隨著(zhù)國民經(jīng)濟的穩步發(fā)展，各級用戶(hù)對熱鍍鋅產(chǎn)品提出了更高的質(zhì)量要求，為了滿(mǎn)足這一要求，熱鍍鋅機組的自動(dòng)控制系統必須具備如下特點(diǎn)：全數字化，高速度、高精度、高響應；可靠性高，免維護性強；三電一體化，效率高，投資??；兼容性強，開(kāi)放性好，便于開(kāi)發(fā)和發(fā)展。

    某公司熱鍍鋅機組于2010.8順利實(shí)現熱負荷試車(chē)一次成功，目前正處于生產(chǎn)爬坡階段，其自動(dòng)控制系統采用了西門(mén)子自動(dòng)化產(chǎn)品，本文就其系統配置和特點(diǎn)、速度以及張力控制作一闡述。

    眾所周知，自動(dòng)控制系統一般采用分級式層次結構，包括L2過(guò)程控制級、L1基礎自動(dòng)化級以及L0現場(chǎng)執行級，另機組中的退火爐采用獨立的DCS（含數學(xué)模型）進(jìn)行控制，限于篇幅，本文對L2及退火爐控制系統不作描述。

    1 工藝簡(jiǎn)介

    本機組采用美鋼聯(lián)工藝，在退火爐前設置清洗段，采用電解脫脂，可將帶鋼表面油污完全去除；采用全輻射管還原爐加熱帶鋼，因而鍍鋅層的表面質(zhì)量較好。機組設置3個(gè)立式活套，用于動(dòng)態(tài)儲存帶鋼，緩沖和調節各段之間的生產(chǎn)節奏，確保機組連續生產(chǎn)。機組主要由入口段、工藝段、平整段及出口段4部分組成。

    入口段：步進(jìn)梁→鋼卷鞍座→鋼卷小車(chē)→開(kāi)卷機→矯直機→入口剪→焊機→月牙剪→1號張力輥→入口活套。
工藝段：2號張力輥→清洗段→3號張力輥→跳動(dòng)輥→退火爐（由預熱段、加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段、熱張輥、爐鼻子等組成）→鋅鍋→氣刀→鍍后冷卻塔→5號張力輥。

    平整段：中間活套→6號張力輥→四輥平整機→7號張力輥→拉矯機→8號張力輥→后處理→9號張力輥。

    出口段：出口活套→月牙剪→圓盤(pán)剪→10A號張力輥→檢查臺→10B號張力輥→涂油機→飛剪→卷取機→鋼卷小車(chē)→鋼卷鞍座→鋼卷稱(chēng)重與打捆→步進(jìn)梁。

    2 系統配置

    2.1 概述

    基礎自動(dòng)化系統采用SIMATIC S7-400可編程邏輯控制器（PLC），包括機架、電源模塊、中央處理單元（CPU）、信號模塊、接口模塊、功能模塊、通訊模塊等。軟件開(kāi)發(fā)平臺為STEP 7、CFC、D7-SYS、GRAPH等，編程語(yǔ)言包括順序功能流程圖、結構文本、功能塊圖、指令表、梯形圖。

    人機接口（HMI）采用Server/Client結構，由1臺服務(wù)器、若干臺客戶(hù)機以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò )設備組成。服務(wù)器管理著(zhù)過(guò)程通訊、數據存貯以及與客戶(hù)機的通訊；客戶(hù)機作為操作站，顯示從服務(wù)器發(fā)出的數據，接受操作員的輸入，并將它傳送至服務(wù)器。人機接口軟件采用WinCC，包括服務(wù)器版、運行版和開(kāi)發(fā)版。

    系統網(wǎng)絡(luò )采用三級架構，HMI服務(wù)器與PLC之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP，ISO/OSI）進(jìn)行數據通訊，其最大通訊速率為100Mbps；HMI服務(wù)器與客戶(hù)機之間通過(guò)以太網(wǎng)（TCP/IP）進(jìn)行數據通訊；現場(chǎng)總線(xiàn)采用當今最重要的標準Profibus-DP，其數據傳輸速率為9.6K～12Mbps，傳動(dòng)裝置配有CBP2通訊模塊與PLC進(jìn)行通訊。

