冷轧热镀锌机组自动控制系统Word文件下载.docx
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采用全辐射管还原炉加热带钢，因而镀锌层的表面质量较好。
机组设置3个立式活套，用于动态储存带钢，缓冲和调节各段之间的生产节奏，确保机组连续生产。
机组主要由入口段、工艺段、平整段及出口段4部分组成。
入口段：
步进梁→钢卷鞍座→钢卷小车→开卷机→矫直机→入口剪→焊机→月牙剪→1号张力辊→入口活套。
工艺段：
2号张力辊→清洗段→3号张力辊→跳动辊→退火炉（由预热段、加热段、均热段、缓冷段、快冷段、热张辊、炉鼻子等组成）→锌锅→气刀→镀后冷却塔→5号张力辊。
平整段：
中间活套→6号张力辊→四辊平整机→7号张力辊→拉矫机→8号张力辊→后处理→9号张力辊。
出口段：
出口活套→月牙剪→圆盘剪→10A号张力辊→检查台→10B号张力辊→涂油机→飞剪→卷取机→钢卷小车→钢卷鞍座→钢卷称重与打捆→步进梁。
2系统配置
2.1概述
基础自动化系统采用SIMATICS7-400可编程逻辑控制器（PLC），包括机架、电源模块、中央处理单元（CPU）、信号模块、接口模块、功能模块、通讯模块等。
软件开发平台为STEP7、CFC、D7-SYS、GRAPH等，编程语言包括顺序功能流程图、结构文本、功能块图、指令表、梯形图。
人机接口（HMI）采用Server/Client结构，由1台服务器、若干台客户机以及相关网络设备组成。
服务器管理着过程通讯、数据存贮以及与客户机的通讯；
客户机作为操作站，显示从服务器发出的数据，接受操作员的输入，并将它传送至服务器。
人机接口软件采用WinCC，包括服务器版、运行版和开发版。
系统网络采用三级架构，HMI服务器与PLC之间通过工业以太网（TCP/IP，ISO/OSI）进行数据通讯，其最大通讯速率为100Mbps；
HMI服务器与客户机之间通过以太网（TCP/IP）进行数据通讯；
现场总线采用当今最重要的标准Profibus-DP，其数据传输速率为9.6K～12Mbps，传动装置配有CBP2通讯模块与PLC进行通讯。
传动控制系统采用现代矢量控制（VC）的代表SIMOVERTMasterDrives6SE70变频装置，主要由公用整流器、直流母线以及逆变单元三部分组成。
逆变单元采用IGBT功率元件；
公用整流器采用带有预充电回路的晶闸管三相全控桥，传动维护工具为DriveES。
为了提高输出电流将两台具有相同额定电流的整流装置并联。
制动方式采用能耗制动，用于机组紧急制动情况下系统处于发电状态时产生的能量消耗，以确保直流母线不过压。
2.2配置特点
2.2.1多CPU系统的应用
基于热镀锌机组的复杂性，选择较高级的CPU416-2作为PLC的中央处理器，并且采用多CPU系统，每个CPU的功能分配如下表所示。
表1
2.2.2应用软件编制采用单元结构
热镀锌机组的应用软件编制分为不同的单元，每个单元完成相应的功能，使软件可读性好，结构清晰，易于修改和维护。
（1）机组协调控制（LineCoordinationControl，LCO）
LCO主要功能有：
操作模式处理；
机组启动和运行联锁条件的检查确认；
操作指令及设定值的选择和下达；
辅助传动控制命令的产生；
穿带、甩尾、定位等自动顺序控制；
传动的接通、关断控制及状态监视；
成组及单独点动操作；
带钢位置监视等。
（2）主令速度生成器（MasterRampGenerator，MRG）
MRG主要功能有：
速度和加速度斜坡的产生；
根据LCO的设定进行带钢尾部的自动减速以及带钢的自动定位；
张力的斜坡处理及开卷机、卷取机、活套、张紧辊等的张力控制；
静张力和运行张力的自动处理；
带钢的断带检测；
活套自动位置控制；
传动控制及通讯处理等。
从表1中可以看出，每一段均配有主控和顺控CPU，LCO和MRG一般在同一个主控CPU中实现。
（3）顺序控制（SupportandSequenceFunctions，SSF）
SSF的控制对象是与生产线速度、张力无关的设备，如电磁阀、恒速电机等。
顺控CPU将操作或主控命令结合安全联锁信号，对现场设备发出动作命令，同时监视其反馈信号，并在HMI画面上进行显示。
顺控CPU还负责除张力计外所有机电一体品的接口。
（4）仪表控制（Instrumentationandcontrol，I&
C）
