杜雪飛,何大進,馮紅超

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司 自動化事業(yè)部,重慶 400013)

1 引言

某熱軋廠投產(chǎn)多年,曾經(jīng)進行一些局部改造,但其機械設備精度不高,電氣設備老化,備件采購極為困難,產(chǎn)品性能指標(厚度、板形等)已經(jīng)不能滿足目前用戶的需求,急需進行大修綜合改造。自2008年底至2009年初,該熱軋廠全線停產(chǎn)大修改造,涉及加熱爐、粗軋區(qū)、精軋區(qū)、卷取區(qū)、水處理設施、現(xiàn)場整治等近40個項目,采用了目前國際先進、可靠、實用的新技術(shù)、新工藝,全面提升工藝裝備水平和自動化水平。本文對該熱軋廠精軋機換輥自動化系統(tǒng)改造進行闡述,介紹其改造內(nèi)容、硬件配置、軟件配置,分析了軟件程序,并與以前工程的精軋機換輥控制系統(tǒng)進行比較。

2 換輥介紹

熱軋軋制過程中,為避免軋輥表面磨損和龜裂,影響帶鋼產(chǎn)品表面質(zhì)量,需要在軋制1800～2400 t后,更換工作輥[1]。對部分熱軋廠來說,每天精軋機換輥次數(shù)高達10～12次[2]。提高精軋機換輥控制水平,降低換輥時間,有助于提高生產(chǎn)率,為生產(chǎn)廠帶來可觀的效益。

一般而言,工作輥換輥分為自動換輥、半自動換輥和手動換輥。其中,自動換輥和半自動換輥對檢測元件(如位移傳感器、電機編碼器、接近開關等)要求很高。熱軋現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣,高溫、水汽、振動、鐵屑,極易造成傳感器(特別是接近開關)損壞,也會造成檢測精度不高,帶來誤動作,造成設備損失、人身傷害,檢測元件的維護要求很高。因此,這次換輥改造,工作輥換輥采用手動模式,預留自動換輥功能接口。支撐輥換輥涉及到行車吊運軋輥,均采用手動換輥模式。換輥工藝可參見文獻[3]。

3 系統(tǒng)配置

3.1 改造內(nèi)容

原換輥系統(tǒng)采用西門子S5-115控制器,共7套,一個精軋機換輥系統(tǒng)一套。改造時,考慮系統(tǒng)過多維護不便、以及功能擴展需要,采用一套西門子TDC控制器。

由于F1～F3改為CVC輥,增加彎輥、竄輥功能,原換輥系統(tǒng)推拉桿直流傳動系統(tǒng)精度達不到換輥要求,改為交流傳動,采用西門子SIMOVERT MASTERDRIVE VC6SE70系列變頻器。

取消以前換輥設備采用的繼電邏輯控制電路,如換輥小車控制、極限短接/斷開等,利用PLC來完成這部分功能,可減少空間、降低成本、提升自動化水平。

3.2 硬件配置

這次改造,精軋機換輥PLC采用SIMATIC TDC,I/O模板為 SM500;遠程 I/O站采用ET200M和ET200S,I/O模板配有SM321(32點DI),SM322(32點DO),SM332(4點AO),SM131(4點 DI)和 SM132(4點 DO);自動化系統(tǒng)配置見圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件配置圖Fig.1 System hardware configuration chart

換輥系統(tǒng)的DI信號有:極限開關,操作臺手柄、按鈕輸入,傳動反饋信號等;DO信號有:閥輸出,按鈕指示燈,傳動運行指令等;AI信號有:支承輥平衡缸壓力傳感器,推拉桿速度反饋等;AO信號有:工作輥推拉桿電流表,電動壓下的位置顯示,推拉桿傳動速度給定,轉(zhuǎn)盤傳動速度給定等。

控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)模板CP51M1與網(wǎng)絡交換機相連,與換輥 HMI服務器、精軋軋線TDC、精軋液壓 PLC通訊;通過 Profibus DP/MPI模板CP50M1與遠程I/O站通訊。

