高速線材軋機(jī)自動控制系統(tǒng)控制要點(diǎn)分析

高速線材軋機(jī)控制系統(tǒng)控制要點(diǎn)分析何小書（北京二十一世紀(jì)科技發(fā)展有限公司100096）高速線材軋機(jī)控制系統(tǒng)控制要點(diǎn)分析何小書（北京二十一世紀(jì)科技發(fā)展有限公司100096）[摘要]本文探討了高速線材軋機(jī)自動控制系統(tǒng)的組成架構(gòu)和控制要點(diǎn)，通過實際項目應(yīng)用分析和工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)計獲得的數(shù)據(jù)印證了理論分析的正確性。[關(guān)鍵詞]：金屬秒流量控制、動態(tài)速降和負(fù)載分配控制、旋轉(zhuǎn)飛剪控制、十二脈沖串聯(lián)調(diào)速系統(tǒng)、工業(yè)現(xiàn)場總線應(yīng)用、物料跟蹤和數(shù)據(jù)監(jiān)控引言：2006年11月，我公司與伊朗納坦茲鋼鐵公司簽訂了該廠RM3高速線材熱軋機(jī)組自動控制系統(tǒng)項目改造合同。我公司為其提供全線電氣控制系統(tǒng)全部控制柜、操作臺、PLC系統(tǒng)和上位監(jiān)控系統(tǒng)。該項目從設(shè)計制造到調(diào)試驗收歷時四年，通過項目工作積累了大量寶貴經(jīng)驗和詳盡數(shù)據(jù)。在此，我將對項目中的控制要點(diǎn)逐一分析，并提出相關(guān)的控制觀念。高速線材軋機(jī)機(jī)組的組成架構(gòu)和控制流程如下：1、冷態(tài)鋼坯推入步進(jìn)式加熱爐，在爐內(nèi)充分加熱，溫度升至攝氏900～1050度并推入粗軋機(jī)入口輥道；2、鋼坯由導(dǎo)衛(wèi)裝置導(dǎo)入粗軋機(jī)，經(jīng)8機(jī)架粗軋機(jī)軋制后切頭尾進(jìn)入中軋機(jī)；3、鋼坯經(jīng)中軋機(jī)8架軋制后由導(dǎo)衛(wèi)裝置導(dǎo)入1#或2#線中精軋機(jī)，期間為消除機(jī)組間張力推出1號活套；4、鋼坯經(jīng)中精軋機(jī)軋制后經(jīng)2#活套進(jìn)入終軋機(jī)；5、終軋機(jī)軋制完成后經(jīng)水冷卻線進(jìn)入吐絲機(jī)，吐出成品盤條，經(jīng)風(fēng)冷輥道進(jìn)入成品儲運(yùn)系統(tǒng)；6、盤條經(jīng)成品儲運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)入打包機(jī)，經(jīng)打包和成品標(biāo)識形成最終成品并進(jìn)入成品庫。高速線材軋機(jī)電氣控制系統(tǒng)根據(jù)功能劃分包括以下幾部分：直流調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)、交流調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)、輔助電機(jī)控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、人機(jī)操作界面、上位監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)區(qū)域劃分可分為粗中軋段、精軋吐絲段、成品儲運(yùn)和打包段、液壓/潤滑/水處理輔助段?？偪刂乒穸噙_(dá)80余面，操作臺箱30余臺，全部設(shè)計圖紙超過3000張。為保證控制實時性和規(guī)?？煽匦?，將全線設(shè)備按區(qū)域劃分三組，即粗中軋段、精軋吐絲段、成品儲運(yùn)和打包段，將液壓/潤滑/水處理部分根據(jù)區(qū)域劃入上述三段。每個區(qū)段由一臺SIEMENSS7-400PLC控制，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場通訊總線控制管理所屬的交直流電機(jī)驅(qū)動器、遠(yuǎn)程I/O和人機(jī)操作界面。三臺PLC之間通過另一個高速PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)交換實時數(shù)據(jù)。