工业设计论文攀钢西昌钢钒冷轧厂连退机组自动化控制系统的设计

　　基础自动化主要进行电气自动控制和仪表自动控制。根据12下达的生产计划、设定值、操作工的操作指令、现场传感器的检测信号等控制现场设备运行，对各种工艺设备的过程信息进行检测、收集、显示、记录以及数据的实时处理，实现各种工艺设备的运转控制、动态调节以及工艺过程的自动调节控制，完成对生产过程的控制。同时PLC系统还要完成带钢跟踪、实绩数据的采集等工作。操作员也可以通过HMI修改L2的设定值。基础自动化系统采用西门子SimaticS7控制系统，完成机组的逻辑顺控、协调控制、电机变速控制、自动化过程控制及数据收集。通过控制网交换信息，完成各控制器与HMI、变频器间的信息传递。

　　基础自动化PLC通过配有的HMI服务器和客户机系统提供给操作者对生产线的监控和操纵功能，对生产过程中产生的各种信息等根据分类进行管理，比如进行报警和警告。通常，在PLC系统中，操作几乎都是通过HMI（人机接口）的显示屏和键盘实现的。几乎所有的操作和机组故障监视都是操作员用操作模式选择、开/关选择、过程设定参数修改、故障复位等和监视过程状态、过程数据、设定参数、故障等实现。

　　在这些系统中，所有需要的画面，都用操作模式、关联开关、过程数据、故障报警等在液晶屏上显示。操作员能用鼠标和键盘在相关的部分操作，如模式选择、顺序流程启动/停止、传动系统启动/停止等。画面系统主要提供了下列的内容：

　　生产线总览，全线带钢跟踪总览，在屏幕上显示重要操作数据。

　　焊缝跟踪，显示钢卷焊逢的位置和状态。

　　信息管理，监视和分类从控制系统来的报警、瞥告、过程信息等。

　　仪表控制总览，提供液压等部分的仪表监控。

　　辅助系统控制，提供辅助设备的状态监控和启动/停止控制。

　　配置的PDA过程数据采集系统通过DP总线方式允许直接访问S7的内部变量，可以对基础自动化中的运行数据进行高速在线数据的收集、监视、事故记录和数据的离线分析（数据采样周期约为几十ms），便于调试与维护人员实时分析或事后对生产线的各种情况做出分析。

　　由于本机组具有很高的处理速度，在高速处理线中，对带钢的稳定运行传动系统起着很重要的因素。因此，高精度和高响应的控制系统需要应用在机组传动控制的传动系统中。为此在机组传动系统中采用了德国西门子AFE控制变频器S-120和G-130系列。配合控制高性能变频调速电机。

　　2控制系统完成的功能

　　自动控制功能为机组提供所需要的功能，如张力控制、逻辑顺序、机组同步、调速电机控制、过程控制和数据收集。系统通过高速以太网通信。

　　自动控制系统总共设有6套S7400PLC，共分13块CPU组成，为西门子S7-416-2CPU13块，其中S7300F319-2DP1块，其主要功能分担如下。

　　PLC1：入口段，顺序，钢卷入口，线上协调，主斜坡发生器，带钢定位，张力控制，入口液压.

　　PLC2：工艺段，顺序，线上协调，主斜坡发生器，带钢定位，张力控制，

　　PLC3：原料跟踪-数据处理，清洗段和平整机的检测和控制系统

　　PLC4：出口段，顺序，钢卷出口，线上协调，主斜坡发生器，带钢定位，张力控制，出口液压

　　PLC5：平整机，轧辊换辊，液压

　　2.1顺序控制系统

　　顺控CPU是基础自动控制中最基层的控制器，主要完成顺序控制和具体设备的动作。顺控的控制对象为与生产线的速度、张力无关的设备，例如：换向阀、比例阀、MCC、非线上的变速电机。如夹送辊、压辊的打开/关闭，入出口的小车、步进梁、圆盘剪、助卷皮带等动步的顺序控制（自动步清单，参考各段顺控系统说明），以及液压站、润滑系统、废水系统等MCC的控制，根据现场状态，将来自操作台或由LCO发来的命令结合安全联锁信号后，对现场具体设备发出动作命令，同时监视其反馈信号，并在HM1画面上显示。

