带钢热连轧精轧机组计算机集散控制系统6RA70直流调速毕业设计论文.docx

1、带钢热连轧精轧机组计算机集散控制系统6RA70直流调速毕业设计论文东北农业大学毕业说明书带钢热连轧精轧机组计算机集散控制系统6RA70直流调速入学年级：2014春学生姓名： 学号：所学专业：电气化及其自动化东北农业大学中国哈尔滨2016年5月 摘要热连轧生产控制系统的目的是保证带钢质量达到要求，精轧机是带钢热连轧线的核心设备，产品质量控制功能主要集中在精轧区。要保障带钢热连轧生产的正常运行，设备的正常运转。必须从精轧区入手，精轧机主要控制功能包括轧机主传动速度控制、辊道辅传动单动及跟随轧机主传动联动速度控制、辊缝电动压下控制(APC)、精轧区正常停车与紧急停车控制、精轧生产过程的监控、精轧生产

2、参数设定等。速度控制主要考虑轧制道次改变时速度方向的变化，速度给定按照低速咬钢，高速轧制，低速抛钢的原则进行。要求钢材在辊道上和轧机上的金属秒流量相等。带钢在精轧机组进行连轧时，活套装置起缓冲作用，保持恒定的微张力、微活套量控制。对活套进行套量及小张力控制，以避免堆、拉钢现象。最后，作为电气传动领域中一个极其重要的环节，结合西门子6RA70全数字直流调速装置的具体应用本文设计了电气传动控制柜。关键词：热连轧、6RA70、双闭环直流调速、级联调速1. 绪论改革开放以来我国在轧钢的生产工艺技术方面，已经掌握了目前世界上广泛采用的典型热轧带钢生产工艺，如连铸连轧、常规热连轧、炉卷轧制工艺等，能够依据

3、用户的不同需要来确定合理的生产工艺，并且能确定依此生产工艺而必须的生产设备的选型，确定各工艺设备的必要参数。机械设备方面，基本掌握了常规热轧带钢工艺设备的设计技术，自动控制技术方面，积累了带钢生产线自动控制的硬件和软件设计过程控制必要的数学模型.自动控制系统的硬件组态设计和绝大部分的软件设计和系统调试我国都可很好的自行研究发展，经过这么多年各个发面的努力带钢热连轧在我国得到了很好的发展。1.1 国内外带钢生产现状目前我国已成为世界第一产钢大国，但在钢材产品的质量和技术含量上与发达国家相比，还有较大差距。伴随着近20 年来相关技术领域的技术进步, 热轧带钢生产和研究领域新技术层出不穷,推进了工艺

4、、设备、技术飞跃式的发展。新技术的应用在提高产品质量、降低生产成本、增强竞争能力等方面发挥了重要作用。进入新世纪后,这些新技术将会逐步得到推广应用,由于目前在世界范围内钢铁产量已供大于求,我国钢材生产也已经从追求产量规模向品种质量效益方面转变,虽然不能排除个别新建生产线出现的可能性,但是总体上的趋势是以改造原有生产线为主,用高新技术武装传统产业,依托科技努力拼搏力争把国钢铁工业推向一个新的高度。1.2 带钢热连轧生产工艺及其要求121轧制流程带钢热连轧轧制流程如下：由加热炉加热后的板坯，经26架粗轧机和67架精轧机轧成薄带后，由卷取机卷成带卷，在卷取机入口处设有切头飞剪。粗轧机两架机架间一般不

5、跨接轧件，精轧机各架间因跨接轧件，为保证连续稳定的轧制，不造成堆钢或拉钢现象，通常在机架间装有电动或液压活套支撑器。在保持少量张力和一定活套高度的条件下，以中间机架或末机架速度为基准，进行轧机速度协调控制。要求传动系统调速精度高，动态速降小，恢复时间短。带钢热连轧生产线包括：板坯库、加热炉区、粗轧区、粗精轧之间的中间辊道及飞剪、精轧区、热输出辊道及冷却装置、卷取区、运输链。成品库等。热连轧生产控制系统的目的是保证带钢质量达到要求，其主要指标为带钢厚度、宽度、终轧温度、卷取温度、带钢断面凸度及带钢平直度。122带钢产品的主要质量指标 热轧带钢厚度和宽度尺寸精度，一直是带钢产品质量的主要指标，厚度