上位監(jiān)控系統(tǒng)計算機(jī)、遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)終端、數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師監(jiān)控站和區(qū)段PLC通過有線和無線工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)交換工藝和監(jiān)控數(shù)據(jù)。局部需要高速實時控制的設(shè)備，如旋轉(zhuǎn)飛剪、活套檢測控制等由SIEMENSS7-200小型高速PLC就地控制完成。下圖1為精軋吐絲段通訊架構(gòu)。圖1：精軋吐絲段PLC架構(gòu)傳統(tǒng)的大型控制系統(tǒng)一般采用集中控制模式，所有控制任務(wù)由主控PLC完成并下發(fā)，而在本項目中由于系統(tǒng)規(guī)模巨大（交直流調(diào)速傳動點(diǎn)60余個，數(shù)字量I/O超過6000點(diǎn)，模擬量I/O超過400路），采用這種模式會嚴(yán)重影響控制品質(zhì)。面臨大量復(fù)雜的控制任務(wù)，通過合理的分解控制任務(wù)，使得各組成部分完成本區(qū)域負(fù)責(zé)的任務(wù)，既減輕了主控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)又提高了程序運(yùn)行效率?；跇?biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計和編程架構(gòu)，有效降低了調(diào)試工作量。具體控制方案實施中，針對本控制系統(tǒng)的控制重點(diǎn)和難點(diǎn)，特列出幾個典型的控制任務(wù)，并逐一分析。★金屬秒流量控制。在多機(jī)架連軋機(jī)的控制實踐中，各機(jī)架的速度分配是至關(guān)重要的，如果機(jī)架速度分配不準(zhǔn)將嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至造成拉鋼、堆鋼等嚴(yán)重后果，輕者造成產(chǎn)品報廢，重則損毀軋機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p失。為了合理分配各架速度，提出了金屬秒流量控制算法。在鋼坯軋制過程中，為避免堆鋼和拉鋼，要求單位時間內(nèi)通過每一機(jī)架的金屬量相同，及金屬秒流量相同。因此，各機(jī)架的軋制速度存在一個固定的比例關(guān)系使之滿足如下公式： 式中Ai第i架軋機(jī)的軋件橫截面面積(m2);Vi第i架軋機(jī)的軋制速度(m/s);而式中ni第i架軋機(jī)的軋輥轉(zhuǎn)速(r/min);Dki第i架軋機(jī)的軋輥工作直徑;基于此關(guān)系，有各機(jī)架孔型確定后，根據(jù)所用軋輥直徑計算工作直徑，依據(jù)上式可得出各機(jī)架的軋輥轉(zhuǎn)速，再考慮減速比折算到電機(jī)控制器控制轉(zhuǎn)速。由于軋機(jī)生產(chǎn)過程中產(chǎn)品規(guī)格的調(diào)整，需要成批量計算此類數(shù)據(jù)，而同一規(guī)格穩(wěn)定軋制過程中級聯(lián)速度系數(shù)又是不變的，因此在PLC系統(tǒng)中計算需要大量占用系統(tǒng)資源，為解決這一問題，我們將上述計算根據(jù)工藝規(guī)格建立數(shù)據(jù)庫，在上位監(jiān)控系統(tǒng)中完成。根據(jù)規(guī)格變化及時下發(fā)至PLC系統(tǒng)，這樣既解決了控制精度又避免了控制資源占用?！飫討B(tài)速降和負(fù)載分配控制。根據(jù)金屬秒流量理論，PLC將速度控制目標(biāo)下發(fā)到各機(jī)架電機(jī)驅(qū)動器，由其對電機(jī)進(jìn)行控制，理論上能夠達(dá)到控制要求。但是，直流系統(tǒng)的控制精度和信號擾動也會影響到控制品質(zhì)。特別是在軋件進(jìn)入軋機(jī)的瞬間，電機(jī)由空載狀態(tài)直接進(jìn)入滿載狀態(tài)會產(chǎn)生一定的動態(tài)速降，從而造成堆鋼，如不加補(bǔ)償也會造成軋制故障。由于PLC系統(tǒng)負(fù)擔(dān)和現(xiàn)場總線的通訊延時，使得PLC系統(tǒng)的整體響應(yīng)時間大于20ms，為保證控制品質(zhì)，我們選用英國CT公司出品的MP系列直流電機(jī)驅(qū)動器?