黃占法

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽471039)

近些年，隨著鋁加工行業(yè)向大型化、規(guī)模化發(fā)展的趨勢，對鋁加工生產(chǎn)設(shè)備的高產(chǎn)量、高效率、高質(zhì)量要求也不斷提高。國內(nèi)幾個特大型鋁加工廠，先后引進(jìn)了西馬克三機(jī)架冷連軋設(shè)備。相對于單機(jī)架冷軋機(jī)，三機(jī)架冷連軋在軋制工藝技術(shù)上要復(fù)雜很多，這就需要用最先進(jìn)、最可靠的電氣系統(tǒng)來進(jìn)行控制。ABB電氣和西馬克電氣在三機(jī)架冷連軋的電氣控制上都有著先進(jìn)的控制技術(shù)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 設(shè)備組成及主要工藝參數(shù)

三機(jī)架冷連軋機(jī)組設(shè)備主要由卷材準(zhǔn)備站、開卷機(jī)、1#、2#、3#機(jī)架、卷取機(jī)、卷材檢查站、托盤運(yùn)輸系統(tǒng)等構(gòu)成，其工藝流程如圖1所示。托盤運(yùn)輸系統(tǒng)直接與卷材庫相連，實(shí)現(xiàn)卷材的自動存取。

圖1 三機(jī)架冷連軋工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of three stand cold tandem rolling mill

主要工藝參數(shù)如下：

生產(chǎn)的材料：鋁和鋁合金，合金系 1xxx， 3xxx， 5xxx， 8xxx；

來料： 厚度 0.25 ～ 3.5 mm；

寬度 950 ～ 2100 mm；

卷材最大重量 28.0 t (不含套筒和托盤)；

最大卷徑 2800 mm；

成品： 厚度 0.15 ～ 2.0 mm；

寬度 950 ～ 2100 mm；

最大卷徑 2800 mm；

最小卷徑 1000 mm；

軋輥/機(jī)架數(shù)據(jù)： 工作輥直徑 450/400 mm；

中間輥直徑 560/510 mm；

支承輥直徑 1400/1300 mm；

最大軋制力 20 MN；

速度： 軋制速度 800 /1150 / 1700 m/min；

正常停機(jī) 25 s；

快停 20 s；

急停 <15 s；

帶材張力： 開卷機(jī) 150/10 kN；

1、2號機(jī)架間 800 kN；

2、3號機(jī)架間 800 kN；

卷取機(jī) 120/8 kN。

2 電氣傳動系統(tǒng)構(gòu)成

三機(jī)架冷連軋供電單線圖見圖2。

圖2 三機(jī)架冷連軋供電單線圖Fig.2 Power supply single line diagram of three stand tandem cold rolling mill

2.1 主傳動中壓電機(jī)主要參數(shù)

開卷機(jī)電機(jī)：功率2530kW，電壓3.16kV，額定電流721A，轉(zhuǎn)速248/1514 rpm，勵磁162V、191A。

3個機(jī)架各1臺主電機(jī)，每個機(jī)架電機(jī)：功率5000kW，電壓3.16kV，額定電流978A，轉(zhuǎn)速389/1183 rpm，勵磁180V、176A。

卷取機(jī)電機(jī)：功率1320kW，電壓3.16kV，額定電流624A，轉(zhuǎn)速289/1322 rpm。

開卷機(jī)電機(jī)和3個機(jī)架電機(jī)為帶有凸極的同步電機(jī)，具有較小的轉(zhuǎn)子慣量對速度基準(zhǔn)改變的響應(yīng)更快，并且能夠滿足生產(chǎn)工藝中的高負(fù)載和高過載或大弱磁范圍傳動的要求。卷取機(jī)電機(jī)為感應(yīng)電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是無電刷、高效率。