    傳動(dòng)控制系統采用現代矢量控制（VC）的代表SIMOVERT MasterDrives 6SE70變頻裝置，主要由公用整流器、直流母線(xiàn)以及逆變單元三部分組成。逆變單元采用IGBT功率元件；公用整流器采用帶有預充電回路的晶閘管三相全控橋，傳動(dòng)維護工具為Drive ES。為了提高輸出電流將兩臺具有相同額定電流的整流裝置并聯(lián)。制動(dòng)方式采用能耗制動(dòng)，用于機組緊急制動(dòng)情況下系統處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的能量消耗，以確保直流母線(xiàn)不過(guò)壓。

    2.2 配置特點(diǎn)

    2.2.1 多CPU系統的應用
 

    基于熱鍍鋅機組的復雜性，選擇較高級的CPU416-2作為PLC的中央處理器，并且采用多CPU系統，每個(gè)CPU的功能分配如下表所示。 
           
                                         表1
              

    2.2.2 應用軟件編制采用單元結構

    熱鍍鋅機組的應用軟件編制分為不同的單元，每個(gè)單元完成相應的功能，使軟件可讀性好，結構清晰，易于修改和維護。

    (1)機組協(xié)調控制（Line Coordination Control，LCO）

    LCO主要功能有：操作模式處理；機組啟動(dòng)和運行聯(lián)鎖條件的檢查確認；操作指令及設定值的選擇和下達；輔助傳動(dòng)控制命令的產(chǎn)生；穿帶、甩尾、定位等自動(dòng)順序控制；傳動(dòng)的接通、關(guān)斷控制及狀態(tài)監視；成組及單獨點(diǎn)動(dòng)操作；帶鋼位置監視等。

    (2)主令速度生成器（Master Ramp Generator，MRG）

    MRG主要功能有：速度和加速度斜坡的產(chǎn)生；根據LCO的設定進(jìn)行帶鋼尾部的自動(dòng)減速以及帶鋼的自動(dòng)定位；張力的斜坡處理及開(kāi)卷機、卷取機、活套、張緊輥等的張力控制；靜張力和運行張力的自動(dòng)處理；帶鋼的斷帶檢測；活套自動(dòng)位置控制；傳動(dòng)控制及通訊處理等。

    從表1中可以看出，每一段均配有主控和順控CPU，LCO和MRG一般在同一個(gè)主控CPU中實(shí)現。

    (3)順序控制（Support and Sequence Functions，SSF）

    SSF的控制對象是與生產(chǎn)線(xiàn)速度、張力無(wú)關(guān)的設備，如電磁閥、恒速電機等。順控CPU將操作或主控命令結合安全聯(lián)鎖信號，對現場(chǎng)設備發(fā)出動(dòng)作命令，同時(shí)監視其反饋信號，并在HMI畫(huà)面上進(jìn)行顯示。順控CPU還負責除張力計外所有機電一體品的接口。

   (4)儀表控制（Instrumentation and control，I&C）

    本機組采用西門(mén)子SIMATIC S7實(shí)現儀表控制功能，用于儀表控制的CPU安裝在與跟蹤系統CPU相同的框架上，其控制范圍包括清洗段、濕平整及高壓清洗系統、后處理段。I&C主要功能有：溫度、流量、壓力、液位、電導率的控制和監視。

    (5)物料跟蹤（Material Tracking，MTR）

    MTR可實(shí)現對其跟蹤區域內運行的所有帶鋼上的特殊點(diǎn)（如焊縫、缺陷等）的精確位置跟蹤及其鋼卷數據的精確跟蹤，還能為機組的其他控制設備激活新的設定值，并統計匯報機組的生產(chǎn)數據。

