萬點,PLC和HMI系統(tǒng)內(nèi)部變量達(dá)數(shù)十萬個，通過現(xiàn)場總線連接的變頻調(diào)速裝置超過150臺，機組工藝邏輯、速度、張力等被控量要求精度高、反應(yīng)快，機電一體品種多、接口多。在自動化系統(tǒng)的設(shè)計、編程、調(diào)試中均需考慮各種技術(shù)問題進(jìn)行程序架構(gòu)。

控制系統(tǒng)采用SIMATIC PCS7軟件平臺，使用CFC、SFC、STL作為編程語言。整個生產(chǎn)線共采用6套PLC控制系統(tǒng)、73臺遠(yuǎn)程站，系統(tǒng)硬件配置采用西門子公司的PCS7控制系統(tǒng)，選用S7-400/ET200控制器，變頻器、編碼器采用Profibus與控制器通訊，采用兩級計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)對各子系統(tǒng)工藝生產(chǎn)線的自動控制、全面監(jiān)控。系統(tǒng)采用服務(wù)器、客戶端的方式，模塊化的編程方式，便于維護(hù)和管理。

本系統(tǒng)工程包括以下工作內(nèi)容：自動化系統(tǒng)設(shè)計；與復(fù)雜的第三方子系統(tǒng)(如拆帶機、焊機、電解整流器、交流調(diào)壓器、退火爐、氣刀、鋅鍋、鋅層測厚儀、鈍化軟熔、表面檢測儀、測寬儀、測厚儀、涂油機、打包機、全線CPC及EPC等)的接口方案；物料跟蹤與焊縫位置跟蹤；設(shè)定值管理與分配；速度主令控制；傳動補償測試與計算、電機轉(zhuǎn)矩控制；精確的張力控制；機組協(xié)調(diào)控制與操作運轉(zhuǎn)方案；輔助儀表控制（清洗段、鍍后冷卻段、濕光整、鈍化等)；HMI系統(tǒng)；L2計算機功能如鋼卷信息、統(tǒng)計報表等。

系統(tǒng)配置和功能分配根據(jù)機組的特點和控制任務(wù)的需要，自動化系統(tǒng)配置如下：

(1)入口段PLC：配置3個CPU，分別負(fù)責(zé)入口段邏輯順控（SSFN）、全線協(xié)調(diào)（LCON）、主斜坡控制（MRGN）及相關(guān)傳動控制任務(wù)，并完成與拆帶機、焊機、入口段CPC的接口工作；

(2)中間段PLC：配置3個CPU，分別負(fù)責(zé)中間段邏輯順控（SSFP）、全線協(xié)調(diào)（LCOP）、主斜坡控制（MRGP）及相關(guān)傳動控制任務(wù)，并完成與清洗段電解整流器、退火爐、氣刀、鋅鍋、鋅層測厚儀、鈍化軟熔、表面檢測儀、中間段CPC等的接口工作；

(3)光整機PLC：共配置2個CPU，包括換輥控制（RCH）和板形測量（FLC），完成光整機液壓輥縫控制、彎輥控制、濕光整系統(tǒng)、快速換輥、軋制線調(diào)整和板形控制等任務(wù)，使帶鋼出光整機后具有更好的板形。

(4)出口段PLC：配置3個CPU，分別負(fù)責(zé)出口段邏輯順控（SSFX）、全線協(xié)調(diào)（LCOX）、主斜坡控制（MRGX）及相關(guān)傳動控制任務(wù)，并完成表面檢測儀、測寬儀、測厚儀、涂油機、打包機、出口段CPC及EPC等的接口工作；

(5)物料跟蹤系統(tǒng)MTR：設(shè)置1個PLC，負(fù)責(zé)全線鋼卷信息跟蹤、全線焊縫位置和距離跟蹤及與L2的接口工作；

(6)急停控制系統(tǒng)E-STOP：負(fù)責(zé)全線急停操作按鈕和安全門的使用和控制；

(7)HMI系統(tǒng)：由于系統(tǒng)過于龐大，設(shè)置2個服務(wù)器，通過分別設(shè)置在入口、中間、光整機、出口操作室和入口、出口電氣室的多個客戶端，供不同區(qū)域的工作人員同時使用；

(8)L2計算機系統(tǒng):設(shè)置1套服務(wù)器，并在入口、中間、出口操作室和電氣室分別設(shè)置操作終端，完成鋼卷信息、生產(chǎn)計劃要求、報表打印、稱重、成品標(biāo)簽打印等任務(wù)；以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)：在入口、出口電氣室和4個操作室分別設(shè)置以太網(wǎng)交換機，以光纜作為網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊傳輸數(shù)據(jù)；

(9)Profibus-DP通訊網(wǎng)絡(luò)：通過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊后，在現(xiàn)場經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊（OLM）轉(zhuǎn)換成DP紫纜，將現(xiàn)場多個設(shè)備和遠(yuǎn)程I/O柜聯(lián)系在一起，實現(xiàn)現(xiàn)場穩(wěn)定快速的近距離通訊。

限于篇幅,沒有詳細(xì)展示出各組S7-400PLC的具體配置和名稱及遠(yuǎn)程站檢測元器件等。

2 鍍鋅線自動控制系統(tǒng)的架構(gòu)

本套控制系統(tǒng)程序架構(gòu)，采用橫向縱向程序區(qū)分，橫向把程序分為入口段、工藝段、出口段?？v向?qū)γ總€段程序進(jìn)行功能劃分SSF（順序控制）、LCO（產(chǎn)線協(xié)調(diào)）、MRG（主斜坡控制）、E-STOP（急停系統(tǒng)）、MTR（帶鋼跟蹤）和HMI（人機界面）。下面對本控制系統(tǒng)中涉及到的主要模塊化編程內(nèi)容進(jìn)行分別介紹。