2.2 主傳動中壓傳動裝置的構(gòu)成

開卷機(jī)、3個機(jī)架主電機(jī)、卷取機(jī)電機(jī)采用1條公共直流母線的中壓傳動裝置。

主傳動整流變壓器主要參數(shù)：3×8MVA，35/3.16kV，Ⅲ+20°Ⅲ+20°/Yy0，Uk=13%。是1臺共箱變壓器，變壓器一次側(cè)串聯(lián)。3個ACS6000 13MVA的整流單元分別接在主傳動整流變壓器3個獨(dú)立的帶有不同矢量組的二次側(cè)，再輸出到公共直流母線上，這樣的接線方式最大限度的減少了系統(tǒng)諧波，無需增加另外的濾波器。另外ACS6000裝置本身使用最優(yōu)化的脈沖控制方式，使整流器產(chǎn)生的電壓諧波減少到最小。

開卷機(jī)和卷取機(jī)電機(jī)采用ACS6000 5MVA的逆變單元，3個機(jī)架主電機(jī)均采用ACS6000 9MVA的逆變單元。同步電機(jī)供電逆變器為ACS6000SD，異步電機(jī)供電逆變器為ACS6000AD。

2臺三繞組勵磁變給4臺同步電機(jī)提供勵磁。勵磁單元采用的是6脈波可控硅橋式勵磁變流器。

中壓傳動變流器采用ABB的ACS6000全數(shù)字微處理器控制，是目前在軋制生產(chǎn)線上中壓交流電機(jī)速度控制上最先進(jìn)的調(diào)速裝置。ACS6000具有直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(DTC)是 ABB 傳動獨(dú)有的交流電機(jī)控制方法。

2.3 VVVF傳動和MCC

對于輥道電機(jī)和其它有調(diào)速要求的油泵等輔助傳動，采用VVVF變頻調(diào)速，配置1臺2×1.6MVA的三繞組整流變壓器，傳動裝置為ACS800，通過整流器輸出到直流公共母線再逆變完成交-直-交變頻調(diào)速。對于定速電機(jī)、加熱器、軋機(jī)低壓電源等，配置2臺2.0MVA的MCC變壓器。

3 自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置

三機(jī)架冷連軋自動化系統(tǒng)配置在主操作室、計算機(jī)室和設(shè)備現(xiàn)場區(qū)3個區(qū)域。依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸特性要求，將自動化系統(tǒng)的HMI、計算機(jī)、服務(wù)器、控制器、遠(yuǎn)程I/O、傳感器等，分別通過Profibus總線、EtherCAT以太網(wǎng)總線、Fibre optical Ethernet光纖以太網(wǎng)、Ethernet TCP/IP以太網(wǎng)組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和共享。

