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1、冷轧热镀锌机组自动控制系统企业： 自动化博览日期： 2011-06-28领域： 运动控制点击数： 429 随着国民经济的稳步发展，各级用户对热镀锌产品提出了更高的质量要求，为了满足这一要求，热镀锌机组的自动控制系统必须具备如下特点：全数字化，高速度、高精度、高响应；可靠性高，免维护性强；三电一体化，效率高，投资省；兼容性强，开放性好，便于开发和发展。某公司热镀锌机组于2010.8 顺利实现热负荷试车一次成功，目前正处于生产爬坡阶段，其自动控制系统采用了西门子自动化产品，本文就其系统配置和特点、速度以及张力控制作一阐述。众所周知，自动控制系统一般采用分级式层次结构，包括L2 过程控制级、 L1基
2、础自动化级以及L0 现场执行级， 另机组中的退火炉采用独立的DCS （含数学模型）进行控制，限于篇幅，本文对L2 及退火炉控制系统不作描述。1 工艺简介本机组采用美钢联工艺，在退火炉前设置清洗段，采用电解脱脂，可将带钢表面油污完全去除； 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
3、、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SIMATIC S7-400 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STEP 7 、CFC 、D7-SYS 、GRAPH 等，编程语言包括顺序功能流程图、结构文本、功
4、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
5、传输速率为9.6K12Mbps ，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 SIMOVERT MasterDrives 6SE70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 Drive ES 。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
6、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（ Line Coordination Control，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（ Master R
7、amp Generator ，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（ Support and Sequence Functions，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
8、，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（ Instrumentation and control，I&C）本机组采用西门子SIMATIC S7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（ Material Tracking，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
9、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
10、 / 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
11、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
12、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
13、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=CMI （式 1）式中， CM为电机转矩常数； 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=TD/（2i ） （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； 为传动系统的机械效率。由（式 1）和（式 2）可得：T
14、=K I/D （式 3）式中， K=2i 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， 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 I/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 = Vi/ （n） （式 4）式中， V为带钢运行线速度
15、； 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
16、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* *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
