达钢连轧自动化.docx

达钢连轧自动化.docx

《达钢连轧自动化.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《达钢连轧自动化.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

达钢连轧自动化

一、电气自动化系统概述

本套全连续棒材轧机自动化和调速传动系统由两部分组成：

其一：

自动化部分：

①高性能工业微机

②SIEMENS可编程序控制器（PLC）:

S7-300,S7-400系列

其二：

①全数字直流传动控制装置：

SIMOREGDCMASTER6RA70

②全数字交流传动控制装置:

SIMOVERTMASTERDRIVE6SE70

PLC之间，PLC与上位机之间构成局域网：

以太网。

PLC与传动系统之间则通过PROFIBUS-DP分布式网络进行通讯。

整个自动化系统由三级控制系统和两层通讯网络构成。

以上的系统配置是目前自动化系统中高档次的配置。

1．1三级控制系统

三级控制系统由人机接口（HMI）、基础自动化系统和调速传动控制系统构成，分别完成不同的控制功能。

★人机接口（HMI）

人机接口（HMI）由三台高性能微机组成，主要实现自动化系统的人机接口功能，包括：

1轧制表的输入、存储和修改，轧制参数的设定

2轧制过程中各设备状态和电气参数的动态显示及工艺参数的人工调整

3电气设备的一般操作及显示

4故障报警与记录

5生产报表的生成、存储及打印等。

★基础自动化系统

基础自动化系统采用西门子公司最新型PLCS7－400/300及ET200远程站系列产品。

SIEMENSS7-400系列产品功能强大，配置灵活，有如下突出特点：

●高速:

在程序执行方面，极短的指令执行时间使S7-400在竞争中脱颖而出。

CPU414-2DP,CPU416-2DP,CPU316-2DP的参数特性

●坚固:

即使在恶劣、不稳定的工业环境下，全封闭的模板依然可正常工作；

无风扇操作降低了安装费用；在运行过程中，模板可插拔。

●功能完善、强大:

允许多CPU配置，功能更强、速度更快。

同时，配有品种

齐全的功能模板，充分满足用户各种类型的现场需求。

●强通讯能力:

分布式的内部总线允许在CPU与中央I/O间进行非常快的通讯，

P总线与输入/输出模板进行数据交换。

K总线将大量数据传送到功能

模板和通讯模板。

一些CPU装备了SINECL2DP接口，保证了对分布式I/O进行快速数据交换。

强大的通讯模板允许点对点通讯，并可用工业以太网进行通讯。

ET200M是一个模块化的I/O站，具有IP20的保护等级。

它可以采用S7-300可编程控制器的信号模板和功能模板进行扩展。

由于它可连接的模板范围很广，因此，ET200M适合于完成特殊的和复杂的自动化任务。

ET200M是PROFIBUS-DP现场总线上的一个从站，最大的传输速率是12Mbps。

●基础自动化系统基本配置

基础自动化系统由三台PLC完成全部自动化控制功能（不包括加热炉燃烧控制），三台PLC分别控制：

PLC1（S7-400）：

上料台架、入炉称重装置、升降挡板、出钢机、钢坯剔除装置、1#飞剪前后导板、1#飞剪剪切、2#飞剪前后导板、2#飞剪剪切、炉区及轧线液压、润滑系统控制、物料跟踪、逻辑联锁。

PLC2（S7-400）：

从1＃－18＃轧机传动系统的速度级联控制、速度冲击补偿、微张力控制、活套控制、轧机的换辊控制、水冷控制、水冷段变频辊道、轧件跟踪、故障的检测、报警、联锁及与相应介质系统的信号交换。

PLC3（S7-300）：

三段冷床输入辊道、冷床动齿条、卸钢装置、精整区辊道及输送机动作控制。

整个控制系统配置（见附图）

★调速传动控制系统

电气传动采用西门子公司全数字调速系统。

直流传动采用SIMOREGDCMASTER6RA70系列全数字调速装置，交流辅传动采用SIMOVERTMASTERDRIVES6SE70全数字矢量控制变频调速装置。