3.1 主操作室

主操作室設(shè)有軋機(jī)主操作臺，帶有遠(yuǎn)程I/O。主操作臺上配置了5個人機(jī)界面HMI終端，包括：

Level 1 System &Alarm Msg一級系統(tǒng)和報警系統(tǒng)；

Level 1 Process Data一級過程數(shù)據(jù)；

Flatness Msrmt板型控制；

Thickness Msrmt厚度控制；

Level 2 Operation Workstation二級系統(tǒng)操作工作站。

3.2 計算機(jī)室

計算機(jī)室配置的是自動化系統(tǒng)的計算機(jī)、服務(wù)器以及控制器。計算機(jī)系統(tǒng)包括：

Level 1 ProBAS Engineering Server 一級工程師站；

Level 2 Application Server 二級應(yīng)用計算機(jī)；

Level 2 Database Server二級數(shù)據(jù)計算機(jī)；

Level 2 Development Workstation 二級開發(fā)工作站；

IBA Process Data Acquisition 過程數(shù)據(jù)計算機(jī)；

HMI-Server Active 人機(jī)界面管理；

HMI-Eng. & Development & Standby Server人機(jī)界面、開發(fā)、備用管理；

Drives Eng. & Maintenance 傳動、維護(hù)。

控制器X-Pact?ProBAS Embedded 8臺，包括：

Mill Master 1 軋機(jī)主控制器1，用于主控制、通訊控制、順序控制、帶材跟蹤；

Mill Master 2 軋機(jī)主控制器2，用于主控制、通訊控制、卷材跟蹤、托盤運(yùn)輸；

Mill Drives軋機(jī)驅(qū)動控制器，用于主速度控制、輔助驅(qū)動控制、張力控制；

Mill Stand Controller 機(jī)架控制器，每個機(jī)架1個，用于機(jī)架控制、換輥控制、工藝控制；

Media Systems 介質(zhì)控制器，用于控制高低壓液壓、工藝油潤滑、油氣潤滑、軋機(jī)排煙；

Safety System 安全控制器，用于控制安全操作方式、區(qū)域進(jìn)出、安全停車、緊急停車。

3.3 三機(jī)架冷連軋設(shè)備現(xiàn)場區(qū)

設(shè)備現(xiàn)場區(qū)設(shè)有6個帶有HMI人機(jī)界面的操作臺或操作箱，分別是準(zhǔn)備站操作臺、入口區(qū)域操作臺、1#、2#、3#機(jī)架區(qū)域操作箱、出口區(qū)域操作臺、檢查站操作臺。設(shè)備現(xiàn)場區(qū)還有遠(yuǎn)程I/O箱以及位置、壓力、速度、溫度、張力等各種傳感器。

4 一級自動化控制系統(tǒng)

4.1 軋制道次表預(yù)設(shè)定

為保證軋制產(chǎn)品始終如一的高質(zhì)量要求，操作手可以在一級HMI中調(diào)用或修改數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有的軋制道次表，優(yōu)化軋制道次，進(jìn)行限制值和適應(yīng)值的校驗(yàn)。在運(yùn)行目前道次時，根據(jù)帶材跟蹤的情況，也可以局部調(diào)整軋制道次表預(yù)設(shè)值。

4.2 傳動控制功能

傳動相關(guān)的控制功能通過傳動控制級內(nèi)的全數(shù)字化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，主要功能包括速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、磁場控制、傳動控制和變頻器自診斷、傳動監(jiān)控、啟/停順控等。軋機(jī)傳動控制采用速度控制確保恒速和加減速軋制過程中的速度。開卷、卷取機(jī)控制系統(tǒng)采用帶材張力控制。

4.3 成組控制功能

軋機(jī)總控制具有整個軋機(jī)的管理功能，負(fù)責(zé)從卷材接收站一直到卷材輸出站的操作控制。軋機(jī)總控制是多層控制功能，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個軋機(jī)需要的信號和命令。機(jī)組速度主給定值系統(tǒng)根據(jù)軋制程序和操作員輸入，負(fù)責(zé)所有與帶材接觸的傳動設(shè)備速度給定值的統(tǒng)一同步設(shè)定。

4.4 工藝控制功能

液壓壓下控制，通過壓力供給系統(tǒng)、伺服閥和比例閥及液壓調(diào)節(jié)缸，可實(shí)現(xiàn)軋制力控制、輥縫位置控制、軋輥傾斜控制。并可以完成軋機(jī)機(jī)架診斷、軋輥偏心補(bǔ)償。

自動厚度控制，三機(jī)架冷連軋在1#機(jī)架入口處及每個機(jī)架出口處都設(shè)有測厚儀。通過厚度反饋控制，速度前饋控制、厚度前饋控制、秒流量控制等控制策略實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的厚度控制。

機(jī)架間的張力控制，機(jī)架間的張力僅在低速下(穿帶)由機(jī)架傳動速度控制。在加速到軋制速度時，自動轉(zhuǎn)到通過下游機(jī)架 RGC(輥縫控制)控制張力上。張力控制可以穩(wěn)定機(jī)架間的張力在一個窗口內(nèi)，以確保出口厚度接近標(biāo)稱值。