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3.3 軟件配置

系統(tǒng)采用的軟件為:SIMATIC Step 7(V5.4,SP4),CFC(V6.1,SP1),WinCC開發(fā)版(V6.2),D7-SYS Function Block Generator(V2.1,SP2)。

4 程序設計

根據(jù)換輥設備和操作流程,精軋機換輥控制采用標準化程序設計,分為4個部分:系統(tǒng)輸入、系統(tǒng)設置、F1～F7換輥程序和系統(tǒng)輸出,并按功能模塊和控制類型的不同,分別控制,具體如圖2所示。

圖2 精軋機換輥控制程序框圖Fig.2 Program structure chart of finishing mill roll changing

4.1 軋鋼PLC控制設備

精軋換輥涉及部分軋鋼PLC控制的設備,有電動壓下、液壓壓下、主傳動、竄輥、彎輥、活套和側(cè)導板。為節(jié)約換輥時間、明確功能劃分,系統(tǒng)對此進行協(xié)調(diào)處理。正常停軋換輥時,軋線PLC在末機架拋鋼后,依次完成壓下卸荷、電動壓下到190 mm換輥位、竄輥到換輥位、活套抬起、扁頭對中。故障處理或手動換輥過程中,操作人員在操作臺可手動對前面提到的軋線PLC控制設備進行操作,但需注意現(xiàn)場觀察,避免誤動作造成人員傷害或設備損壞,特別是操作主傳動。

4.2 工作輥推拉桿

為滿足CVC竄輥需求,工作輥推拉桿控制要求定位精確(±3 mm),同時又要求動作迅速,以提高換輥效率。

推拉桿檢測元件采用拉線式位移傳感器、電機編碼器和旋轉(zhuǎn)極限,可在HMI畫面上進行選擇。正常工況下,通過位移傳感器檢測推拉桿運行位置,并輔以電機編碼器進行速度閉環(huán)控制,實現(xiàn)推拉桿的快速速度響應和精確定位。當位移傳感器有故障時,可選擇旋轉(zhuǎn)極限來定位,以便換輥的順利進行。同時,可利用旋轉(zhuǎn)極限進行推拉桿極限位置保護,避免設備損壞。

根據(jù)控制要求,工作輥推拉桿的行走速度分為高速、中速和低速,設有加速區(qū)和減速區(qū)。維護人員可在TDC的參數(shù)設置功能塊中設置速度參數(shù)和定位位置,具體的速度和位置關系如圖3所示。

圖3 工作輥推拉桿速度和位置關系圖Fig.3 The relation between work roll ram speed and position

5 系統(tǒng)比較

這個項目是改造工程,機械設備和操作規(guī)程與以前新建工程項目有所不同。另外,這次換輥系統(tǒng)對硬件配置、軟件程序和HMI畫面進行了優(yōu)化處理。下面進行具體分析。

5.1 系統(tǒng)硬件配置

1)本系統(tǒng)只包括手動換輥,即沒有SFC自動換輥部分。這樣,單機架的換輥程序負荷有所降低,同時優(yōu)化程序,采用1塊CPU實現(xiàn)F1～F7精軋機換輥功能,CPU負荷為67%。與以前類似項目相比[3],CPU數(shù)量由3個減為1個,降低成本。

2)考慮精軋機上的極限開關較多,在軋機頂上設有ET200S遠程I/O站,每個精軋機有一個機上極限遠程I/O站。這樣,接線更方便,減少因線路問題影響換輥,也便于維護。

3)與軋鋼PLC相比,換輥控制系統(tǒng)對通訊實時性要求沒有那么高,所以與軋線TDC的通訊采用以太網(wǎng)通訊方式,而不使用GDM通訊。這樣,可減少1塊CP52A0通訊模板,降低成本。

