带钢厂650轧机电控系统改造Word格式.docx
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目录3
1绪论6
1.1引言6
1.2冷连轧机简介7
2主传动系统8
2.1卷取过程中带钢受力分析8
2.1.1带钢所受张力8
2.1.2带钢所受压紧力10
2.2系统控制方案10
2.2.1传动控制系统的规则10
2.2.2张力控制的方法11
3欧陆590直流驱动器11
3.1欧陆590的基本概念11
3.2欧陆590的基本结构12
3.3电动机电枢控制类型12
3.4轧机的带钢张力及调整13
3.5欧陆590轧机的张力控制原理13
3.5.1相加模块13
3.5.2输入输出模块14
3.5.3速度回路模块15
3.5.4电流回路模块16
3.5.5斜坡模块20
3.5.6点动/爬行模块21
4五机架冷连轧带钢的张力调节21
4.1张力调节的意义21
4.2张力调节的分析21
4.3650五机架冷连扎机的张力调节22
4.4卷取机的给定计算23
4.4.1静态补偿和动态补偿24
4.4.2卷取/开卷恒励磁张力调节分析25
4.4.3带钢扎线的运行操作25
4.5机架速度的手动干预26
4.6机架间张力控制27
4.6.1机架间张力设定27
4.6.2转数数字校正27
5用欧陆590实现冷连轧机机架间的张力控制27
5.1小型冷连轧机张力调节27
5.2小型冷轧机速度给定29
5.3用590实现冷连轧张力调节29
5.4调节系统几个环节的说明31
5.5冷连轧调试32
6PLC可编程控制器的基本结构及原理33
6.1PLC的基本组成与各部分的作用33
6.1.1PLC的基本组成33
6.1.2PLC各部分的作用33
6.2A/D和D/A转换概念35
6.2.1A/D和D/A转换原理35
6.2.2模拟量输入输出系统35
6.2.3输入输出数据的处理35
6.3SiemensS7一200系列PLC36
6.3.1SiemensS7一200系列PLC特性36
6.3.2SiemensS7一200主要功能摸块介绍36
6.3.3SiemensS7一200PLC的工作原理37
6.3.4主电路图38
6.4程序设计40
6.4.1PLC编程软件介绍概述40
6.4.2程序设计40
小结44
致谢45
参考文献46
附录1：
47
附录2：
48
1绪论
1.1引言
由于某带钢厂650冷连轧机组的传动系统和基础自动化设备的老化，决定对650轧机电控系统进行改造。
冷轧机是冷轧生产的主体设备，为了满足冷轧带钢生产的品牌规格，质量及不同生产规模的要求，冷轧带钢生产工艺经历了从单张到成卷生产的变革，由可逆式连轧到全连续以及联合组的发展中形成了各种形式，不同特色的冷轧机，现代冷轧机的装备水平也有了很大的提高，并趋向高效率，高质量，连续化和自动化。
冷轧机成为现代钢铁工业中高效率生产设备之一，是钢铁工业技术发展和装备水平提高的一个重要标志。
从轧辊，辊系看，二辊式冷轧机是早期出现的结构形式最简单的冷轧机，辊径大，咬入性能好，轧制过程稳定但是轧机度小，轧制产品厚度大，精度差。
随着轧制带钢厚度的减薄宽度的增加，产生了四辊式冷轧机，四辊式冷轧机一般多采用工作辊传动，其工作辊和支持辊直径之比1：
3，机架具有较大的刚度，可逆轧制厚度为0.5~3.5mm。
为了进一步满足工艺要求又生产了多辊轧机，早期是六辊式和十二辊式，20世纪末普通使用的排列顺序为1234的森吉米尔型二十辊轧机即每个工作辊里由2个第一中间辊，3个第二中间辊和4个外支持辊支承。
最后组装到整体机架中可以轧制0.002~0.2mm的极薄带钢和变形困难的硅钢，不锈钢，以及高张度的镍合金材料。
a-2轧辊b-4轧辊c-6轧辊d-12轧辊
图1.1冷轧机轧辊布置
从机架布置形式看，冷轧机的早期形成都是单机架形式，生产工艺由单张生产发展为成卷可逆式生产。
可逆轧制是带钢在机架上往复地进行多道次的轧制，这样每个道次都要起动，加减速停车和换向，由此可逆轧制限制了速度和生产能力的提高，且在带钢头尾部的加减速段厚度超差也是不可避免的，导致了产品质量性能提高，半列式布置的连轧机适应了生产能力和产品质量不断提高的需要是一种高效率生产的冷轧机。