　　现场所有的ET200站都连接到各段的顺控CPU，信号由该CPU传输给LCO、MTR。

　　顺控CPU还担负除张力计外所有第3方单体设备接口的任务，它将第3方设备的信号传递给LCO、MRG、MTR、L2。

　　2.2主线控制系统

　　主控系统完成两方面的工作，一种是协调控制系统（LCO），另一种是主令速度生成系统（MRG）。

　　在机组的每一个控制区域，主控系统执行的是一种相对高级的控制功能，主要负责所有带钢传输设备的分配和协调，以确保一个最优化的带钢移动控制。

　　根据不同的操作模式，设定值的分配和机组的操作将分别通过过程控制计算机（12）、HM1或通过操作台/盘/箱完成。

　　主控系统的主要功能包括：操作模式处理、速度控制、点动控制、传动控制、定位控制、张力控制、通信。（1）机组协调控制LCO

　　LCO是人与机器之间的接口，它接收机组操作员的指令，协调机组的运行，并向MRG下达设定值。LCO的主要功能包括：操作模式处理；机组运行的启动和运行等联锁条件的检查和确认；操作指令及设定值的选择和下达（到MRG），包括速度、加速度、张力、定位等；生产线辅助传动（压辊、穿带设备、矫直机等）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；成组点动操作；单独点动操作；带钢位置的监视；HMI和操作台接口；与其他设备的接口处理。

　　（2）机组的斜坡生成MRGMRG称为主令速度生成系统。MRG执行LCO（生产线协调控制）的命令和设定值，并将设定值经过处理后，发送给相关的传动，完成带钢传送设备（一般是指传动）的控制。

　　MRG的主要功能包括：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；根据LCO的定位设定，进行带钢的自动定位；张力的斜坡处理以及开卷机、卷取机、活套、张紧辊等的张力控制；带钢的断带检测；活套的自动位置控制；传动控制及通信处理。

　　2.3系统设计要点

　　由于连退机组在正常生产运行时，中央段（炉段）对带钢做退火的加热段温度极高，其带温可达到soot以上，并且退火炉升降温时间曲线长。而如果带钢过长时间处于高温下，就容易发生高温瓢曲，从而影响板形质量甚至发生炉段断带。另一方面，带钢在加热退火后变软，表面有固熔碳和铁粉析出，相对波动较大的张力也会对带钢表面质量有影响，以及过大的波动导致带钢被拉断而停机。因此连退机组的控制系统在设计时就需要考虑尽可能地保持机组的平稳运行和张力稳定。

　　提高机组自动化系统的稳定性、容错性，可以从多方面入手，例如合理的基础自动化网络结构、错误的传感器信号反馈、主线普通变频电机的故障（非张力辊）等。

　　目前业界基础自动化系统使用最为广泛的就是分布式网络结构，作为屏蔽双绞线的西门子Profibus-DP电缆在现场应用中还是很容易受到各种各样的干扰影响，降低了网络的稳定性。系统首先通过在系统中使用光纤/DP转换模块，以光纤做长距离通信介质替代DP电缆，缩短DP线长度，同时提高网络速度，达到更加优化的分布式网络结构。此外，在现场安装时期，通过严格监控安装质量，使网络获得良好的屏蔽接地效果。再有，在现场调试阶段，发现以DP作为接口的检测元件，如位置传感器、旋转编码器等，在自身受到轻度干扰时，会干扰到所在的整个网络。于是经过分析调整，将各PLC区域的类似元件进行整理，分区域汇总到独立的网络中，隔离与其他远程站间的影响。通过以上几步，在系统中有效减少了网络线受到干扰的几率。

　　对于入出口段最多的类似压辊打开或关闭反馈等不影响机组运行和设备安全性的错误信号，在机组已处于正常运行时，则仅在HMI画面上给出指向明确的报警。机组转运带钢的传动设备在正常运行时也会由于各种原因而导致出现故障，考虑到这种情况，在设计时除功率较大、较重要的传动设备，如各张力辊、开卷机卷取机、活套卷扬电机等具有气动或电动抱闸外，其余大量较次要的传动设备并未设计带有抱闸装置。这样当这些设备在机组运行出现故障后，自动控制系统将仅给出报警，并自动把该传动辊当做机组无传动的随动辊继续运行。

　　带钢的张力波动主要来自外部扰动以及对扰动的过度响应，如机组的加减速、电机响应的不匹配、张力调节器参数不合适等。

　　机组加减速的速度设定来自于主令速度斜坡发牛器MRG.采用对速度的S曲线算法.有效减小了加减速对张力的影响。

　　电机响应的匹配基本上在现场调试期间加以完成。通行做法为：首先是做无负载的电机单体调试以测定电机基本参数；然后将辊子或机械设备与电机通过接手连接后运转，调整传动PI等参数，以获得一个较好的电机阶跃响应曲线和稳态曲线；接着借助实时数据采集系统（PDA）对同一区域电机还需做同步调整，以确保同区域的电机带机械运转时能够在同一个设定值曲线下拥有快速一致的响应曲线和稳态曲线；在带上带钢和穿带冷负荷运行时，尚需再次在PDA的协助下对电机响应做微调，以达到最终同区域的电机运行稳定步调一致。

　　通过以上几种措施，既有效减少了机组的停机时间，又获得了较稳定的运行张力曲线，保证了生产平稳并提供设备维护人员修复时间。

　　3实施效果

　　西门子控制系统具有开放性好，工程技术人员易于掌握，具有良好的技术支持等优点。本系统将于2014年6月投入生产。

　　参考文献：宝钢2030新增连退机组基础自动化系统