2.1 SSF （順序控制模塊）

順序控制模塊包含兩大部分，第一部分是所有的支持系統(tǒng)，例如：液壓輔助系統(tǒng)，入口出口鋼卷運輸系統(tǒng)，入口段、工藝段、出口段其他移動功能和接口功能等等。第二部分是所有的順序控制，例如：鋼卷運輸順控、測寬測徑順控、自動卸卷順控等。這種全層次的順序控制結(jié)構(gòu)保證了維修人員的高可用性。LCO發(fā)送給SSF不同功能的啟動信號（S7協(xié)議在機架內(nèi)部通訊），SSF接收到指令后，在滿足運行及啟動聯(lián)鎖后執(zhí)行相應(yīng)控制功能，并把執(zhí)行結(jié)果反饋給LCO。所有的控制功能同樣可以通過按鈕和操作面板使用手動操作實現(xiàn)。

2.2 LCO （產(chǎn)線協(xié)調(diào)模塊）

產(chǎn)線協(xié)調(diào)模塊是每一個區(qū)域（入口段，工藝段，出口段）的主控程序。它提供不同的操作方式來控制整個產(chǎn)線，并確保所有的工作以適當(dāng)和協(xié)調(diào)的方式進(jìn)行。根據(jù)不同的操作模式，可通過HMI或本地操作臺進(jìn)行干預(yù)，修正設(shè)定值的分配以及上下線的運行選擇。LCO的主要控制功能如下：

（1）協(xié)調(diào)操作模式（運行，停止，保持等）。

（2）聯(lián)鎖邏輯和切換帶鋼傳動功能（傳動啟停，傳動點動）。

（3）通過帶鋼跟蹤和操作人員干預(yù)控制MRG功能。

（4）控制所有需要協(xié)調(diào)的移動設(shè)備，包括壓輥，穿帶導(dǎo)板，水平輥等。

（5）控制帶鋼穿帶、焊接，飛剪自動剪切等功能。

（6）初始化和帶鋼定位監(jiān)測，及線上點動操作。

（7）提供與其他PLC的接口支持功能，與HMI之間的接口等。

2.3 MRG （主斜坡控制模塊）

主斜坡控制模塊主要實現(xiàn)全線電機傳動控制以及張力控制。MRG與LCO相接，控制產(chǎn)線帶鋼的傳送，MRG計算速度和加減速斜坡發(fā)送給傳動，速度設(shè)定取決于不同的操作模式、速度參數(shù)、加速和點動設(shè)定。MRG的主要控制功能如下：

（1）傳動電機的協(xié)調(diào)控制。

（2）為帶鋼傳動設(shè)備提供速度設(shè)定。

（3）線速度主斜坡設(shè)定。

（4）穿帶甩尾控制，自動降速功能。

（5）張力控制、活套控制

鍍鋅生產(chǎn)線的張力控制主要兩種方法，間接張力控制和直接張力控制。

間接張力控制時，根據(jù)帶鋼的信息結(jié)合張力計算公式要求的張力設(shè)定值轉(zhuǎn)換適當(dāng)?shù)碾姍C轉(zhuǎn)矩，作為轉(zhuǎn)矩限幅值發(fā)送給傳動裝置，因此傳動裝置工作在轉(zhuǎn)矩控制方式。帶鋼張力通過轉(zhuǎn)矩限幅值來調(diào)節(jié)，它沒有實際帶鋼張力的反饋，也沒有控制器來修正轉(zhuǎn)矩限幅值的偏差。在鍍鋅生產(chǎn)線中，開卷機、卷取機、中間活套和個別張力輥工作在開環(huán)張力控制的方式下。

直接張力控制需要有一個張力測量設(shè)備，因此對于每一張力區(qū)域，閉環(huán)張力控制要安裝張力計。張力控制器計算實際帶鋼張力和參考張力的偏差。從這個偏差產(chǎn)生一個修正值，提供給傳動裝置，去消除實際帶鋼張力的偏差。在鍍鋅生產(chǎn)線中，入口、出口活套和大部分張力輥都工作在閉環(huán)張力控制的方式下。

3 結(jié)語

本套控制系統(tǒng)已經(jīng)在唐鋼二冷軋5#連續(xù)熱鍍鋅線投入使用，并熱試成功，實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。目前，該產(chǎn)線已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，產(chǎn)品合格率高、生產(chǎn)效率高，期間完成海爾鋼的生產(chǎn)，質(zhì)量完全達(dá)到國標(biāo)要求。報警程序，能夠?qū)﹄[患提前預(yù)警，防止事故發(fā)生。HMI系統(tǒng)輔以故障診斷程序，能夠準(zhǔn)確指出問題點，方便維護(hù)人員在不查看程序的情況下，對故障的判斷并及時處理，保證生產(chǎn)正常運行。系統(tǒng)投入運行以來，控制精度高，穩(wěn)定可靠，功能完善，監(jiān)控操作靈活方便，自動化程度高，大大節(jié)省了操作時間，提高了生產(chǎn)效率，同時也減少了操作人員的勞動強度。

[1]張計風(fēng).熱鍍鋅工藝自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].河北工業(yè)大學(xué),2011.

[2]王嘉偉.冷軋帶鋼非對稱板形調(diào)控方法的研究[D].燕山大學(xué)，2015.