因此在20世纪60年代，世界上经济发达国家都新建成一大批冷轧机，冷轧机的装备形成经历了3次变化。
1.2冷连轧机简介
钢铁的冷轧于19世纪中叶始于德国，美国于1859年制造建成了25mm冷轧机，1887年生产出宽150mm的低碳带钢，随着技术的进步冷轧机增加了剪切、矫直、平整、热处理、等设备，产品质量有了很大的提高。
冷轧技术相对于热轧技术具有很多优点，尤其是生产长度大厚度小的薄板的时候，消除了钢材在热轧过程中的降温和温度分布不均带来的生产难题。
防止板材在热轧过程中被氧化，冷轧板材性能好，品种多是冷轧技术的另一个优点。
冷轧机由入口侧的钢卷接受以及运送装置、开卷机、轧机、卷取机和钢卷输送装置等机械设备以及各个设备的驱动、控制、监测仪表、和润滑装置等装置组成。
最早是只有一台开卷机和卷取机的常规式冷轧机，以后发展为两台开卷机和卷取机的改造式冷轧机，同时采用了液压下快速换辊，辊和自动控制新技术。
使轧制速度提高（35~41.6m/s），卷重增加（45~60t），且产量提高25~30%以上。
但它们都是采取单卷轧制工艺，第三代可连续冷轧机则使冷轧工艺实现了无轧制。
目前在世界范围内，可连续形式也有了3种连续形式，即70年代期间的只有冷轧工序本身连续的冷轧机，80年代出现的由冷轧连续的联合机组（CDCM）和冷轧一连续退火的全过程连续的联合工艺线（FIPL）[1]。
机组由五个机架，一台开卷机，一台卷取机组成，设计能力年产2.9万t，最高轧速4.m/s。
主要轧制300~520mm宽的普碳钢板带，成品厚度0.2~2.0mm,采用2.4~4mm热轧板卷，经剖切，开坯等头部工序，有五机架一次轧成。
图1.2常规5机架冷连轧机布置示意图
压下机构由蜗轮，蜗杆，交流电动机组成，机旁手动操作。
上、卸、卷、进、出料均由液下传动，机旁手动操作。
机组的升降速由统一的同步给定控制，它是由PLC按秒流量相等原则计算分配给各机架的速度给定。
机架间张力经张力计反馈，张力偏差经补偿直接校正机架速度。
末机架出口装有一台测厚仪用于监测成品厚度。
根据改造合同要求，本改造包括：
（1）轧机主传动控制系统；
（2）开卷、卷取机控制系统；
（3）PLC控制系统三大部分。
2主传动系统
2.1卷取过程中带钢受力分析
2.1.1带钢所受张力
卷取机在卷绕带钢的时候必须有一定的卷取张力。
卷取张力的值的大小取决于卷取机的工作状态和产品规格，设定张力过大会破坏产品内部组织结构，并且使设备电机容量增大，反之过小的卷取张力设定也会影响产品的质量，可以造成带钢跑偏，松卷等现象，可见卷取张力过大或者过小均会影响卷取机的正常工作。
带钢所受张力的产生原理是由于带材在轧机出口处的线速度低于卷取机入口处线速度。
这两点间速度差的积分用来描述带刚张力模型。
如图2-1所示为轧辊与卷筒之间的带钢的线速度差示意图。
图2.1线速度差示意图
张力理论公式为：
（2-1）
T---带材所受的卷取张力单位为kg
δ---带材截面积单位为
l---卷筒与轧辊之间的距离单位为mm
E---带材的弹性模数
---卷取机建立张力的时间单位为s
V
---轧辊上带材的线速度单位为mm/s
---卷筒上带材的线速度单位为mm/s
由公式（2-1）所示当V
＞V
的时候再卷取带材的时候才能产生卷取张力，并逐渐加大，如果V
＜V
则卷取过程没有张力无法保证卷取质量。
由上式可以看出，带材作为卷取张力调节对象的时候，是一积分环节，所以当带材的张力达到工艺所要求的张力给定值时就应该及时调整V
，使卷筒的线速度V
保持稳定，此时就可以保证带材在给定的张力值下正常卷取。
显然在稳定运行中，无论轧辊还是卷筒的转速发生改变都会引起V
和V
的变化进而引起卷取张力的变化。
卷筒上带钢的线速度V
和卷筒的转速n
由公式（2-2）确定。
V=πDn
（2-2）
D---钢卷直径单位为mm
n
---卷筒转速单位为r/min
由公式（2-2）所示卷筒上带钢的线速度V
与钢卷直径成正比关系，所以随着钢卷的直径不断加大V
也不断加大，那么由公式（2-1）可知必然使卷取张力不断加大，这在生产环境中是绝对不能被允许的，因此在实际的生产过程中，卷筒的转速n