本机组采用西门子SIMATICS7实现仪表控制功能，用于仪表控制的CPU安装在与跟踪系统CPU相同的框架上，其控制范围包括清洗段、湿平整及高压清洗系统、后处理段。
I&
C主要功能有：
温度、流量、压力、液位、电导率的控制和监视。
（5）物料跟踪（MaterialTracking，MTR）
MTR可实现对其跟踪区域内运行的所有带钢上的特殊点（如焊缝、缺陷等）的精确位置跟踪及其钢卷数据的精确跟踪，还能为机组的其他控制设备激活新的设定值，并统计汇报机组的生产数据。
3速度和张力控制
3.1概述
热镀锌机组的核心控制对象是速度和张力。
对处于相同工艺段的成组设备，要求各设备的线速度保持同步，即不论处于加速或减速过程中，各设备的线速度均要相等，为此使用MRG主令速度生成器，用它的输出作为所有被控设备的速度指令，其框图如图1所示，只要控制该工艺段MRG的输出和变化率，就控制了该工艺段的速度和加速度值。
图中的“操作模式选择和处理逻辑”包括来自操作台的加速启动（RUN）、穿带（THRD）、正常停止（NS）、保持（HOLD）、快停（QS）、紧停（ES）等按钮以及自动/手动运转方式等选择开关；
包括带钢的跟踪信号，如焊缝位置、活套储量等；
包括机组综合运行条件，如起动或运行时所需要的联锁条件等。
MRG将上述信号与“速度和加速度选择”相结合，最终产生出按S曲线进行变化的速度信号，以防止不同的响应引起的张力波动。
这种不同的响应是因不同的设备参数（如转动惯量GD2等）在加减速开始和结束时产生的，因此在加减速阶段开始和结束处应有光滑曲线进行过渡，这样才能确保具有平滑的切换特性，从而有效改善张力的控制性能。
图1传动控制系统
为实现带钢在机组上的稳定传送，或某一特定的工艺功能，例如平整机的延伸率控制等，工艺对带钢在机组中各个位置都有张力要求，此要求集中体现在“机组张力表”中，这张表是电气实现机组张力控制的基础。
张力控制的基本思想是分段张力控制原理，每段使用一个张力控制器。
张力控制器的工作原理：
首先计算张力设定值与张力实际值的偏差，然后经适当的控制算法，将偏差转换为速度补偿量叠加到速度控制环的速度给定上，速度控制环的速度检测由电机所带高精度编码器完成，速度控制环的输出经转矩限幅作用于电流控制环，其输出最终作用于电机上。
一般有直接张力和间接张力二种控制方法，使用哪种方法取决于工艺控制要求和机组设备配置（张力计）。
张力计测得的张力实际值在使用前需进行标定和平滑处理。
间接张力控制中张力实际值是通过电机电流间接计算得到的。
3.2张力辊的控制
张力辊有速度控制和张力控制二种控制方式。
3.2.1张力辊的速度控制方式
本机组中，1号、4号、6号以及10A号张力辊分别是入口段、工艺段、平整段以及出口段的主令速度辊。
在速度控制方式下，要求张力辊组的多个传动辊的作用力一致，辊的速度要实时保证同步。
采用标准的双闭环速度控制系统予以实现，速度环不允许饱和。
3.2.2张力辊的张力控制方式
除主令速度辊以外，其余张力辊均为直接张力控制。
将张力调节器的输出叠加到速度设定上，使速度环饱和，即速度环之外为张力环，张力调节器和速度调节器均为比例积分形式，以此来保证各个传动辊的转矩输出一致。
3.2.3张力辊的负荷平衡控制
负荷平衡控制是张力辊控制的一个重要内容，其作用是使各张力辊的负荷尽可能地相近或满足一定比例的分配，使各张力辊都能发挥各自能力，协同完成带钢张力控制要求。
其基本原理是将测得的各张力辊电机电流送到控制器内进行比较，差值经负荷平衡调节器输出后叠加到从辊的速度给定上，通过调节从辊的速度来控制输出转矩。
3.3开卷机、卷取机的控制
以开卷机为例介绍其间接张力控制原理。
电机产生的电磁转矩：
MD=CM×
Ф×
I（式1）
式中，CM为电机转矩常数；
Ф为电机磁通，I为电机电枢电流。
带钢在开卷机上产生的张力矩：
MT=T×
D/（2×
i×
η）（式2）
式中，T为开卷张力；
D为钢卷外径；
i为开卷机的传动比；
η为传动系统的机械效率。
由（式1）和（式2）可得：
T=K×
I/D（式3）
式中，K=2×
η×
CM，为常数。
开卷机间接张力控制一般采用“最大力矩法”，这是由于“最大力矩控制方式”较“比例控制方式”存在多方面的优点：
容易选择电机，无论速度高低均能发挥电动机的最大力矩；
控制方式合理，利于经济运行。
由（式3）得：
基速以下，Ф保持恒定（满磁），I与D成正比变化以保持T不变，电机为恒转矩调速；
基速以上，电机为弱磁升速状态，电枢电压保持不变，若保持T不变，必须使ФI/D保持不变，电机为恒功率调速。