軋輥彎輥，是板形控制基本方式，彎輥控制必須盡可能快，以使確保一個好的板形控制。

軋輥竄輥，軋輥竄動是一種平整度控制的主要方式，軋輥竄動控制必須盡可能地精確，以確保平整度控制。

分區(qū)冷卻和邊部加熱系統(tǒng)，其目的是補(bǔ)償那些不能被彎輥或傾斜控制或中間輥竄輥控制的值。

機(jī)架間冷卻，從二級系統(tǒng)模型下載機(jī)架間的計算冷卻量，更好的控制帶材溫度。

板形控制，每個機(jī)架出口側(cè)都設(shè)有板型輥，采用先進(jìn)的測量和控制系統(tǒng)，控制軋制過程帶材張力的分布或平整度。

4.5 基本控制功能

基本控制功能包括分段控制、定位、輔助系統(tǒng)的控制、接口數(shù)據(jù)控制、順序控制、物料跟蹤、帶材跟蹤。軋機(jī)內(nèi)的物料跟蹤通常是一級系統(tǒng)和二級計算機(jī)系統(tǒng)的共同功能。兩個系統(tǒng)合作緊密，避免出現(xiàn)異步。帶材跟蹤功能利用機(jī)列傳感器的輸出信號和測量值來判斷出帶材各部分的絕對位置。

4.6 軋機(jī)電氣安全控制功能

為保證人身安全和設(shè)備運(yùn)行的安全，定義了Emergency-Off緊急關(guān)閉、Emergency-Stop緊急停車、Fast-Sto快停、Normal-Stop正常停車的功能，能對軋機(jī)電氣系統(tǒng)的運(yùn)行分級別的關(guān)停。

5 二級計算機(jī)系統(tǒng)

二級計算機(jī)系統(tǒng)提供以應(yīng)用程序?yàn)閷?dǎo)向的模塊，如訂單管理、數(shù)據(jù)記錄、設(shè)備處理、報表功能等，涵蓋了整個生產(chǎn)過程。在生產(chǎn)裝備內(nèi)部對不同的使用者如管理人員、計劃員、操作員、維護(hù)工程師等不同職責(zé)人員賦予權(quán)限，提供了一致的、實(shí)時更新的信息，從而以高效方式實(shí)現(xiàn)不同職責(zé)人員的協(xié)作，有助于增加產(chǎn)能、提高質(zhì)量。它也是溝通一級自動化與企業(yè)ERP三級計算機(jī)、物流和財務(wù)系統(tǒng)的橋梁，主要包括以下功能應(yīng)用軟件。

(1)過程數(shù)據(jù)采集應(yīng)用軟件

生產(chǎn)和過程相關(guān)的數(shù)據(jù)采集自一級自動化系統(tǒng)，或取自別的外部過程控制/測量計算機(jī)系統(tǒng)，以使數(shù)據(jù)能夠用于進(jìn)一步的處理和監(jiān)視。一般情況下，取自計量儀表或物料測試裝置等，以及與不同物料類別相關(guān)的測量值通過一級自動化系統(tǒng)采集。測量值被傳送到二級計算機(jī)系統(tǒng)，并且所采集的數(shù)據(jù)被存儲在生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，在需要的情況下可以做統(tǒng)計數(shù)據(jù)的計算以及數(shù)據(jù)整合。

(2)機(jī)組停車管理應(yīng)用軟件

生產(chǎn)線停車管理通過記錄生產(chǎn)線停車/起動時間以及停車原因來支持對生產(chǎn)線里的干擾進(jìn)行處理。

(3)訂單管理應(yīng)用軟件

訂單管理是系統(tǒng)和使用者用來管理生產(chǎn)訂單的過程。主要的生產(chǎn)計劃保存在 ERP三級計算機(jī)系統(tǒng)里，實(shí)際生產(chǎn)線時下裝到二級計算機(jī)系統(tǒng)。經(jīng)過二級計算機(jī)系統(tǒng)處理，數(shù)據(jù)被發(fā)送到一級自動化系統(tǒng)，使用這些信息數(shù)據(jù)來對生產(chǎn)加工涉及的設(shè)備作適宜的預(yù)設(shè)定。系統(tǒng)可以清楚地顯示生產(chǎn)訂單隨生產(chǎn)進(jìn)展的狀態(tài)信息。物料標(biāo)識是被發(fā)送的數(shù)據(jù)之一，使得在物料沿著生產(chǎn)線推進(jìn)時，物料標(biāo)識跟蹤功能識別實(shí)際物料和相關(guān)數(shù)據(jù)。