随着钢卷直径D的加大是不断减小的以保证V
恒定。
从而保证卷取张力恒定。
实际设定卷取机的工作张力不能超过带刚的屈服极限σ
，对经过轧制的带钢，由于钢内部组织晶粒的再排列，有一个加工硬化过程，引起屈服强度σ
的增大，根据轧制规程制定的总压下量的不同，σ
有不同的变化值，卷取机设定的工作张力也不同。
因此应根据生产线的产品品种与规格来综合考虑设定卷取机的工作张力的大小。
一般选取工作张力的公式为公式（2-3）。
T=（0.15-0.6）σ
（2-3）
T---卷取机工作张力单位为kg
σ
---带钢的屈服极限单位为kg
2.1.2带钢所受压紧力
为了使带钢能够顺利卷入卷取机，在卷取机前端设有夹送辊，夹送辊采用不同的辊径，上辊大，下辊小，这样可以使带钢经夹送辊后利于产生向下弯曲的弹性塑变，从而得以顺利地进入卷取机。
当夹送辊的最大夹紧力是根据最大卷取张力下带钢与夹送辊之间不产生打滑来设计的。
公式（2-4）为压紧力计算公式，对于一些厚带钢，高强度，高韧性钢，由于张力值增大，可能会产生夹紧力不足，这样会导致带刚头弯曲不足，不能顺利进入卷取机，会造成卷形不良，甚至废卷，使带钢头部对导向板，助卷辊，卷筒等的冲击力非常大，很容易损坏设。
P=
（2-4）
T---为带钢的张力单位为kg
μ---上下夹送辊与带钢之间的摩擦系数，一般取0.2-0.3
根据卷取工艺的不同，在整个卷取过程中带钢要经过轧辊、张力辊、夹送辊、助卷辊等，因此带钢经过这些滚筒的时候还要受到相应的滑动摩擦力。
在卷取过程中已经成卷的带钢不同的带钢层之间还有可能有摩擦力，这些摩擦力的计算需要根据加工的带钢品种和轧制速度的不同进行。
2.2系统控制方案
2.2.1传动控制系统的规则
轧机主传动由三台630kW，二台500kW,440V/1000r/min的直流电动机及直流驱动器组成。
为满足高速、快速停车时制动力矩的需要和方便反向冲动操作，主回路采用4象限直流驱动器，可选西门子6RA70系列或欧陆590系列直流驱动器，本设计采用欧陆590系列直流驱动器；
（2）交流侧电抗器、熔断器、断路器、快速开关（过电流保护用）、接触器，直流侧电抗器按所选驱动器要求设计；
（3）非独立励磁，基速以上保持反电势恒定，弱磁升速。
基速以下额定励磁，调压调速；
（4）速度指令包括同步速度给定，正反冲动给定和张力校正给定三部分，同步速度给定由PLC发出，给斜坡处理后输入；
（5）设有PI张力调节器将发生的张力调节器输出用于校正机架速度；
最大校正能力±
20%。
（6）选取电动机驱动器时，驱动器额定电流至少应等于电机最大电枢电流
R
PM/VMN（2-5）
式中：
PM—电机输出功率；
VMN—电机额定电压。
驱动器输出励磁电流至少应等于电机的额定励磁电流。
开卷、卷取机各一台1000kW，400V/1200r/min的电流电动机及支流驱动器组成。
2.2.2张力控制的方法
采用最大力矩法，控制开卷，卷取机电动机，张力
a/D,其中
为励磁，Ia为电枢电流，D为卷径；
即基速以下，保持
（2-6）
Ia
C
C为常数，基速以上，保持
Ia
C（2-7）
C
C为常数,
（2）速度指令包括1#/5#机架速度，正、反冲动给定和联动时的速度给定三部分；
（3）采用光电脉冲发生器的卷径测量装置；
（4）力矩设定包括张力矩，动态力矩补偿，静态力矩补偿三部分；
采用张力计反馈的张力调节器实现张力偏差的PI调节。
3欧陆590直流驱动器
3.1欧陆590的基本概念
590系列电动机速度控制装置，是作为与配套控制设备安装在标准在标准箱内的部件而设计的。
控制装置使用交流110~500V的3相标准电压，提供直流输出电压和电流，用于电枢和励磁，适用于直流他励电动机和永磁电动机的控制。
3.2欧陆590的基本结构
590系列的控制，是用16位微处理器实现的。
它具有许多先进性能:
（1）复杂的控制算法，这是简单的模拟技术无法实现的。
（2）标准软件模块与可组态的软件控制电路相结合。
（3）通过串行线路，可与其它传动装置或主计算机通讯，能构成先进的过程系统。
图3.1 590控制板