；谠摽刂破鲀?nèi)置的高級編程功能，我們實現(xiàn)了一旦檢測到負(fù)載突增就給電機(jī)疊加短時速度補(bǔ)償，從而保證了動態(tài)速降不會造成負(fù)面影響。由于輥型、磨損、鋼坯狀態(tài)等因素的綜合影響，往往理論計算中得出的機(jī)架速度分配系數(shù)并不完全準(zhǔn)確。通過在線實時監(jiān)測連續(xù)軋制過程中各機(jī)架的負(fù)載電流，對各機(jī)架的速度級聯(lián)關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)控制精度。精確調(diào)整后的級聯(lián)系數(shù)由上位監(jiān)控系統(tǒng)采集并更新數(shù)據(jù)庫內(nèi)的既有數(shù)據(jù)，并反推出相關(guān)級聯(lián)關(guān)系，保證了新規(guī)格數(shù)據(jù)下發(fā)的精確性。同時，通過反饋數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)的比較，差異較大的機(jī)架會發(fā)出報警，可有效提供機(jī)械設(shè)備保養(yǎng)和維護(hù)的預(yù)警信息?！镄D(zhuǎn)飛剪控制。在各組軋機(jī)入口處分別設(shè)置了三組旋轉(zhuǎn)飛剪，用于切頭、切尾和事故碎斷控制。在軋件進(jìn)入成組軋機(jī)之前，需要對料頭進(jìn)行剪切以利于咬鋼，在軋件尾部同樣需要切尾以保證料尾安全。此外，當(dāng)軋線部分設(shè)備出現(xiàn)機(jī)械或電氣故障時全線事故停車過程中要把還在線上的軋件迅速碎斷，以免軋件冷卻后無法處理。因此，對旋轉(zhuǎn)飛剪的安全控制和實時響應(yīng)就至關(guān)重要。傳統(tǒng)的做法是由主控PLC上的熱金屬檢測信號控制剪切動作，由于通訊延遲或通訊干擾，時有不穩(wěn)定的情況或誤動作。即使動作正確，由于通訊延遲，為保證可靠性也會造成切頭、切尾過長而造成產(chǎn)品成品率的下降。為此，我們在本項目中大膽采用局部控制模式，選用多臺西門子S7-200小型高速PLC對每個旋轉(zhuǎn)飛剪單獨(dú)控制，響應(yīng)速度大為提高，雖然增加了系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試的復(fù)雜性但可靠性極好。同時，經(jīng)反復(fù)優(yōu)化，在保證安全的前提下盡可能縮短剪切的料頭料尾。經(jīng)實際測算僅此一項就將全線總體成品率提高了1.5%，為用戶創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益?！锸}沖串聯(lián)調(diào)速系統(tǒng)。本項目是基于既有設(shè)備改造，原有電機(jī)保留，因此必須基于既有電機(jī)選擇驅(qū)動器。由于系統(tǒng)中有8臺直流電機(jī)的額定電壓達(dá)到1100VDC，額定電流1600A，常規(guī)驅(qū)動器無法滿足控制要求，如采用非標(biāo)設(shè)計又將大大增加系統(tǒng)造價。為此，我們選用十二脈沖串聯(lián)控制模式解決了這一棘手問題。采用十二脈沖串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每臺裝置都是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，不存在特殊訂貨問題，且型號與線上其他機(jī)架軋機(jī)裝置型號完全相同，便于用戶備件管理和利用。同時，十二脈沖串聯(lián)采用雙付邊整流變壓器，兩付邊相差為30度，在解決最高電機(jī)電壓問題的同時，基于12脈波整流技術(shù)又可大為降低整流裝置對電網(wǎng)的高次諧波干擾，起到了一舉兩得的效果。下表為傳統(tǒng)六脈沖整流和十二脈沖整流電流高次諧波分量的比較。諧波電流典型值下表可見采用12脈沖整流系統(tǒng)，5次和7次諧波明顯消除.諧波6脈沖整流諧波分量%12脈沖整流諧波分量%5270.376.50.75118.912.2134.52.6175.3*193.3*233.74.5252.62.2292.9*312.2*352.33.1371.82411.9*431.6*471.62.2491.51.6 表中*表示該分量遠(yuǎn)小于1%下圖為十二相串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2：十二相串聯(lián)結(jié)構(gòu)圖在十二脈沖串聯(lián)系統(tǒng)中，主機(jī)作為主控單元直接給出相差30度的第二組觸發(fā)脈沖直接控制從機(jī)可控硅的導(dǎo)通。