(4)生產(chǎn)性能分析應(yīng)用軟件

生產(chǎn)性能分析是系統(tǒng)用來編輯不同的報告類型用到的歷史數(shù)據(jù)并對三級系統(tǒng)提供反饋的過程。該功能管理與生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯報相關(guān)的全部數(shù)據(jù)，并允許使用者分析生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)輸出數(shù)據(jù)。所采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)被存儲在數(shù)據(jù)庫里，用于匯報。

(5)質(zhì)量管理應(yīng)用軟件

質(zhì)量管理功能用于記錄、檢查和管理生產(chǎn)線里的質(zhì)量數(shù)據(jù)。基于生產(chǎn)線的監(jiān)控和生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，質(zhì)量數(shù)據(jù)以自動和人工方式進(jìn)行記錄和處理。所記錄的信息用于生產(chǎn)報告和質(zhì)量報告。

(6)軋輥管理應(yīng)用軟件

軋輥管理是系統(tǒng)用來處理當(dāng)前使用中的軋輥和新的備用軋輥的過程。軋輥間系統(tǒng)可直接連接到軋機(jī)二級計算機(jī)系統(tǒng)，也可通過三級系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。在軋機(jī)生產(chǎn)線里由一級系統(tǒng)啟動請求，新的軋輥數(shù)據(jù)從二級系統(tǒng)傳輸并存儲在一級系統(tǒng)。當(dāng)換輥結(jié)束時，一級系統(tǒng)把更換過的軋輥的數(shù)據(jù)回復(fù)給二級系統(tǒng)，并把更換的軋輥相關(guān)數(shù)據(jù)報告給軋輥車間系統(tǒng)。軋輥磨損監(jiān)視功能可以對軋機(jī)機(jī)架里所有軋輥磨的損數(shù)據(jù)累計和極限值進(jìn)行監(jiān)視檢查。

(7)物流標(biāo)識跟蹤應(yīng)用軟件

跟蹤功能是通過探測卷材物理位置的傳感器(光電元件，探測上卷小車、傳送步進(jìn)梁和托盤運(yùn)輸鏈的移動周期)實(shí)現(xiàn)，之后卷材位置信息被傳送給二級系統(tǒng)。包括入口卷材跟蹤、軋機(jī)跟蹤、出口卷材跟蹤。

(8)工藝模型接口應(yīng)用軟件

工藝模型接口是二級計算機(jī)系統(tǒng)與預(yù)設(shè)定模型系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的過程。主要的數(shù)據(jù)或產(chǎn)生自二級系統(tǒng)自身，或取自三級系統(tǒng)。二級計算機(jī)系統(tǒng)提供對相應(yīng)軋機(jī)機(jī)架的數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)接口。預(yù)設(shè)定模型也可以在一臺單獨(dú)的模型服務(wù)器系統(tǒng)里執(zhí)行。工藝模型接口對預(yù)設(shè)定模型提供接口和一個適用的基礎(chǔ)設(shè)施以實(shí)現(xiàn)模型算法與核心二級計算機(jī)系統(tǒng)功能之間的數(shù)據(jù)交換。二級計算機(jī)系統(tǒng)可以通過操作員的要求進(jìn)行模型計算，也可以自動進(jìn)行模型計算。

6 結(jié)束語

通過對三機(jī)架冷連軋中壓傳動的組成、自動化網(wǎng)絡(luò)配置、一級自動化系統(tǒng)和二級計算機(jī)系統(tǒng)做了簡單介紹，使我們對三機(jī)架冷連軋的電氣控制系統(tǒng)有了整體上的認(rèn)識，有助于更好的配合三機(jī)架冷連軋設(shè)備廠商，完成三機(jī)架冷連軋工程設(shè)計。此外，也為消化吸收國外先進(jìn)的冷連軋控制技術(shù)提供了經(jīng)驗(yàn)。