6、和宽度控制实际上分为带钢头部的厚度、宽度精度、（主要决定于粗轧立辊和精轧平辊设定模型精度）和带钢全长的厚度、宽度精度（主要依靠自动厚度控制AGC和自动宽度控制AWC分别来实现）。1）：精轧厚度设定模型精轧设定模型的基本任务是根据来料条件及对成品的要求，通过模型的计算确定精轧机组各机架的辊缝、速度以及有关操作变量，以保证获得尽可能准确的带钢头部尺寸。2）：前馈板型控制系统随着厚度品质的不断提高，板形（带钢断面凸度及带钢平直度）已越来越成为生产品质的主攻点，不少废品主要是由于板形品质过差所造成。热轧带钢的板形品质还将直接影响到冷轧的板形品质。板形控制由于涉及因素众多，需采用多种手段进行控制，总起来

7、可分为：板形设定模型；模型自学习；板形自动控制（前馈控制）；板形反馈闭环控制3）：终轧和卷取温度控制系统温度是轧制中最活跃的因素，依据钢的内部组织，对不同的钢种、不同的性能要求有不同的轧制温度范围。对于一般钢种来说，最重要的是保证终轧温度及卷取温度。4）：自动厚度控制系统为了使成品有较好的纵向厚度偏差，各机架均设置自动厚度控制AGC（Automatic Gage Control）.在厚度计控制方式下，系统采用X射线监控和因压下量变化而对速度回路的活套补偿。123热连轧带钢的板形控制 热轧带钢的板形问题是热连轧厂生产中不断出现和必须解决的问题，如何提高产品的板形质量也是轧机设备改进、发明、轧制工

8、艺不断优化的中心内容，带钢的板形控制是热连轧厂永恒的课题。带钢的板形分类1）：理想板形 理想板形是平坦的，内应力沿带钢宽度向上均匀分布；2）：潜在板形 带钢表面上是平直的，带钢内应力沿带钢宽度方向上不均匀分布，但其内部应力足以抵制带钢平直度的改变，当内应力释放后，带钢板形就会发生不规则的改变；3）：表观板形 带钢内应力沿宽度方向上不均匀分布，同时，其内部应力不足以抵制带钢平直度的改变，导致局部区域发生了翘曲变形。1.3计算机集散控制系统综述131集散控制系统的介绍集散控制系统(Total Distributed Control System)是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。集散控制系统

9、与计算机集中控制系统比较,具有操作规程监督方便、危险分散、功能分散等优点,因此自出现以来,在工业控制、数据采集和实时控制系统中就广泛的应用。传统的集散控制系统是采用串行通信,串行通信具有连接简单、使用灵活方便、数据传递可靠、具有成本低等优点,但随着当前对集散控制系统需求的发展,它也存在着传输速率低并在空间上及长远距离的系统中受到限制的问题。越来越多的需求是朝向控制分散、管理集中的趋势发展。132集散控制系统的结构集散控制系统的品种虽然很多，它们的基本结构是相似的，包括上位管理计算机、CRT显示操作站、高速数据通路、过程控制单元以及数据采集装置等五个部分，如图（1）所示。图（1）1：数据采集单元

10、 过程非控变量的数据采集系统，又称过程接口单元。该单元主要任务是采集过程非控变量进行数据预处理，同时还能对实时数据完成进一步加工处理，以供CRT操作站显示和打印，实现开环监视。为了能适应不同类型的过程变量和工艺条件，要求采集系统容量大、采样速率高。 2：过程控制单元 集散系统的核心装置，又称现场控制单元。该单元一般包括微处理器、A/DvD/A转换器、存储器、I/O输入输出板通信接口和电源等部件，但在不同的集散系统中差别较大。控制回路有264个，算法类型有PID、非线形增益、选择性控制、函数计算、多项式系数、Smith预估等，控制类型有连续控制、批量控制和逻辑控制等。为了提高可靠性，过程控制单元