3.3电动机电枢控制类型
电动机电枢控制装置，有再生和非再生两种型式。
非再生控制装置，由一个全控晶闸管桥构成，具有瞬态过载保护和配套的电子控制电路；
在一个选定旋转方向上，提供精确的速度和转矩控制。
再生控制装置，由两个全控晶闸管桥和高级的电子控制装置构成，在两个旋转方向上，能控制加速和减速，以及速度与转矩。
3.4轧机的带钢张力及调整
在既定设备条件下,工艺操作和工艺参数管理对设备能力和产品质量的提高都起着十分重要的作用。
在可逆式轧制生产中,工艺管理的主要项目是在压下规程、辊型控制和带钢张力的调整。
这里主要阐述带钢张力的调整,系统的结构图如图3.2所示。
图3.2 系统的结构图
各种型式的电枢控制装置，都配备励磁调节器作为标准部件。
该调节器，由一单相全波半控晶闸管桥构成，有瞬态过载保护。
该调节器提供固定的电压源或电流源，取决于所选择的恒转矩运行方式，励磁电流工作方式，还可以进一步得到加强，以便为要求扩大速度控制范围和恒功率控制的系统，提供一个削弱磁场的范围。
控制电路与电源电路完全隔离，从而简化了系统内部控制装置之间的接线，并改进了操作安全性；
所有装置都设计为使用插销的简单而经济的面板安装方式；
在整个范围内，都采用标准化零部件，可减少维持多传动系统运行所需的备件品种；
起动和确定故障，有人机接口显示，自动显示第一次故障。
3.5欧陆590轧机的张力控制原理
3.5.1相加模块
欧陆590直流驱动器,内部有36类功能模块,用户通过模块组态可满足各种传动特性的要求。
590提供两个相加模块，功能相同。
通过相加模块，用户可设定三路给定。
其中一路可以通过由电位器给定，也可由其他模拟量输出设备给定，这样就可以得到正确的求和值。
图3.3为相加模块的组成
3.5.2输入输出模块
模拟量输入共有5个模块，模拟量输出有3个模块。
功能如图3.4和3.5所示：
图3.4模拟量输入模块
图3.5模拟量输出模块
3.5.3速度回路模块
速度回路可设定4路输入，如图3.6中共有4路输入，输入经停车斜坡处理后，与速度反馈相减，速度偏差经PI补偿后输出。
速度反馈方式由参数选择，分电枢电压，测速机及光电脉冲发生器三种。
图3.6速度回路模块组块
T1—停车时间，T2—可编程停车时间，In—速度给定，Out—输出
图3.7速度回路模块组成
3.5.4电流回路模块
电流回路主要包括电流给定限幅（速度回路输出限幅），电流反馈及电流偏差PI补偿三部分。
在卷取/开卷工作方式中，速度环饱和，张力电流给定经由正向电流限幅及反向电流限幅进入电流回路。
电流曲线主要是限制弱磁升速阶段的电枢电流值。
弱磁升速阶段，支流电机换向器的换向能力弱，应限制电枢电流值。
图3.8电流曲线
阶跃给定经斜坡处理形成斜坡输出或S曲线输出。
S曲线可实现无级加减速，得到平滑的速度变化，消除负责加减速度的突变过程。
采用S曲线还可减小加减速过程中的机械应力，延长设备使用寿命。
图3.8为线性加速过程，加速度
速度
。
图2.8为S曲线加速过程，其中ab段：
a
=k1t
k1t2
bc段：
k2
v0+k2t
cd段：
k2－k3t
k2t－1/2*k3t2
因此，整个加速过程ab段分成三部分，形成的速度变化像S字母，称之S曲线。
采用S曲线，并不一定延长加速时间。
实际应用中，往往不用S曲线和用S曲线的加速时间是一样的，甚至用S曲线可以缩短加速过程。
这是因为加速端和减速端的平滑，中间线性段可用与Imax对应的最大加速度。
而当用S曲线时，考虑到加速和减速两端的实际允许，整个加速过程反而受到限制，延长了加速时间。
图3.9线性加速度
图3.10S曲线
通过对本模块的配置，表3.1，系统可工作在速度控制方式或张力控制方式。
在速
度控制方式中，还可以选择速度回路给定量。
表3.1速度/张力控制方式选择
模式编号
工作方式
[228]
起动C3
点动C4
速度回路给定
1
运行
有效
无效
斜坡输入[5]
2
爬行1
[5]+[253]
3
爬行2
[5]+[254]
4
点动1
[218]点动1
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