它们的特点如下：

1全数字控制系统性能好，可靠性高，可以满足高动态品质与高调速精度的要求。

2软件模块化、硬件标准化，拥有灵活多样的软件模块，可以满足各种不同控制的要求

3具备调速系统最佳控制性能的自动优化功能。

可以对电流环、速度环、励磁电流环以及磁化曲线等内容进行优化。

4全数字装置还提供了对传动系统完备的监控保护与故障自诊断功能。

5WINDOWS界面下的SIMOVIS功能软件用于调试、下装和上读参数等，还具有示波器记忆功能。

对于调试更加方便。

6方便快捷的通讯联网形式，可以与自动化系统联网通讯，进行参数的设定和各种信息的交换。

（PROFIBUSCAN总线等）

⑦速度调节精度：

模拟反馈?

n＝0.1?

，数字反馈?

n＝0.01?

。

传动系统配置（见附图）

1．2两层通讯网络

★自动化系统通讯网络分为两层：

●第一层：

人机接口与PLC之间及PLC彼此之间联成以太网，实现彼此的信息交换。

通过以太网，把轧制工艺参数设定值和对电气设备的操作从人机接口传送到各PLC，把各设备的状态和工艺、电气参数及故障由PLC收集送到人机接口的CRT显示。

PLC彼此之间也通过以太网实现控制信息及数据的传送。

●第二层：

PLC与各自的远程I／O站之间和调速传动之间采用ProfiBus-DP通讯网络，PLC把设定参数和控制指令传送到各调速传动系统，并收集各调速传动系统的状态和电气参数送到人机接口的CRT上显示。

★两种网络的主要性能：

●以太网

一种总线型局部网络、采用TCP／IP协议。

它可连接各PLC与工作站，使之交换信息。

其主要特点如下：

数据传输率可达10Mbps

网上工作站数最多1024个

传输介质超5类绞线

拓朴结构星形

信息协议帧（或包）的大小可变，64至1518bytes

以太网的性能指标介于远程网和多处理机之间，它主要用于办公自动化、分布式数据处理、终端访问以及其它高速、突发式信息交换系统。

●ProfiBus网

ProfiBus网是一种实时、开放性工业现场总线网络。

它的特点是：

1使用数字传输，易于正确接收和差错检验，保证了数据的可靠性和准确性，

2有利于降低工厂低层设备之间的电缆连接成本，易于安装、维修和扩充，能及时发现故障，便于及早处理。

3它的最大优点是具有充分利用智能设备的能力。

ProfiBus网网卡的通讯协议符合欧洲标准DIN19245中的第1－3部分，即ProfiBus－DP协议，该标准允许少量数据的高速循环通讯，因而总线的循环扫描时间是极小的，在特定环境下总线通讯时间可小于2ms。