11、一般都有冗余配置，备份比（即主设备和备用设备之比）通常为1181 。 3：CRT操作站 集散系统的人机接口装置，一般配有微机、高分辨率彩色CRT、操作者和工程师键盘、打印机和外存装置等部件。操作人员可在操作站上方便直观的了解生产过程的运行状况，并通过该装置向生产过程发出操作指令。操作站除对过程进行监控外，还能完成系统的组态、编程工作以及部分生产管理工作，如打印报表等。4：管理计算机 集散系统的主计算机，又称上位机。它功能强、速度快、存储能力强，通过专用的通信接口与高速数据通路相连，采集各种数据信息并管理系统的所有信息,执行生产装置或整个工厂的集中和优化管理,实现控制管理一体化。5：高速数据通路

12、 具有高速通信能力的信息总线，又称数据高速通路。它是过程控制单元和数据采集单元与操作管理单元之间的桥梁。集散系统各单元之间的数据传输经由通信系统构成的网络来完成，该网络需遵循一定的通信方式，一般采用专用通信协议。2.带钢热连轧计算机集散控制系统 在钢铁工业中，热带钢连轧机的计算机控制范围最广、功能最齐全、全线自动化程度最高。一般采用四级分层结构计算机控制系统。第一级为生产管理计算机，主要用于全厂或区域存储处理技术信息、订货计划、材料准备。第二级为生产控制级计算机系统，用于建立数据库，实现生产计划和调节，完成板坯库入口到加热炉入口，从卷取机出口到精整线为止的材料跟踪，知道材料所在地点。第三级为过

13、程控制计算机系统，用于制定最优的生产计划，轧机的最佳设定，完成板坯库到卷取机的材料跟踪，给出基础自动化的设定值。第四级为基础自动化系统，主要完成依据工艺要求编程，根据各种检测信号来启动这些程序，将过程控制的设定值在合适的时候送给执行单元。带钢热连轧生产是目前应用计算机控制最为成熟的一个领域，其控制范围包含了整个生产过程，从加热炉入口，甚至从连铸出口开始到成品库，包括了轧制计划，板坯库管理，数学模型，设备控制和质量控制以及传动（电气及液压传动）数字控制各个层次，是轧钢自动化领域最为庞大，最为复杂的控制系统。以下是带钢热连轧计算机控制功能区的结构简图（1）。图1 带钢热连轧计算机系统的功能2.1速

14、度、电流双闭环直流调速装置带钢热连轧计算机集散控制系统中所采用的电器传动的原理是基于双闭环直流调速装置的，直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用，尤其在钢铁工业的电力拖动调速中起到了很好的作用。从生产机械要求控制的物理量来看电力拖动自动控制系统直流电动机和其他参量之间的稳态关系可表示为 式中 n：转速；U：电枢电压（V）；I：电枢电流（A）；R：电枢回路总电阻（）；：励磁磁通（Wb）；Ke：由电机结构决定的电动势常数；211转速、电流双闭环直流调速系统的组成 为实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调

15、节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。如图1）二者串级联接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里边叫做内环；转速环在外边称作外环，这就是转速、电流双闭环调速系统。转速和电流一般都采用PI调节。图1） 转速、电流双闭环直流调速系统ASR：转速调节器ACR：电流调节器TG：测速发电机TA：电流互感器UPE：电力电子变换器Un*：转速给定电压Un：转速反馈电压Ui*：电流给定电压Ui：电流反馈电压注：图中两个调节器的输出都是带限幅作用的转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值，