    3 速度和張力控制

    3.1 概述

     熱鍍鋅機組的核心控制對象是速度和張力。對處于相同工藝段的成組設備，要求各設備的線(xiàn)速度保持同步，即不論處于加速或減速過(guò)程中，各設備的線(xiàn)速度均要相等，為此使用MRG主令速度生成器，用它的輸出作為所有被控設備的速度指令，其框圖如圖1所示，只要控制該工藝段MRG的輸出和變化率，就控制了該工藝段的速度和加速度值。
圖中的“操作模式選擇和處理邏輯”包括來(lái)自操作臺的加速啟動(dòng)（RUN）、穿帶（THRD）、正常停止（NS）、保持（HOLD）、快停（QS）、緊停（ES）等按鈕以及自動(dòng)/手動(dòng)運轉方式等選擇開(kāi)關(guān)；包括帶鋼的跟蹤信號，如焊縫位置、活套儲量等；包括機組綜合運行條件，如起動(dòng)或運行時(shí)所需要的聯(lián)鎖條件等。

     MRG將上述信號與“速度和加速度選擇”相結合，最終產(chǎn)生出按S曲線(xiàn)進(jìn)行變化的速度信號，以防止不同的響應引起的張力波動(dòng)。這種不同的響應是因不同的設備參數（如轉動(dòng)慣量GD2等）在加減速開(kāi)始和結束時(shí)產(chǎn)生的，因此在加減速階段開(kāi)始和結束處應有光滑曲線(xiàn)進(jìn)行過(guò)渡，這樣才能確保具有平滑的切換特性，從而有效改善張力的控制性能。
   
            
                                    圖 1   傳動(dòng)控制系統

    為實(shí)現帶鋼在機組上的穩定傳送，或某一特定的工藝功能，例如平整機的延伸率控制等，工藝對帶鋼在機組中各個(gè)位置都有張力要求，此要求集中體現在“機組張力表”中，這張表是電氣實(shí)現機組張力控制的基礎。張力控制的基本思想是分段張力控制原理，每段使用一個(gè)張力控制器。

    張力控制器的工作原理：首先計算張力設定值與張力實(shí)際值的偏差，然后經(jīng)適當的控制算法，將偏差轉換為速度補償量疊加到速度控制環(huán)的速度給定上，速度控制環(huán)的速度檢測由電機所帶高精度編碼器完成，速度控制環(huán)的輸出經(jīng)轉矩限幅作用于電流控制環(huán)，其輸出最終作用于電機上。

    一般有直接張力和間接張力二種控制方法，使用哪種方法取決于工藝控制要求和機組設備配置（張力計）。張力計測得的張力實(shí)際值在使用前需進(jìn)行標定和平滑處理。間接張力控制中張力實(shí)際值是通過(guò)電機電流間接計算得到的。

    3.2 張力輥的控制

    張力輥有速度控制和張力控制二種控制方式。

    3.2.1 張力輥的速度控制方式

    本機組中，1號、4號、6號以及10A號張力輥分別是入口段、工藝段、平整段以及出口段的主令速度輥。在速度控制方式下，要求張力輥組的多個(gè)傳動(dòng)輥的作用力一致，輥的速度要實(shí)時(shí)保證同步。采用標準的雙閉環(huán)速度控制系統予以實(shí)現，速度環(huán)不允許飽和。

    3.2.2 張力輥的張力控制方式

    除主令速度輥以外，其余張力輥均為直接張力控制。將張力調節器的輸出疊加到速度設定上，使速度環(huán)飽和，即速度環(huán)之外為張力環(huán)，張力調節器和速度調節器均為比例積分形式，以此來(lái)保證各個(gè)傳動(dòng)輥的轉矩輸出一致。

    3.2.3 張力輥的負荷平衡控制

    負荷平衡控制是張力輥控制的一個(gè)重要內容，其作用是使各張力輥的負荷盡可能地相近或滿(mǎn)足一定比例的分配，使各張力輥都能發(fā)揮各自能力，協(xié)同完成帶鋼張力控制要求。其基本原理是將測得的各張力輥電機電流送到控制器內進(jìn)行比較，差值經(jīng)負荷平衡調節器輸出后疊加到從輥的速度給定上，通過(guò)調節從輥的速度來(lái)控制輸出轉矩。

