金偉,李香梅

（安徽馬鋼自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司，安徽馬鞍山243002）

板坯定位在馬鋼1580熱軋板坯庫中應(yīng)用

金偉,李香梅

（安徽馬鋼自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司，安徽馬鞍山243002）

介紹了馬鋼1580熱軋板坯庫區(qū)域中，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊軟硬件的基本配置；以及在沒有專門的實(shí)時(shí)測速裝置測量板坯的運(yùn)行速度情況下，采用PLC程序設(shè)計(jì)結(jié)合冷金屬檢測器（CMD）信號、傳動(dòng)裝置速度反饋為基準(zhǔn)的板坯自動(dòng)定位方案的實(shí)現(xiàn)方法。

板坯定位；自動(dòng)化系統(tǒng)；PLC；CMD

1 引言

馬鞍山鋼鐵股份有限公司在2007年投產(chǎn)550萬t2250熱軋板卷生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，新建第3臺高效雙流板坯連鑄機(jī)（以下簡稱3#連鑄機(jī)），設(shè)計(jì)年產(chǎn)合格坯230萬t。

1580熱軋板坯庫以3#連鑄機(jī)和板坯物流控制為設(shè)計(jì)對象，同時(shí)將與原2250熱軋生產(chǎn)線板坯庫系統(tǒng)在物流管理和板坯跟蹤上實(shí)現(xiàn)無縫對接，形成一個(gè)完整的管理系統(tǒng)，從而在三條連鑄機(jī)和兩條熱軋生產(chǎn)線之間，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的板坯輥道運(yùn)輸控制及板坯入庫、出庫及垛位管理。

1580板坯庫區(qū)域中，工藝及廠房布置決定了來自連鑄的板坯最多要經(jīng)過5個(gè)旋轉(zhuǎn)輥道才能送至加熱爐前。板坯庫作為連鑄與熱軋工序的紐帶與緩沖，隨著熱軋廠生產(chǎn)的順利進(jìn)行，產(chǎn)量不斷提高，對輥道上快速、準(zhǔn)確的板坯定位也提出更高要求。

輥道電機(jī)使用傳統(tǒng)的V/f開環(huán)控制，沒有專門的實(shí)時(shí)測速裝置測量板坯的運(yùn)行速度；基于上述條件，采用PLC程序設(shè)計(jì)結(jié)合冷金屬檢測裝置（CMD）信號、傳動(dòng)裝置速度反饋為基準(zhǔn)的定位方案。

2 系統(tǒng)配置

板坯庫系統(tǒng)全部由輥道構(gòu)成，共配置5條線，分別為F線輥道6組（連接3#連鑄機(jī)），G線輥道4組（連接3#火焰清理機(jī)），K線輥道2組（連接加熱爐入爐輥道），M線輥道2組（連接加熱爐出爐輥道）以及貫通F、G、K、M輥道組的H線輥道18組；物流路徑交叉多、跨度長。

庫區(qū)輥道布置示意如圖1。

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)配置

整條線輥道及旋轉(zhuǎn)電機(jī)（含加熱爐系統(tǒng)）共計(jì)606臺，總裝機(jī)容量9165 kW。根據(jù)工藝要求和傳動(dòng)裝置數(shù)量多的特點(diǎn)，電氣傳動(dòng)采用公用直流母線供電的變頻驅(qū)動(dòng)方式。

傳動(dòng)控制采用西門子的S120系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)，依據(jù)變壓器供電分為以下3個(gè)工藝段：a）變壓器4MCC-3裝機(jī)容量2500 KVA為2250工藝段；b）變壓器4MCC-2裝機(jī)容量2000 kVA為1580工藝段；c）變壓器4MCC-1裝機(jī)容量2000 kVA為加熱爐工藝段。

圖11580 熱軋板坯庫輥道布置示意

各工藝段均采用整流裝置并聯(lián)模式；母線側(cè)逆變單元的功率范圍在46～315 kW之間，共計(jì)：89臺逆變器。

各工藝段負(fù)載利用系數(shù)為0.6；采用能耗制動(dòng)方式，制動(dòng)系數(shù)取0.3；逆變單元選型原則以基準(zhǔn)負(fù)載電流為準(zhǔn)，300 s之內(nèi)允許60 s的150%負(fù)載；每個(gè)工藝段設(shè)置一個(gè)受電柜為整流單元柜供電，各工藝段設(shè)置獨(dú)立的控制電源提供電機(jī)風(fēng)機(jī)和抱閘電源。