16、电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。212：单机调速1.直流电机的优点：直流电机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到广泛的应用。调速系统是最基本的电力拖动控制系统。2. 直流电机调速方案直流电机电枢回路的电压平衡方程为 U=E+IaR电枢反电势为 E = Ken由上式可见，直流电动机的调速方案可有以下三种。1：改变电枢回路总电阻R2：减弱电机励磁磁通3：改变电动机端电压调速调速系统的静态指标（1）：第一个指标为调速范围D，它是拖动系统在额定负载转矩时能够提供给生产机械的最高转速与最低转速之比。（

17、2）：静差率 S，当系统在某一给定转速下运行时，负载有空再增加到额定负载时所对应的转速降落与给定转速下理想空载转速n0之比，称作静差率S，显然静差率是用来衡量调速系统在负载变化使得转速稳定度的。它和机械特性的硬度有关，在同一空载转速下，特性越硬则静差率越小，转速稳定度就越高。213稳态结构框图和静态特性 双闭环调速系统的稳态结构框图如图2)所示,一般的PI调节器的稳态特征一般存在两种状况：饱和（输出达到限幅值），不饱和（输出未达到限幅值）。图2） 双闭环直流调速系统的稳态结构框图：转速反馈系数：电流反馈系数转速调节器不饱和：PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总为零，所以Un*=Un= Un*=

18、Ui= 得从而得到图3）中的CA段。Ui* Uim*，IdIdm，即CA段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm， 而Idm一般都是大于额定电流I dN的。这就是静特性的运行段（水平特性）。转速调节器饱和：ASR达到限幅值Uim*，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不在产生影响。即（相当于图中AB段），其中最大电流Idm由设计者选定，取决于电动机容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。双闭环调速系统的静态特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要的调节作用，系统表现

19、为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。图3）双闭环直流调速系统的静态特性214双闭环直流调速系统启动过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压Un*由静止状态启动时转速调节器 ASR会经过不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程如图4）中的、三个阶段。图4）双闭环直流调速系统启动过程的转速和电流波形注：Idl：负载电流；Id：整流电流。阶段（0t1）：电流上升阶段；ASR进入并保持饱和状态，ACR一般不饱和。 阶段（t1t2）：恒流升速阶段；ASR始终饱和，系统加速度恒定。阶段（t2以后）：转速调节阶段；电机仍在加速，使转速超调，超调后ASR输

20、入偏差电压变负，是它开始退出饱和状态Ui*和Id很快下降，但IdIdl转速就继续上升，直到Id=Idl转速n达到峰值，电动机在负载阻力下减速直到稳定（t3t4阶段）。2.2全数字直流调速系统的介绍在当今电气传动领域,由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性,因此在要求高起制动转矩、快速响应和宽速度调节范围的可调电气传动中,仍广泛采用直流电动机作为执行电机的直流调速系统。数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力,在国内外已得到广泛应用。221：全数字化直流调速装置传动简介全数字化直流调速控制传动是指由三相交流电源直接供电,用于直流电机电枢和励磁供电,完成调速任务。全数

21、字化的应用解决了模拟系统中电子元器件参数性能受环境因素影响的问题,特别是温度漂移问题,从而使系统精度的不可控影响因素得以消除,控制精度仅受微处理器字长、检测元件精度的影响,从而达到极高品质的控制功能和水平。222：全数字化直流调速装置具有如下特点a.装置本身带有参数设定单元,不需要其他任何附加设备便可完成参数的设定;b.给定值和反馈值的输入既可采用数字量也可采用模拟量;c.高性能的16位(有的已采用32位)微处理器承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能,调节功能在软件中通过参数构成的程序块实现;d.电压检测为数字化电压变送器,电流检测为数字化电流变送器,检测精度高;e.使用通讯选件,既可实

22、现本装置与其他调速装置之间的对等通讯,也可实现本装置与PLC和上位PC机之间的实时通讯;f.具有完善的参数及状态显示、监控报警、故障诊断以及自适应、自学习等功能;g.通过PC机和调试软件,还可实现远距离的参数设定、修改、显示、监控等功能。2.3西门子6RA70全数字直流调速装置23. 1介绍为了满足工业自动化对电气传动系统越来越高的性能要求，西门子公司1999年隆重推出了新型的直流驱动产品6RA70。最新推出的 SIMOREG DC Master 6RA70 系列直流全数字调速产品，在 6RA24 产品的基础上更具有以下特点:1. 单台装置输出额定电枢电流: 15A2200A，额定励磁电流:

23、3A 85A。装置并联后输出额定电枢电流可达 12000A。2. 输入电压分为五个等级: 400V/460V/575V/690V/830V (460V 装置暂不供货)。3. 强大的通讯能力。有 SIMOLNK 高速直接的装置-装置通讯，还可支持 PROFIBUS、CAN-BUS、DeviceNet、USS 协议等。4. 所有工艺板，通讯板及 OP1S 操作面板都可与新一代的 SIMOVERT MASTERDRIVES 矢量控制交流调速产品通用。232技术特点软件功能更加强大6RA70采用了新颖的BICO技术，使所有功能块均可以通过参数来连接。其中，采用了双CPU处理器C163和C167、16M

24、地址区、83ns指令执行时间、1024K，FLASHEPROM。双处理器处理电枢回路和励磁回路开环和闭环所有传动控制功能。高性能的计算特性保证了传动装置优良的动态性能，电流环的上升时间为69ms，速度环的上升时间为25ms其控制系统结构图参见图2。图2 闭环控制系统框图该装置的主要特点如下: (1)用脉冲编码器反馈时,调节器精度达到n=0.006%(数字给定);调节器精度n=0.1(模拟给定)。 (2)C98043A7001开环和闭环控制电子模板,该模板是全数字调速装置的核心硬件。内置微处理器,主要完成:电枢回路、磁场回路的开环及触发脉冲的控制。速度给定,速度反馈。装置运行的使能控制。可组态的

25、输入输出控制端。 (3)电流调节器、速度调节器,通过自动优化得到调节器的相关P、I参数。弱磁的优化运行可得到电动机的磁化曲线。 (4)通过选择斜坡上升、下降、过渡圆弧等时间来实现起制动、加速度的S曲线过渡,减少因速度突变而引起的电流过大现象和机械冲击现象,有利于延长电器和机械寿命。 (5)6RA70装置提供了丰富的自由软件模块连接,可以通过开关量的连接和模拟量连接能任意配置所需的控制功能。233 6RA70全数字直流调速装置基本结构原理6RA70系列变流器为全数字紧凑型整流器，输入为三相电源，可为变速直流驱动提供电枢和励磁供电，额定电流从15A至2000A.采用2台高效能的微处理器(C163和

26、C167)完成电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能。调节功能在软件中通过参数构成的程序模块来实现。(1)励磁整流电路本电控系统励磁为恒磁供电系统，他励，励磁电压110V,励磁电流233.2A,励磁整流电路为单象限三相全控桥，励磁整流装置采用原装的西门子SIMOREG DC-Master6RA70全数字直流调速装置，额定直流电压485V,额定直流电流280A (2)滤波电杭器设计电动机电枢回路电感为3.46mH，通过计算主回路不需要滤波电抗器就可以满足电控系统要求.(3)直流回路快速断路器选择直流回路快速断路器为DS14-32/15额定电压:1500V额定电流:3150A整定电流范围:250O

27、A-6300A其结构原理图如下：2.4活套 精轧机组与级联调速241活套和精轧机的控制功能活套自动控制就是以某一设定的高度为基准，用调节主机速度来维持活套量恒定，即在主传动速度控制系统及活套装置的套量信号所组成的活套闭环控制系统中，当实际活套高度与基准值不等时，用其差值控制上游或下游机架主传动的速度，纠正秒流量偏差，以保持活套量恒定。两机架之间的活套控制环节中的每个反馈信号控制一个机架，机架与机架之间只通过级联来联系。活套控制原理图如图1）所示：图1） 活套控制原理图精轧机主要控制功能包括轧机主传动速度控制(自动加减速、正反转、自动减速停机等)、辊道辅传动单动及跟随轧机主传动联动速度控制、辊缝