    3.3 開(kāi)卷機、卷取機的控制

    以開(kāi)卷機為例介紹其間接張力控制原理。

    電機產(chǎn)生的電磁轉矩：

    M_D=C_M×Ф×I （式1）

    式中，C_M為電機轉矩常數；Ф為電機磁通，I為電機電樞電流。

    帶鋼在開(kāi)卷機上產(chǎn)生的張力矩：

    M_T=T×D/（2×i×η） （式2）

    式中，T為開(kāi)卷張力；D為鋼卷外徑；i為開(kāi)卷機的傳動(dòng)比；η為傳動(dòng)系統的機械效率。

    由（式1）和（式2）可得：

    T=K×Ф×I/D （式3）

    式中，K=2×i×η×C_M，為常數。

    開(kāi)卷機間接張力控制一般采用“最大力矩法”，這是由于“最大力矩控制方式”較“比例控制方式”存在多方面的優(yōu)點(diǎn)：容易選擇電機，無(wú)論速度高低均能發(fā)揮電動(dòng)機的最大力矩；控制方式合理，利于經(jīng)濟運行。

    由（式3）得：基速以下，Ф保持恒定（滿(mǎn)磁），I與D成正比變化以保持T不變，電機為恒轉矩調速；基速以上，電機為弱磁升速狀態(tài)，電樞電壓保持不變，若保持T不變，必須使ФI/D保持不變，電機為恒功率調速。由此可見(jiàn)，卷徑計算的精確與否是開(kāi)卷機張力控制精度的關(guān)鍵因素。

    瞬時(shí)卷徑D的計算公式為：

    D = V×i/（π×n） （式4）

    式中，V為帶鋼運行線(xiàn)速度；n為開(kāi)卷機轉速；i為開(kāi)卷機的傳動(dòng)比。

    卷徑計算根據原有卷徑和卷徑變化量做減法運算并對計算結果進(jìn)行正確與否的判定，所以必須有一初始的卷徑設定值。

    穿帶時(shí)開(kāi)卷機為速度控制模式；正常開(kāi)卷時(shí)為張力控制模式，此時(shí)速度環(huán)飽和，整個(gè)控制系統由電流環(huán)進(jìn)行調節，電機處于恒張力狀態(tài)，其轉速由速度限幅決定，其值來(lái)自張力設定值。

    3.4 活套卷?yè)P的控制

    活套卷?yè)P的控制包括有活套小車(chē)位置調節器、帶鋼張力調節器以及活套小車(chē)同步調節器。

    由于本機組均為單小車(chē)活套，而活套小車(chē)同步調節器是配置2臺及2臺以上小車(chē)的活套所特有的控制環(huán)節，因此不予考慮。下面以入口活套為例，介紹其控制原理。

    3.4.1 活套小車(chē)位置調節器

    當活套入出口速度出現相異時(shí)，活套卷?yè)P電機必須相應運轉以保證帶鋼秒流量平衡。設沖套方向為正，則活套卷?yè)P電機的初始轉速給定為：

    n=(V_en-V_ex)*60/(N*π*D*G) （式5）

    式中，V_en為活套小車(chē)入口速度；V_ex為活套小車(chē)出口速度；N為活套小車(chē)帶鋼股數；D為活套小車(chē)卷筒直徑；G為活套小車(chē)卷?yè)P齒輪箱變速比。

    活套小車(chē)位置調節器的核心是行程預計算器，它依據活套卷?yè)P的速度，計算出活套到達滿(mǎn)套或空套時(shí)所需要的行程值，位置調節器將這個(gè)值不斷與位置設定值進(jìn)行比較，當二者相等時(shí)就給出滿(mǎn)套或空套信號，這個(gè)信號作用于速度控制器，通過(guò)改變入口段速度的最大限幅值控制小車(chē)位置。