2.2 基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)配置

1580板坯庫基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)主要由輥道PLC、輥道操作員站HMI、2250板坯庫操作員站HMI和全局系統(tǒng)工程師站構(gòu)成。整個(gè)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)通過光纖介質(zhì)與連鑄系統(tǒng)、加熱爐系統(tǒng)和板坯庫管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和輥道操作控制，高速的網(wǎng)絡(luò)配置滿足了從連鑄到加熱爐以及庫管系統(tǒng)的快速高效的自動(dòng)化運(yùn)行。

系統(tǒng)選用SIEMENS S7 416系列PLC，遠(yuǎn)程IO站及電氣傳動(dòng)裝置采用基于PROFIBUS協(xié)議的現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通訊。操作實(shí)現(xiàn)三地模式：a）現(xiàn)場操作箱就地操作，適用于檢修、卡鋼等生產(chǎn)異常情況；b）操作臺配備SIEMENS KP32F HMI操作面板，操作員可根據(jù)生產(chǎn)情況靈活控制多組輥道前進(jìn)、后退及旋轉(zhuǎn)；c）計(jì)算機(jī)操作員站使用SIEMES WinCC 7.0可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)多人并行操作。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2。

2.3 冷金屬檢測器（CMD）

板坯庫輥道屬于開放式輥道，板坯理論溫度不低于800℃，現(xiàn)場使用的冷金屬傳感器是輥道自動(dòng)化系統(tǒng)的重要配置部件，輥道的運(yùn)行以及自動(dòng)化運(yùn)輸都將依靠該測點(diǎn)的檢測作為判斷依據(jù)。

整個(gè)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)布置了冷金屬檢測器（CMD）83套，用于檢測板坯位置。在每組輥道的起始點(diǎn)、終止點(diǎn)及中間位置分別設(shè)置一套CMD，兩個(gè)檢測器的間距在4.5～10.5 m不等。

2.4 相關(guān)軟件

基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)控制軟件選用SIEMENS Step7 5.5，人機(jī)界面（HMI）使用SIEMENS WinCC 7.0開發(fā)完成。板坯庫管理系統(tǒng)軟件為自主開發(fā)，基于Windows Server 2010操作系統(tǒng)平臺，使用Oracle 10G的數(shù)據(jù)庫，開發(fā)語言為C#4.0。與PLC通訊支持軟件包為Kepware OPC Server，防毒軟件為Trend服務(wù)版。

3 板坯自動(dòng)定位方案

3.1 概述

圖1中所示旋轉(zhuǎn)輥道如H4等，其有效長度僅為10.5 m；而來自連鑄機(jī)的板坯50%以上的長度接近旋轉(zhuǎn)輥道有效長度。板坯自動(dòng)定位不準(zhǔn)確將直接導(dǎo)致板坯在輥道上旋轉(zhuǎn)時(shí)會刮蹭側(cè)擋板，造成安全隱患、影響生產(chǎn)節(jié)奏。

圖21580 熱軋板坯庫網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

傳統(tǒng)定位方案中，在需要板坯精確定位的應(yīng)用場合都會設(shè)置能夠準(zhǔn)確測算板坯運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)測速裝置，如安裝有高分辨率編碼器的測速輥。本文中所涉及的所有輥道并未安裝此類設(shè)備，同時(shí)傳動(dòng)的速度反饋并不精確，不能單以此作為板坯位置的計(jì)算依據(jù)。由于現(xiàn)場每組輥道均設(shè)置了3套冷金屬檢測器（CMD）用來判斷板坯位置；但因檢測器間距過大（4.5～10.5 m），也不能獨(dú)自作為板坯定位依據(jù)。

基于上述條件，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算和試驗(yàn)，采用PLC程序設(shè)計(jì)結(jié)合冷金屬檢測裝置（CMD）信號、傳動(dòng)裝置速度反饋為基準(zhǔn)的板坯自動(dòng)定位方案。

3.2 定位原理

3.2.1 速度反饋修正Vaf

傳動(dòng)系統(tǒng)采用了V/f開環(huán)控制；速度給定Vs，它的速度反饋Va并不準(zhǔn)確，因此需要對速度Va進(jìn)行修正（Vaf）。每組輥道設(shè)置3套冷金屬檢測器（CMD），分別定義為C1(輥道起始點(diǎn)CMD)、C2（輥道中間位CMD）、C3（輥道終點(diǎn)CMD），修正后的速度反饋Vaf計(jì)算公式如下：