由此可见，卷径计算的精确与否是开卷机张力控制精度的关键因素。
瞬时卷径D的计算公式为：
D=V×
i/（π×
n）（式4）
式中，V为带钢运行线速度；
n为开卷机转速；
i为开卷机的传动比。
卷径计算根据原有卷径和卷径变化量做减法运算并对计算结果进行正确与否的判定，所以必须有一初始的卷径设定值。
穿带时开卷机为速度控制模式；
正常开卷时为张力控制模式，此时速度环饱和，整个控制系统由电流环进行调节，电机处于恒张力状态，其转速由速度限幅决定，其值来自张力设定值。
3.4活套卷扬的控制
活套卷扬的控制包括有活套小车位置调节器、带钢张力调节器以及活套小车同步调节器。
由于本机组均为单小车活套，而活套小车同步调节器是配置2台及2台以上小车的活套所特有的控制环节，因此不予考虑。
下面以入口活套为例，介绍其控制原理。
3.4.1活套小车位置调节器
当活套入出口速度出现相异时，活套卷扬电机必须相应运转以保证带钢秒流量平衡。
设冲套方向为正，则活套卷扬电机的初始转速给定为：
n=（Ven-Vex）*60/（N*π*D*G）（式5）
式中，Ven为活套小车入口速度；
Vex为活套小车出口速度；
N为活套小车带钢股数；
D为活套小车卷筒直径；
G为活套小车卷扬齿轮箱变速比。
活套小车位置调节器的核心是行程预计算器，它依据活套卷扬的速度，计算出活套到达满套或空套时所需要的行程值，位置调节器将这个值不断与位置设定值进行比较，当二者相等时就给出满套或空套信号，这个信号作用于速度控制器，通过改变入口段速度的最大限幅值控制小车位置。
3.4.2带钢张力调节器
无论活套入、出口速度以及活套小车位置如何变化，活套中的带钢都必须保持恒定的张力，因此设有一个直接张力控制器作用于活套卷扬电机。
其工作原理为：
张力设定值与实际张力值进行比较，差值经比例积分调节器调节后作为转速附加补偿，通过调整卷扬电机速度达到调节张力的作用。
直接张力的优势在于无须考虑带钢厚度、摩擦力、弯曲损失和小车重量等因素对于控制系统的影响。
3.5平整机的控制
为了消除带钢的屈服平台，获得良好的带钢平直度和合适的带钢表面粗糙度，本机组设置有四辊平整机，而延伸率是平整机的一个重要工艺指标，其控制精度直接与冷轧成品带钢的质量有关。
所谓延伸率，指的是带钢平整后相对于平整前沿长度方向上的增长，公式如下：
（式6）
式中：
ε为延伸率，I_entry为带钢在平整机入口侧的长度；
I_exit为带钢在平整机出口侧的长度；
V_entry为带钢在平整机入口侧的速度；
V_exit为带钢在平整机出口侧的速度。
平整机入、出口侧各安装有1个PLG，分别对每个测量周期的带钢长度进行计数，以此确定带钢长度并计算出延伸率实际值。
延伸率控制方式有“轧制力控制”与“轧制力和张力控制”，前者用于厚带钢控制，后者则用于薄带钢控制，使用哪种模式由操作人员选择。
轧制力控制模式下，延伸率的设定值与实际值之间的偏差量经过转换与限幅处理后作为平整机轧制力的附加设定值。
两个直接张力控制器在出口和入口区域保持带钢恒张力。
如果L2下达的最大轧制力仍然不能达到设定延伸率，此时可以使用“轧制力和张力控制模式”，延伸率将通过附加轧制力和入出口侧的附加张力进行控制。
平整机在“平整机不投用模式”下将处于打开状态，出口张力控制器接通，入口张力控制器关断。
3.6拉矫机的控制
平整段出口设置有两弯两矫形式的拉矫机，其目的是获得良好板形，改善材料各向异性，消除屈服平台，阻止滑移线形成。
前后张力辊的传动方式为单独驱动，控制方式有延伸率控制与张力控制。
张力控制模式下，前后张力辊之间无速度差，为张力辊直接张力控制方式。
延伸率控制模式下（延伸率定义同平整机），前后张力辊之间有了因为延伸率而产生的速度差，拉矫机入、出口侧各安装有1个PLG，分别对每个测量周期的带钢长度进行计数，这样就可确定带钢长度并计算出延伸率的实际值。
4结语
速度和张力是热镀锌机组自动控制中的两个关键因素，如何提高二者的稳定性以及控制精度，对于保证机组的顺利运行，发挥机组的产能，提高产品质量有着十分重要的意义。
西门子自动化产品性能可靠、工作稳定、控制精度高、扩展性灵活，完全满足生产要求，具有极大的推广价值。
参考文献
[1]曾照强.带材卷取机控制方式讨论[J].有色金属加工.2003,
（1）:
23.
吴家浩（1975-），男，上海市，工程师，工程硕士学位，现从事自动化专业。
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