因此在這種模式下必須對主從機(jī)的相序做嚴(yán)格界定，主機(jī)電源各相必須超前從機(jī)相應(yīng)相30度，并且主機(jī)L1必須超前L2，L2必須超前L3。此外還需對換向安全做一些限制?！颬ROFIBUS-DP現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)。PROFIBUS-DP是PROFIBUS過程現(xiàn)場總線協(xié)議的底層結(jié)構(gòu)。PROFIBUS-DP被設(shè)計用于傳感器及驅(qū)動器級的高速數(shù)據(jù)傳送，最高傳輸速度為12Mbit/s，在本項目中，由于通訊站點(diǎn)較多且距離較長為保證通訊可靠性采用1.5Mbit/s的通訊速率。在這一級，控制器如可編程控制器（PLC）通過高速串行線同分散的外設(shè)交換數(shù)據(jù)。同這些分散外設(shè)的數(shù)據(jù)交換是周期進(jìn)行的。主控制器讀取從設(shè)備的輸入信息并發(fā)回輸出信息。PROFIBUS-DP的特點(diǎn)如下：（1）分布式結(jié)構(gòu)PROFIBUS-DP使用SUB-D9芯插頭，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為兩端帶有終端電阻的總線結(jié)構(gòu)，在不加中繼器的情況下至多可連接32個站點(diǎn)，使用中繼器后，至多可連接126個站點(diǎn)。（2）遠(yuǎn)距離高速通信交換速度快，通信速率最高可達(dá)12Mbit/s，通信介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纜，PROFIBUS-DP的實時性較強(qiáng)，數(shù)據(jù)通信速率12Mb/s時傳輸距離可達(dá)100m，還可通過中繼器加長。對于一個32站點(diǎn)的分布系統(tǒng)，對所有站點(diǎn)發(fā)送512bit的數(shù)據(jù)在12Mbit/s時只需2ms。（3）故障診斷功能經(jīng)過擴(kuò)展的PROFIBUS-DP的診斷功能能夠?qū)υO(shè)備故障快速定位。診斷信息在網(wǎng)絡(luò)上傳輸并由主站收集。診斷功能包括：本站診斷操作如電壓過低等，模塊診斷操作顯示某一個I/O模塊故障，通道診斷操作顯示某一個單獨(dú)的I/O位故障。（4）安裝簡便由于采用RS-485傳輸技術(shù)，只需要鋪設(shè)屏蔽雙絞線無須其他專門知識?？偩€結(jié)構(gòu)使得一個站點(diǎn)的裝載和卸載不影響其他站點(diǎn)。另外，它允許分步驟安裝系統(tǒng)，后期安裝的站點(diǎn)不會對前期安裝的系統(tǒng)造成妨礙。（5）開放型工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS-DP采用開放型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，符合PROFIBUS開放式通信系統(tǒng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)公布了網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議的所有規(guī)范，根據(jù)這些規(guī)范設(shè)計的接口，不同設(shè)備可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。在本項目應(yīng)用中，主控PLC為西門子S7-400從站包括CT公司MP直流驅(qū)動器、SP交流驅(qū)動器、ET200M遠(yuǎn)程I/O、MP277人機(jī)操作界面、TP177小型操作界面、ET200S模塊化I/O、S7-200智能從站等不同廠家、不同類型的設(shè)備。采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，實時性強(qiáng)但也具有一定的使用局限性。比如存在與單個站點(diǎn)交換數(shù)據(jù)不能超過224字節(jié)，采用非周期傳輸模式時，網(wǎng)絡(luò)通信效率不高等問題。