28、电动压下控制(APC)、等。精轧机控制的关键是轧机的速度控制和辊缝电动压下位置控制。（1）速度控制精轧机的速度控制主要考虑轧制道次改变时速度方向的变化，速度给定按照低速咬钢，高速轧制，低速抛钢的原则进行。在轧制奇数道次时.轧机首先以等待速度运行，轧机人口热检检得钢坯时轧机加速到咬钢速度，通过电流信号检测到咬钢后轧机加速到轧制速度，热检信号检测到抛钢前轧机减速到抛钢速度，当轧机内无钢后减速到零。在轧制偶数道次时，轧机首先以等待速度运行，当钢坯到达出口推床后加速到咬钢速度，轧机咬钢后加速到轧制速度，抛钢前减速到抛钢速度，当轧机抛钢后减速到零。可见轧制偶数道次时轧机的加减速顺序和奇数道次时相同，只是

29、速度给定的方向正好和奇数道次时相反。精轧机对轧件一般要轧制7一9个道次。图2示意了轧制第1,2道次时轧机速度控制曲线图2 可逆轧机轧制速度曲线 V0 轧机空转速度（等待速度）； VAj 第j道次咬钢速度； VBj 第j道次轧制速度; VCj 第j道次抛钢速度轧机各个道次速度设定值(包括咬钢速度、轧制速度、抛钢速度)不同，前后辊道速度随轧机的速度变化而变化。辊道的控制，主要是在适当的时刻对某个辊道输出合理的辊道速度，根据工艺要求，为保证钢材平稳地咬人，各段辊道速度要与此辊道相关的轧机速度同步。辊道与轧机速度同步，就是要求钢材在辊道上和轧机上的金属秒流量相等，辊道速度可按下面公式计算:V辊道=C(

30、1)V轧机式中，C为超前或滞后率(可调整); 为压下率。由于轧件在辊道上会发生打滑现象，所以在计算辊道的设定速度时还应考虑超前或滞后率。而与轧制无关的辊道则要高速运行，目的是为了减少钢材在辊道上的停留时间，以减少温降。（2）辊缝电动压下控制(APC)ARC即自动位置闭环控制，在电动APC控制程序中，对辊缝偏差S设定死区和拐点两个位置。S死区是人为设定的辊缝偏差极小值，在这个区域内将电机速度给定值设定为0;S拐点由人为设定，当辊缝接近目标值时，需要将电机速度给定值减小，以便准确定位，这个人为设定的辊缝偏差点即为拐点。APC运行过程是当辊缝偏差很大时，输出一个最大值VMAX，当辊缝偏差到达设定的S

31、拐点时，输出按设定斜率减小，直到减小到最小输出量VMIN，即按VMIN的设定量输出，进人死区后，输出为0，近似模拟V/S曲线见图3.图3 APC V/S曲线图242活套布置工艺带钢在精轧机组进行连轧时，通过活套装置的缓冲作用，保持恒定的微张力、微活套量控制。现以某厂精轧机组的活套布置为例，该精轧机组部分包括六架精轧机，五台电动活套（活套高度控制）、测厚仪光闸等。 六架精轧机分别由一台交流电动机进行驱动。在实际轧制过程中，轧机按照规定的速度匹配关系，轧制不同规格的带钢。五台活套分别由一台直流电动机进行驱动。在带钢轧制过程中，对活套进行套量（活套高度）及小张力控制，以避免堆、拉钢现象。2.5 设计使用说明251设计6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列整流器以其紧凑和节省空间的结构为特色，由于各个的部件容易接近，其紧凑式设计使他们特别容易保养与维护，电子板箱包含基本电子板和任何附加板。所有SIMOREG DC MASTER 装置均配备一个安装在整流器门上的简易操作面板PMU，面板由一个5 位，7 段显示，作为状态显示三个LED 和三个参数设置键组成。PMU 还具有根据RS232或RS485 标准同USS 接口的连接器X30