5.2 換輥操作臺

根據(jù)機械設備和操作流程,重新設計換輥操作臺。操作臺臺面布置如下:左側(cè)為換輥通用指示燈/手柄/按鈕,中間為工作輥換輥設備指示燈/手柄/按鈕和支承輥換輥設備指示燈/手柄/按鈕,右側(cè)為換輥小車指示燈/手柄/按鈕。并且,按換輥設備動作的先后順序,從上到下、從左至右依次排列換輥設備指示燈/手柄/按鈕。這樣,換輥操作臺布置合理、功能劃分清楚、操作方便,有助于提高換輥效率。

5.3 通訊

通訊對CPU的負荷占用率較高。同以前類似項目相比[3],該系統(tǒng)只有1塊CPU,減少了CPU之間的通訊,降低CPU負荷。

Profibus通訊的掃描周期較快,該系統(tǒng)與軋線TDC、精軋液壓PLC、HMI客戶機之間通過以太網(wǎng)通訊,掃描周期為256 ms,降低CPU負荷。

5.4 接近開關控制

在以前控制系統(tǒng)基礎上,完善接近開關控制功能塊LS_MAN[3]。操作人員強制接近開關信號時,根據(jù)閥輸出命令,LS_MAN功能塊自動判斷是短接極限還是極限斷開,并且按閥動作方向(方向1:設備駛向接近開關,即接近開關應有信號;方向2:設備駛離接近開關,即接近開關應無信號),給出接近開關故障信息和強制信息。

另外,由于熱軋現(xiàn)場環(huán)境惡劣:高溫、水汽、振動、鐵屑等,接近開關容易損壞或誤動作。除根據(jù)系統(tǒng)報警信息維護接近開關外,可學習寶鋼1580 mm熱軋廠的經(jīng)驗[2],根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境將接近開關分類劃分,定期更換。這樣,就盡量避免因為接近開關故障耽誤換輥時間,提高勞動生產(chǎn)率。

5.5 HMI畫面

這次改造對換輥HMI畫面進行優(yōu)化:整體布置緊湊、簡潔、功能齊全、操作方便。主畫面為F1～F7精軋機換輥通用信息,包括:操作臺集中信號,各機架的換輥模式、聯(lián)鎖指示、傳動狀態(tài)(轉(zhuǎn)盤、推拉桿和換輥小車)。各機架換輥畫面與現(xiàn)場操作臺保持一致,這樣維護人員可遠程監(jiān)控現(xiàn)場操作情況。

HMI上列出操作臺上機械聯(lián)鎖、極限聯(lián)鎖、電磁閥聯(lián)鎖和手柄聯(lián)鎖指示的具體信息,以及極限短接/斷開的操作和信息顯示。另外,HMI還自動記錄換輥操作臺上手柄/按鈕操作、畫面控制操作、以及報警信息,并提供查詢功能,有助于維護人員開展維護工作,分析故障原因。

6 結(jié)束語

這次熱軋廠精軋機換輥自動化系統(tǒng)改造,采用西門子SIMAT IC TDC控制器、SIMOVERT MASTERDRIVES變頻器、ET200M 和ET200S遠程站、WinCC人機界面和現(xiàn)場操作臺。并根據(jù)設備情況和操作規(guī)范,對控制系統(tǒng)優(yōu)化處理,具有以下特點:操作臺設計簡明實用,操作方便;程序優(yōu)化,CPU負荷適中,留有功能擴展空間;標準化設計,維護性高;HMI畫面功能齊全,簡潔好看。該系統(tǒng)自2009年3月投入運行以來,工作穩(wěn)定,換輥效率高,滿足生產(chǎn)廠的改造要求。

[1]熱軋帶鋼精軋工作輥使用技術(shù)要求[EB/O L].2009-05-06.http://www.agzg.com.cn/main/jssm.htm.

[2]詹世明,程曉鳴,胡學雄.換輥傳感器預防性維修模型及最優(yōu)維修周期[J].設備管理與維修,2006(12):13-14.

[3]杜雪飛,吳俊杰,黃開林.精軋機換輥控制系統(tǒng)與優(yōu)化[J].冶金自動化,2008(S1):108-111.