為此，當(dāng)PLC需要與上位監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生大量數(shù)據(jù)交換時，就需要工業(yè)以太網(wǎng)。本項目中，在每個主PLC機(jī)架中都配置了一塊CP443-1工業(yè)以太網(wǎng)卡，上位機(jī)和數(shù)據(jù)服務(wù)器等也都加裝了工業(yè)以太網(wǎng)板卡。區(qū)別于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)可靠性更強(qiáng)，實時數(shù)據(jù)交換更快。同時，通過CP443-1間接訪問PLC的CPU也可降低PLC的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，提高PLC的運(yùn)行效率?！镂锪细櫤蛿?shù)據(jù)監(jiān)控。為了保證產(chǎn)成品質(zhì)量和工廠信息化管理的需要，要對全線主要控制設(shè)備實施監(jiān)控。為此，在上位監(jiān)控系統(tǒng)中采用了西門子公司W(wǎng)INCC監(jiān)控軟件。為保證大量實時數(shù)據(jù)的記錄和管理，全線構(gòu)筑了高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)。上網(wǎng)主要設(shè)備包括兩臺冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器、現(xiàn)場操作室三臺用戶數(shù)據(jù)終端、現(xiàn)場電控室兩臺工程師維護(hù)終端、全線三臺主PLC、現(xiàn)場均布的六臺無線接入網(wǎng)關(guān)、兩臺移動編程器和一臺可接入internet的維護(hù)服務(wù)器。具體功能劃分如下：三臺主PLC作為被控對象接受監(jiān)控系統(tǒng)的控制并上傳實時運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；兩臺冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器運(yùn)行WINCC服務(wù)器軟件，獲取并保存PLC的數(shù)據(jù)；現(xiàn)場操作室數(shù)據(jù)終端用于監(jiān)視全線生產(chǎn)狀況并下發(fā)關(guān)鍵控制數(shù)據(jù)，如機(jī)架間速度級聯(lián)系數(shù)等；電控室工程師維護(hù)終端主要用于系統(tǒng)維護(hù)和PLC程序修改；利用無線接入網(wǎng)關(guān)，可使用移動編程器在設(shè)備就近觀察控制效果和調(diào)整控制參數(shù)，由于設(shè)備規(guī)模龐大，僅機(jī)組總長就超過700米，這種工作模式大大提高了現(xiàn)場調(diào)試進(jìn)度和并明顯縮短了突發(fā)問題的處理時間，有效保證了設(shè)備開工率；由于項目現(xiàn)場遠(yuǎn)在伊朗NATANZ，通過可接入internet的服務(wù)器，我們可以遠(yuǎn)程快速進(jìn)入控制系統(tǒng)，為遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)提供了有力的技術(shù)保證。在數(shù)據(jù)采集和保障的基礎(chǔ)上，完善了物料跟蹤系統(tǒng)，每一根鋼坯在進(jìn)入步進(jìn)式加熱爐時就提供了唯一編號，利用物料跟蹤系統(tǒng)可實時反映每一根鋼坯從加熱到成品盤條的全過程，容量足夠大的數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器可記錄兩年內(nèi)每一根鋼坯的生產(chǎn)情況。這樣，當(dāng)產(chǎn)品在最終用戶手中出現(xiàn)質(zhì)量問題可一直追溯到鋼坯連鑄環(huán)節(jié)，這就為全面質(zhì)量管理和質(zhì)量控制提供了完善的數(shù)據(jù)保障。當(dāng)然，構(gòu)建這一物料跟蹤系統(tǒng)代價也很高昂，僅硬件成本增加就超過10萬美元。結(jié)束語：伊朗高速線材軋機(jī)項目從項目論證、架構(gòu)設(shè)計到最終調(diào)試完成歷時4年，通過主持這個項目的技術(shù)工作，我