这些优点完全归功于以下几个方面：

●一个优化的ProfiBus信息服务于子集的构造和提高了数据传输速率。

●高度的容错性

●数据的完整性

●标准信息帧结构

●在操作中可自由地访问每个站

ProfiBus网基本数据如下：

数据传输速率1.5Mbps

网上工作站数最多32个

传输介质双绞屏蔽电缆

数据传输方式主－从站令牌方式

二、人机接口（HMI）

人机接口配置三台高性能工业微机操作站。

其中两个操作站放置于主操作台AOS3上，另外一个操作站放置于主电室。

图形软件采用WINCC监控软件，具有实时监控，历史趋势图，报表，故障信息，良好的人机界面，丰富的图形库，过程控制功能块，数学函数等功能。

2．1主要功能

★主操作室AOS3上两个操作站

主要用于：

1在线的轧制表，生产报表，故障报警的存贮、显示和打印

2工艺参数的预设定和修改，主轧线模拟图及轧线跟踪画面等

3轧线各参数的动态显示，其中包括轧机速度、轧制负荷电流、微张力、活套套高的动态显示等。

主操作台操作站主要功能和画面有：

●轧制表的存贮、修改和打印及管理

●生产报表的生成、存贮、显示和打印

●冷却程序的生成及管理

●故障报警信息的显示与打印

●工艺参数的预设定及修改，包括：

－级联速度设定

－冲击速降补偿设定

－辊径设定

－活套高度设定

－微张力控制张力系数设定

－飞剪切头、切尾长度设定

－飞剪切头、切尾速度超前率设定

－变频辊道速度设定

●轧制过程状态显示包括：

－主传动电流和速度的直方图和趋势图

－活套高度基准值和实际值的直方图

－各电气设备的就绪、运行、停止和故障画面

－故障报警画面

－显示画面的主菜单和子菜单

－帮助画面等

●电气设备的一般操作，主要为轧制开始前的操作，主要包括：

－各调速传动系统的合／分闸、启动／停止操作

－介质系统的方式选择及设备启动、停止操作等

★主电室操作站

●可以显示主操作台操作站的全部画面，但不能进行参数修改和操作

●供电系统单线图及各电气设备的状态（合／分闸、就绪／故障、运行／

停止等）

●各电气设备的故障信息，包括故障内容、产生时间、解除时间等

●各通讯网络的工作状态和故障诊断等

2.2操作站配置及性能指标

CPUPIII1G

内存256MBRAM

显存16MB

硬盘4020GB

软驱1.44M,3.5’’

光驱48倍速

操作系统WindowNT

图形软件WINCCV5.0

网络接口以太网卡:

3C0M905B

CRT21英寸

打印机2台

三、基础自动化控制系统

基础自动化控制系统由三台PLC构成，其中轧线PLC模板之CPU均为SIEMENSPLC目前最高性能配置，完全能够满足轧线控制系统需要运算速度快、存储容量大、实时性强的要求。

其中，CPU416-2DP主要性能参数如下：

运算速度:

语句／K0.1ms

负载存贮器，内装:

0.8MBRAM

可扩充64MB

中间位存贮器16KB从MB0到MB16383

计数器512

定时器512

MPI接口，全局数据量64字节／包

16包／周期

总I／O地址区1K／1K字节

数字I／O8192字节

模拟I／O512通道

每个CPU的DP线4

以太网卡可以

3．1主要控制功能

1）PLC1控制功能

PLC1承担有关炉前、炉内、炉后设备控制、粗中轧区介质系统控制。

其主要控制功能有:

▲上料台架控制

▲入炉辊道控制

▲钢坯称重

▲剔除装置及炉门升降控制

▲出炉辊道控制

▲炉区、轧线及精整区介质系统控制

▲1#飞剪前后导槽动作控制

▲1#飞剪切头、切尾、碎断控制

▲2#飞剪前后导槽动作控制

▲2#飞剪切头、切尾、碎断控制

▲物料跟踪

▲设备间逻辑连锁、故障报警等

2）PLC2控制功能

PLC2负责粗轧机至精轧机有关设备的运转动作控制，其主要控制功能有：

▲卡断剪的动作控制

▲1＃－18＃机架的速度给定和级联调速控制

▲粗中轧机架微张力控制及自适应

▲精轧机架间的活套高度控制

▲机架动态速降补偿控制的逻辑

▲V2&V4轧机升降变频装置的控制

▲精轧机后水冷装置冷却控制

▲精轧机后变频辊道的控制

▲精轧机后横移小车的控制

▲机架间故障诊断控制

▲设备运行联锁控制

▲机架换辊控制

▲轧线电机及辅传动电机温度检测连锁

▲物料跟踪

▲设备间逻辑连锁、故障报警等

3）PLC3控制功能

负责冷床输入变频辊道控制、冷床动齿条控制、卸钢装置控制，精整区辊道、挡板、输送链等设备控制。

其主要控制功能有:

▲冷床三段输入辊道的速度控制

▲冷床上钢装置的动作控制

▲冷床动齿条动作及速度控制

▲冷床对齐辊道控制

▲冷床下钢链条移动电机的速度控制

▲冷床下钢链条升降电机的速度控制

▲冷床托钢升降电机动作控制

▲冷剪后辊道控制

▲冷剪动作控制

▲精整区各种辊道、挡板、输送链动作控制

▲设备间逻辑联锁、故障报警等

3．2基础自动化系统配置

系统配置考虑系统的先进性、可靠性，在满足工艺控制要求的前提下，综合考虑性能价格比。

每套PLC均配置一定数量的远程I／O站，现场的检测信号、操作台和现场操作箱上的操作和显示信号，均联接到就近的远程I／O站上，这样可以大大减少现场的电缆和安装施工费用。