    3.4.2 帶鋼張力調節器

    無(wú)論活套入、出口速度以及活套小車(chē)位置如何變化，活套中的帶鋼都必須保持恒定的張力，因此設有一個(gè)直接張力控制器作用于活套卷?yè)P電機。其工作原理為：張力設定值與實(shí)際張力值進(jìn)行比較，差值經(jīng)比例積分調節器調節后作為轉速附加補償，通過(guò)調整卷?yè)P電機速度達到調節張力的作用。直接張力的優(yōu)勢在于無(wú)須考慮帶鋼厚度、摩擦力、彎曲損失和小車(chē)重量等因素對于控制系統的影響。

    3.5 平整機的控制

    為了消除帶鋼的屈服平臺，獲得良好的帶鋼平直度和合適的帶鋼表面粗糙度，本機組設置有四輥平整機，而延伸率是平整機的一個(gè)重要工藝指標，其控制精度直接與冷軋成品帶鋼的質(zhì)量有關(guān)。

    所謂延伸率，指的是帶鋼平整后相對于平整前沿長(cháng)度方向上的增長(cháng)，公式如下：
       （式6）

    式中：ε為延伸率，I_entry為帶鋼在平整機入口側的長(cháng)度；I_exit為帶鋼在平整機出口側的長(cháng)度；V_entry為帶鋼在平整機入口側的速度；V_exit為帶鋼在平整機出口側的速度。

    平整機入、出口側各安裝有1個(gè)PLG，分別對每個(gè)測量周期的帶鋼長(cháng)度進(jìn)行計數，以此確定帶鋼長(cháng)度并計算出延伸率實(shí)際值。

    延伸率控制方式有“軋制力控制”與“軋制力和張力控制”，前者用于厚帶鋼控制，后者則用于薄帶鋼控制，使用哪種模式由操作人員選擇。

   軋制力控制模式下，延伸率的設定值與實(shí)際值之間的偏差量經(jīng)過(guò)轉換與限幅處理后作為平整機軋制力的附加設定值。兩個(gè)直接張力控制器在出口和入口區域保持帶鋼恒張力。

    如果L2下達的最大軋制力仍然不能達到設定延伸率，此時(shí)可以使用“軋制力和張力控制模式”，延伸率將通過(guò)附加軋制力和入出口側的附加張力進(jìn)行控制。

    平整機在“平整機不投用模式”下將處于打開(kāi)狀態(tài)，出口張力控制器接通，入口張力控制器關(guān)斷。

    3.6 拉矯機的控制

    平整段出口設置有兩彎兩矯形式的拉矯機，其目的是獲得良好板形，改善材料各向異性，消除屈服平臺，阻止滑移線(xiàn)形成。前后張力輥的傳動(dòng)方式為單獨驅動(dòng)，控制方式有延伸率控制與張力控制。

    張力控制模式下，前后張力輥之間無(wú)速度差，為張力輥直接張力控制方式。

    延伸率控制模式下（延伸率定義同平整機），前后張力輥之間有了因為延伸率而產(chǎn)生的速度差，拉矯機入、出口側各安裝有1個(gè)PLG，分別對每個(gè)測量周期的帶鋼長(cháng)度進(jìn)行計數，這樣就可確定帶鋼長(cháng)度并計算出延伸率的實(shí)際值。

   4 結語(yǔ)

    速度和張力是熱鍍鋅機組自動(dòng)控制中的兩個(gè)關(guān)鍵因素，如何提高二者的穩定性以及控制精度，對于保證機組的順利運行，發(fā)揮機組的產(chǎn)能，提高產(chǎn)品質(zhì)量有著(zhù)十分重要的意義。西門(mén)子自動(dòng)化產(chǎn)品性能可靠、工作穩定、控制精度高、擴展性靈活，完全滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，具有極大的推廣價(jià)值。

    參考文獻

    [1]曾照強.帶材卷取機控制方式討論[J].有色金屬加工.2003,(1):23.

    吳家浩(1975-)，男，上海市，工程師，工程碩士學(xué)位，現從事自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第六期