閔海斌（陜西鋼鐵集團(tuán)漢中鋼鐵有限公司，陜西 漢中 724200）

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

霍福來（陜西鋼鐵集團(tuán)漢中鋼鐵有限公司，陜西 漢中 724200）

當(dāng)前，鋼鐵行業(yè)處于“黑色裂變”時(shí)期，國內(nèi)帶鋼近期需求空間大和銷售價(jià)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(jìn)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(duì)市場風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到創(chuàng)效增效目的，從而實(shí)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(dòng)化控制及活套自動(dòng)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(dòng)控制及活套自動(dòng)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(jī)，中軋前設(shè)一臺(tái)飛剪用于切頭、切尾和事故碎斷；軋件在中軋機(jī)組中設(shè)有六個(gè)電動(dòng)活套實(shí)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(yùn)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(jī)的出口速度最大12m/s，卷取機(jī)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(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)采用西門子PLC S7系列。以下針對(duì)精軋區(qū)基礎(chǔ)級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)作詳細(xì)介紹。

本套系統(tǒng)由高性能穩(wěn)定的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，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(gè)Profibus-DP接口。Profibus網(wǎng)是一種實(shí)時(shí)、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(duì)于現(xiàn)場控制設(shè)備采用ET200M分布式遠(yuǎn)程I/O站，可完成過程信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換功能，其強(qiáng)大的通信能力和高速的運(yùn)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(yuǎn)程I/O站及交流調(diào)速傳動(dòng)之間交換指令，完成自動(dòng)控制功能。

人機(jī)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(shí)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(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口與PLC之間的信息交換。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用上位機(jī)，PLC一級(jí)控制系統(tǒng)和兩層通信網(wǎng)絡(luò)。人機(jī)接口監(jiān)控系統(tǒng)操作站及工程師站主機(jī)采用工控機(jī)，在主操作臺(tái)(MCT)設(shè)有操作員工作站，操作員站作為整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)界面，通過EtherNet網(wǎng)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行過程監(jiān)控，主要實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的人機(jī)信息交換功能，采用西門子Wincc V6.2畫面監(jiān)控軟件。Wincc能實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)動(dòng)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(chǔ)、調(diào)用、上裝及下載；設(shè)定與反饋轉(zhuǎn)速、力矩等信號(hào)的歷史趨勢記錄；各種故障(事故停車)的報(bào)警顯示、記錄及打?。卉堉茽顟B(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(yuǎn)程I/O站，其強(qiáng)大的通信能力和高速的運(yùn)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(yuǎn)程I/O站及直流調(diào)速傳動(dòng)之間進(jìn)行交換指令，實(shí)現(xiàn)控制要求。

3 二級(jí)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)

該系統(tǒng)共設(shè)二級(jí)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(shí)，各調(diào)節(jié)柜之間的大量數(shù)據(jù)傳送，將主軋機(jī)和活套的調(diào)節(jié)柜聯(lián)入PROFIBUS-DP（傳動(dòng)）網(wǎng)；對(duì)于操作臺(tái)控制因傳送數(shù)據(jù)較小故通過PROFIBUS-DP（遠(yuǎn)程站）網(wǎng)傳輸；上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸；其控制級(jí)依次增高。

第1層由TCP/IP以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞、信號(hào)聯(lián)絡(luò)和通訊實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口與PLC之間的信息交換，以太網(wǎng)采用總線型拓?fù)浣Y(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)目煽啃裕摼W(wǎng)絡(luò)通訊速率高（100Mbps）且抗干擾性能強(qiáng)。

第2層由2路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，分別是PLC遠(yuǎn)程站之間的PROFIBUSDP網(wǎng)，PLC與調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)（6RA70）之間的PROFIBUS-DP網(wǎng)。PROFIBUS網(wǎng)是一種實(shí)時(shí)、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(diǎn)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(gè)工作站，采用雙絞屏蔽電纜連接，PLC與傳動(dòng)間的各種控制信號(hào)和狀態(tài)信息都可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

4 主要控制功能及實(shí)現(xiàn)方式

中精軋機(jī)主要控制功能包括軋機(jī)主傳動(dòng)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(jī)等）、活套跟隨軋機(jī)主傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起落套及套高閉環(huán)控制，各傳動(dòng)設(shè)備運(yùn)行連鎖等。

中精軋機(jī)控制的關(guān)鍵是軋機(jī)的速度控制和活套控制。

4.1 速度控制

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

式中，hi為第i機(jī)架的出口軋件厚度，i=1,2…,n; vi為第i機(jī)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(shí)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(jī)架前滑值。