其中：Va變頻器速度反饋,（m/s）；

Vaf為修正后的變頻器速度反饋,（m/s）；

t為PLC掃描周期時(shí)間，（s）；

n為板坯頭部經(jīng)過C1到達(dá)C2時(shí)，PLC掃描周期計(jì)數(shù)；

S1為C1與C2的間距；

fx設(shè)為速度修正系數(shù)。

上面的式子簡化為：

板坯勻速前進(jìn)時(shí)的位移Sa可以表示為：

其中:Vaf為修正后的速度反饋；

t為PLC掃描周期時(shí)間，（s）；

Na為板坯勻速前進(jìn)時(shí)，板坯頭部經(jīng)過輥道上任意兩點(diǎn)間PLC掃描周期計(jì)數(shù)。

3.2.2 勻變速距離計(jì)算

板坯由給定速度Vs到V0期間的位移（勻變速距離），這個(gè)階段板坯運(yùn)動(dòng)可以看作是勻變速過程。在S120傳動(dòng)上有斜坡加、減速時(shí)間的設(shè)定，其加減速斜率kx是固定的。板坯從給定速度Vs，在速度斜率kx下到速度V0時(shí)發(fā)生的位移可以描述為：

結(jié)合上面的速度修正系數(shù)后，實(shí)際的勻變速距離計(jì)算公式：

其中：kx=Vmax衣tdec

Vmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)對應(yīng)的輥道線速度；tdec為斜坡時(shí)間設(shè)定；

Vs為當(dāng)前變頻器速度反饋；

V0為變頻器速度設(shè)定；

Vs≠V0；

fx為速度修正系數(shù)，詳見式(2)。

3.3 定位方案

涉及到定位的基本條件有兩個(gè)：1）板坯在勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移Sa；2）板坯變速（包括加速和減速）過程中的位移SS?；谶@兩個(gè)條件給出的板坯在輥道上運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的位移Sdist計(jì)算公式：

當(dāng)位移Sdist大于板坯長度Lroll且小于輥道長度Lslab時(shí)，定位是滿足要求的。

3.3.1 計(jì)算速度修正系數(shù)fx

當(dāng)PLC系統(tǒng)檢測到C1點(diǎn)的冷金屬檢測器有鋼信號上升沿FP1時(shí)，開始計(jì)算板坯位移SC1-C2；在板坯頭部經(jīng)過C2點(diǎn)觸發(fā)第二個(gè)上升FP2沿時(shí)結(jié)束位移計(jì)算，并以此確定速度修正系數(shù)fx。

默認(rèn)情況下，板坯從C1運(yùn)動(dòng)到C2期間會保持勻速運(yùn)動(dòng)。但現(xiàn)場拍下急?；蚱渌馔馇闆r發(fā)生也會導(dǎo)致板坯在C1與C2點(diǎn)間停止，綜合上述情況位移SC1-C2的計(jì)算公式描述如下：

其他參數(shù)說明詳見式(1)和(2)。

3.3.2 計(jì)算停止位置

板坯在輥道上停止時(shí)的理想定位是兩者的中心線重合。當(dāng)PLC檢測到FP2的同時(shí)，開始計(jì)算板坯的中心線與輥道中心線的差值，以此確定板坯停止的位置。換算后，表達(dá)式如下：

其中：Sa參考式(4)中定義；

SS0參考式(6)中的定義，此時(shí)V0=0；

Lroll為輥道組的長度；

Lslab為板坯長度。

4 結(jié)束語

馬鋼1580熱軋板坯庫的板坯定位方案經(jīng)過半年的生產(chǎn)運(yùn)行考驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，定位誤差在以內(nèi)；定位失敗率控制在3‰以下，完全滿足生產(chǎn)需求。相較于傳統(tǒng)的定位方式，新方案節(jié)約了硬件、人工維護(hù)成本，大大減少了因傳動(dòng)系統(tǒng)頻繁制動(dòng)造成能源消耗，為公司節(jié)能增效提供有力支持。

[1]謝斌,張晨.2250熱軋板坯庫自動(dòng)化控制系統(tǒng)[J].冶金動(dòng)力,2010(2).

Application of Slab Positioning System in the Storage yard of MaSteel 1580 Hot-rolled Slabs

JIN Wei,LI Xiangmei
（The Automation and Information technology Co.,Ltd.of Masteel,Maanshan,Anhui 243002,China）

The basic configuration of electrical drive system,basic automation system and industrial network communication software and hardware in the storage yard of Masteel 1580 hot-rolled slabs is introduced.In the absence of a dedicated real-time speed measuring device to measure the running speed of slabs,a slab automatic positioning system by using PLC program design combined with cold metal detector(CMD)signal and transmission speed feedback was accomplished.

slab positioning;automation system;PLC;CMD

TG335

B

1006-6764（2014）09-0068-04

201405-21

金偉(1981-)，男，漢，安徽馬鞍山人，在讀工程碩士，助理工程師，從事計(jì)算機(jī)控制及相關(guān)技術(shù)研究開發(fā)工作。