由于现场的检测信号分布零散，点多面广，在现场合理的位置上设置相对集中的远程I／O站，个别影响系统快速响应的信号将直接联至PLC主站。

PLC2控制主轧线，系统的快速性将直接影响控制精度、可靠稳定运行和产品质量，所以将远程I／O和调速传动系统将考虑连接至独立的ProfiBus-DP网，以保证系统控制的快速性。

其它PLC因其所控制设备的动态快速性要求相对不是很高或因其所连设备教少，故其所控制的调速传动系统连接到同一条ProfiBus-DP网上。

为保证各PLC的CPU之间数据交换的快速性，建议PLC的主站布置在同一主电室，并排列在一起，这样也同时减少了以太网络的长度。

为保证主轧线系统控制的快速性，软件设计上将尽量编制规范的程序块，并合理的安排程序块的调用和执行，在轧制过程中对那些与轧制过程控制无关的程序块（例如：

换辊程序，辊缝调整或用于机械本身的调整程序）不调用执行，最大限度地减少程序周期，提高系统的控制速度。

为了保证PLCI／O模板的一致性和安全性，数字量输入／输出一般采用24VDC模板，对于其它电压类型的信号均经过继电器转换。

各PLC的具体配置详见设备清单。

3．3主要控制功能说明

1）速度级联控制

轧线速度级联调节是修正某一相邻机架的速度关系，而不影响轧线其它机架已有的速度关系，速度级联调节各机架延伸率的关系进行速度设定。

当有套量偏差或微张力控制时产生速度修正信号，以级联方式对对应的相邻机架速度进行修正。

为保证精轧机出口速度的稳定，以提高飞剪的剪切精度，级联调节方向为逆向调节，即从精轧末机架轧机向上游级联。

当轧件在两机架间断开时，级联调节取消；轧件在两机架间连续轧制时，级联轧制重新建立。

2）轧线速度设定自适应

储存在轧制程序表中的初始设定参数，如辊径、速比、计算速度等不可避免会有误差，这样就不能完全适应各轧机之间的速度级联关系，而在轧制的过程中，这些误差会通过微张力控制、活套控制以速度修正信号的形式作用于相应的机架上来形成真实的速度配合关系。

速度设定自适应功能就是根据速度修正信号来对相应机架的延伸率进行修正，并根据修正后的延伸率来修正速度的设定值，从而使下一个轧件轧制时，各机架间处于最佳的配合状态。

同时，为了把操作人员的经验溶入到自动化系统中，操作人员可以对机架的速度进行手动调节。

在主操作台上设有各机架速度微调按钮，用于对各机架间的速度协调关系进行人工调节，调节好后的机架间的速度协调关系，经人工确认，系统可自动存储此时各机架的速度，作为该轧制程序下的速度级联速度设定。