當(dāng)軋制道次改變時(shí)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(jìn)行。軋制前，軋機(jī)首先按照軋制參數(shù)表中所設(shè)定的速度運(yùn)行，軋機(jī)軋輥檢測到鋼坯（電流變化）時(shí)，軋機(jī)通過補(bǔ)償軋機(jī)咬鋼跌轉(zhuǎn)?n來保證鋼帶頭部的速度變化，通過傳動(dòng)系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間和人工干預(yù)調(diào)節(jié)量，自動(dòng)加速到軋制速度，當(dāng)前一機(jī)架檢測到無鋼信號(hào)后，延時(shí)使后機(jī)架減速并發(fā)出落套指令，以防活套拋鋼。卷取機(jī)的速度要與精軋末架軋機(jī)速度匹配，通過畫面進(jìn)行設(shè)定，一般卷取機(jī)的速度設(shè)定為比末架軋機(jī)速度高10%～20%。

4.2 活套控制

在軋制過程中，因動(dòng)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(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)架之間速度的匹配，熱軋機(jī)架間共設(shè)6個(gè)電動(dòng)活套，電動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快、分辨率高，分辨率為0.00～650.00s，通過直流電機(jī)拖動(dòng)。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?，采用根據(jù)軋機(jī)咬鋼電流信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行控制，活套控制系統(tǒng)用張力控制，電機(jī)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(hào)必須要有起套、落套、張力投入三個(gè)。

4.2.1 活套的控制方式

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

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

（2）半自動(dòng)方式：手動(dòng)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(dòng)控制活套效果不好時(shí)可進(jìn)行手動(dòng)干預(yù)活套控制。

（3）自動(dòng)方式：自動(dòng)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(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的活套控制。

4.2.2 對(duì)活套的動(dòng)態(tài)性能的要求

活套支撐器的一個(gè)周期是由起套、恒張力軋制和落套三個(gè)階段組成。對(duì)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(dòng)態(tài)性能。

（1）起套要求：根據(jù)熱金屬檢測器有鋼信號(hào)或主軋機(jī)的咬鋼電流，系統(tǒng)通過上位機(jī)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(shí)現(xiàn)活套臂從機(jī)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(huì)影響成品帶鋼的質(zhì)量。

（2）恒微張力控制要求：當(dāng)活套起套后，通過很短時(shí)間的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)，活套輥與帶鋼之間無機(jī)械上的剛性接觸，相互的“軟接觸”是依靠活套電機(jī)所產(chǎn)生的力矩來調(diào)節(jié)上升下降得以實(shí)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(dāng)帶鋼離開上游機(jī)架后，通過計(jì)算落套延時(shí)進(jìn)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(jī)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(gè)電動(dòng)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(jí)聯(lián)系統(tǒng)來完成。機(jī)架間活套示意圖如圖3所示。

圖3 機(jī)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(shí)活套輥擺角；L為帶鋼與上游軋機(jī)的水平夾角；α為帶鋼與下游軋機(jī)的水平夾角；β為相鄰兩軋機(jī)間的距離；L1為第i機(jī)架的中心線與活套軸中心的距離；L3為活套支撐器支點(diǎn)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(jì)算

對(duì)于活套套量的計(jì)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(shí)際應(yīng)用中，由于不同軋機(jī)機(jī)架需確定不同的K值，同時(shí)增加了調(diào)試難度，為此考慮到活套輥基本位于兩架軋機(jī)的中間位置，于是得出：

本廠采用此方法對(duì)活套套量進(jìn)行計(jì)算，調(diào)試方便，且更能滿足活套高度控制系統(tǒng)的計(jì)算公式，由此計(jì)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(jī)速度有關(guān)，活套的實(shí)際位置檢測通過安裝在活套電機(jī)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(shí)際位置，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，若有差值，調(diào)節(jié)上游機(jī)架的速度，使得套量保持在設(shè)定范圍內(nèi)。活套高度控制的關(guān)鍵是起套和落套控制。起套時(shí)，活套起的太早或太快，會(huì)導(dǎo)致帶鋼頭部厚度和寬度變薄變窄。當(dāng)活套發(fā)出起套指令時(shí)，且活套臂上升的角度為達(dá)到預(yù)設(shè)定值的70%時(shí)，活套的速度設(shè)定為100%，轉(zhuǎn)矩限幅為最大允許值；當(dāng)檢測到活套角度大70%時(shí)，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(shí)對(duì)帶鋼的沖擊減小。落套時(shí)，如果活套落的太早或太晚，會(huì)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(jī)架時(shí)，降低活套高度設(shè)定值，從而減少機(jī)架間的套量，使活套在帶鋼離開機(jī)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(yùn)行以來，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定可靠，大大降低了設(shè)備事故。同時(shí)，由于自動(dòng)化控制精度高、活套控制精準(zhǔn)，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(jì)和社會(huì)效益。

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