3）速度冲击补偿：

当轧机咬钢或运行中产生冲击负荷时，速度会瞬间降低，机架间正常的速度关系受到破坏，会形成轧件堆积。

速度冲击补偿的目的是帮助轧件顺利咬入轧机，减小和消除速度波动，实现方法是在轧件进入轧机之前提高此机架的速度。

速度提高的百分数及撤掉此值的过程时间可从上位机上调整而且可存储到轧制表中；另一方面，在机架间有活套控制时，动态速降有利于活套形成，其速度补偿量可适当减小。

4）微张力控制：

微张力控制的目的是使中轧机组各机架之间的轧件按微小的张力进行轧制。

微张力控制是保证高速棒线材轧机顺利轧制和提高产品质量的必要手段。

张力控制是一个复杂的过程，高速棒线材一般采用“电流-速度”间接微张力控制法。

它的基本思想是：

张力的变化是由线材的秒流量差引起的，而调整轧机的速度就能改变秒流量，以达到控制张力的目的。

其控制方法同轧机速度的级联调节方向有关，如果级联速度为逆调，则需控制各机架的前张力；如果级联速度为顺调，则需控制各机架的后张力，即：

当钢坯咬入下一机架后，根据本机架同下游机架之间的堆拉关系来调整下机架的速度设定，使本机架与下机架之间的张力维持在设定值。

在实际实施中，需要着重解决以下两个难点：

（1）无张力矩的存储

在本系统中没有测张元件，微张控制的控制目标是使轧机在无张力矩下轧制。

所以，无张力矩的计算与存储就成为微张控制中的关键。

无张力矩是靠轧件的头部来确定的。

如下图所示。

无张力矩的存储示意图

当轧件进入第一机架，未进入第二机架时，第一机架处于无张轧制状态，在进入第二机架前确定第一机架无张力矩并记录。

当轧件进入第二机架时，第一机架的力矩会由于一、二机架速度不匹配发生变化，这时靠调节第二机架速度，使第一机架恢复到记录下的无张力矩值。

在第一机架调节到无张力矩后，轧件被第三机架咬入前，第二机架处于无张轧制状态，此时确定第二机架的无张力矩并记录。

以此类推至后面机架。

调整后的机架之间的速度级联关系被锁定，供下一根钢轧制时使用。

这种自学习的控制过程，通过几根轧件轧制后，力求使微张力保持在工艺要求的范围内。

微张参数计算

A.定义张力系数

：

自由轧制无张力轧制时电机输出转矩；

实际轧制过程中电机输出转矩。

很明显，可以看出：

：

n和n+1机架间拉钢；

：

n和n+1机架间堆钢。

B.第i次采样时的电机转矩偏差值为：

张力系数设定值，由轧制规程给出。

由于在电机调速时,用两种方式,基速以下,调节电枢电压,基速以上调节磁场。

因此，力矩的计算也分开进行。

当速度低于基速时，有力矩公式：

当速度高于基数时，有力矩公式为

其中：

：

实际轧制时，电机的电枢电流采样值；

：

自由轧制时，电机的电枢电流采样值；

：

弱磁点的电机转速；

：

轧制过程中弱磁后的电机转速。

C.转矩PID调节量

其中，

为比例增益，

为积分增益，

为微分增益，T为采样周期，

为积分时间，

为微分时间。

D.速度调节量

计算出的力矩调节量不能直接控制线速度的变化，要使之变化成与延伸系数相匹配的数值。

其速度调节量可由下面的式子确定：

因为张力偏差作用在电机上的转矩为：

则张力偏差为：

从而第n机架的速度调节量为：

而第n机架的速度设定量为：

（3）微张控制程序框图

各机架的控制过程基本一致，其中一个机架的控制程序框图如下图所示。

是否满足I

N

取值条件?

Y

确定I

的值

是否满足头N

部微张条件

Y

确定I

采样值

力矩差值计算

力矩PID计算

死区特性

极限特性

控制输出

微张力控制程序框图

5）活套控制

活套是用来检测和调节相邻机架间速度关系从而实现无张力轧制的设备,一般用于轧件截面较小的场合.

活套控制分为套高（或套量）控制和起套辊控制.

活套调节器是通过检测到的活套高度偏差产生速度修正信号，去调节机架速度以维持活套高度保持在给定值不变，以实现机架速度秒流量平衡，通过活套调节使轧件在轧制过程中形成自由的弧形，保持轧制过程为无张力状态.

下面以高速线材预精轧组的活套控制为例来加以说明。

V14H15V16H17V18H19

L1L2L3L4L5

（注:

此图只是为说明问题而假设的活套布置情况）

如上图示，预精轧机组由三平三立共6个机架组成，机架号为H14、V15、H16、V17、V18、H19。

其中共设有5个活套。

A.假如活套L5出现高度差为ΔL5，若活套调节采用PI调节器，则V18机架的速度调节是:

为保证V18调节后的秒流量平衡，H17、H16、V15都需进行相应的速度调节，调节量如下：

上式中，R18为延伸率,V017和V018为17机架和V18机架的速度设定值

同理对于H16机架，L5活套出现偏差后，要求H16机架的调节量为：

V14、H15的调节分量依次类推。

B.如果在L5活套出现ΔL5偏差时，L4活套也出现ΔL4的偏差则要求V17的速度调节量为：

对于1、2两项要求H17机架总的速度调节量为：

即：

ΔL4"为L5活套和L4活套共同作用于H17机架的活套当量值。

如果将上述的调节计算改为先计算活套当量ΔL4"，再进行PI计算，结果是一样的。

如果各活套PI调节器的Kp、Ki不一样，也只需要在上式中进行系数修正即可以。

C．关于传统活套控制的原始算法

目前高线常用的PLC中采用的活套控制算法如下：

当L4活套变化ΔL4时，比例项输出到本机架的速度控制，积分项参与分配到上游机架的级联控制。

这种算法是简易算法，从活套的控制原理来说，速度调节的比例部分也应参与速度级联，并且在本质上同前面所讲到的算法没有什么不同，只不过是简化了级联部分。

D．有关活套套量的计算

　　　　　　　　　　套高计算示意图

式中:

?

为活套检测角度，A为扫描器距活套台的距离,L为活套跨距，H为活套高度，

为第i次采样时的活套套量，

为设定活套套量，

为第i次采样时的活套套量偏差。

E.自动控制时起落套的联锁要求

a.当自动控制时，只要下述任何一个条件得到满足，起套辊都要上升：

下游轧机检测到轧件；

活套扫描器检测到轧件并延时结束后；

上游轧机的“咬钢信号”检测到轧件头部且延时结束后。

b.当自动控制时，只要下述条件满足时，起套辊都要下降：

上游轧机有负荷信号消失，即轧件脱尾；

相邻前一个活套前轧机检测到轧件尾部，且所需延时结束后。

总之，在轧件头部进入活套后面轧机之前不允许起套辊升起；在轧件头部进入活套后面轧机后起套辊必须立即升起。

当轧件尾部离开活套前面轧机时，起套辊必须立即下降。

6）轧件跟踪控制

通过设置在机架前、后的热金属检测器或活套检测器及机架电机咬钢时的冲击电流信号，作为轧件的跟踪信号，实时监控轧件头、尾的位置。

全线下列控制功能需要了解轧件头、尾的位置：

微张力控制、活套控制、活套的起套控制、飞剪控制、夹送辊、吐丝机及轧件运输顺序控制、轧件冷却阀的控制等。

同时通过对轧件的位置跟踪还可以判断轧制过程中出现的堆钢等故障，当判断出堆钢故障后可自动或手动起动故障点前的飞剪、碎断剪、卡断剪对轧件碎断或卡断处理。

7）飞剪的剪切控制

在中轧机组和精轧机组前，设有1#、2#切头、切尾飞剪，PLC通过接收热检及码盘信号，对轧件切头、切尾。

当发生事故时，1#飞剪可进行碎断，2#飞剪对轧件分段后由碎断剪碎段。

在切头及碎断时，剪子的线速度一般高于其前机架速度的5－15％。

对于飞剪控制，设有两个检测回路。

主要由安装在剪刃轴上的码盘和PLC的高速计数器（或轴定位模板）组成；另一个是轧件头、尾从HMD到飞剪距离的检测回路，主要由安装在上游机架的码盘、HMD及PLC的高速计数器组成。

飞剪的切头、碎断速度设定由下式给出：

Vr=Vc×（1+Ks）

而飞剪的切尾速度设定由下式给出:

Vr=Vc×（1–KD）

其中：

Vr：

飞剪速度给定值

Vc：

上游机架的速度

Ks：

速度超前系数（5－15％）

KD：

速度滞后系数（3－5％）

无论轧制速度的高低，轧件从HMD到飞剪所走过的距离是固定的。

安装在上游机架电机轴上的码盘所产生的脉冲数与轧辊所转过的角度成正比，从而也与轧件所走过的距离成正比。

当HMD检测到轧件头部或尾部时，启动高速计数器累加上游机架码盘的脉冲数，当计数到所设定的值时启动飞剪。

飞剪的启动分两种情况：

切头启动时所需累加的脉冲计数值为：

CHU＝C1＋CHL－C2－C3

其中：

CHU：

切头启动时所需累加的脉冲计数值

C1：