摘要：本文主要闡述針對萊鋼帶鋼軋線(xiàn)電控系統存在主機信號易受干擾、系統響應慢、控制精度不高等問(wèn)題進(jìn)行系統改造，對主軋線(xiàn)電控制系統網(wǎng)絡(luò )、主軋線(xiàn)PLC程序和HMI進(jìn)行優(yōu)化、升級，建立軋件跟蹤和防止活套早套程序系統，使得活套動(dòng)作穩定、可靠，活套張力動(dòng)態(tài)響應的調整迅速，從而有效改善了各類(lèi)指標，滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。 

    關(guān)鍵字：電控;PLC;網(wǎng)絡(luò );活套

    Abstract：his paper introduces improvement of the contorl system in rolling mill being shortcoming that is roller’s signal being interfered、slow dynamic response and low control accuracy.It includes upgrading network of the control system、upgrading PLC program and HMI for rolling mill、setting up billet-track system and preventing forward loop program system 。Being optimized system can not only accomplish speedy responsibility and stably action of the looper system ,but also availably improve technical target and meet the needs of production.

    Keywords：electrical controler,PLC ,net ,looper

    1 引言

    萊鋼帶鋼生產(chǎn)線(xiàn)共裝備有16架軋機（其中一架為除鱗機架），其產(chǎn)品規格為：1.5 ~ 7.0×183~445 mm熱軋帶鋼。自1988年投產(chǎn)至今已連續運行近20年，設計年產(chǎn)量為30萬(wàn)噸，現已具備110萬(wàn)噸生產(chǎn)能力。但隨著(zhù)產(chǎn)能的提升，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中軋線(xiàn)電控系統暴露出以下問(wèn)題：主機速度聯(lián)調過(guò)程中各機架給定的電位器，采用0～10V的模擬量輸入形式，信號易受干擾；現主軋線(xiàn)PLC程序與HMI（人機畫(huà)面）之間通訊傳輸能力受限，數據change（轉換）以及數據的Upload（上傳）和Download（下裝）速度緩慢；活套控制采用傳統方式，控制可靠性和精度不高，經(jīng)常出現早套堆鋼現象等方面的問(wèn)題。

    2 優(yōu)化方案

    根據上述問(wèn)題，結合生產(chǎn)現場(chǎng)實(shí)際軋鋼工藝要求、生產(chǎn)情況、設備現狀，充分考慮企業(yè)未來(lái)的發(fā)展，優(yōu)化方案為：

    2.1 對主軋線(xiàn)電控制系統的布置和功能進(jìn)行優(yōu)化

    2.1.1 在電機室建立新的機旁操作箱信號分站，將所有機架信號全部引致該分站，使得信號電纜繞過(guò)軋線(xiàn)，免受高溫潮濕乃至燒焦的危險，大大減少故障停機時(shí)間和提高故障處理速度。  

    2.1.2 將精粗軋操作臺臺面布置進(jìn)行優(yōu)化，使操作簡(jiǎn)便，將原有的模擬量給定改為開(kāi)關(guān)量輸入控制，安裝精密的凸輪控制器，通過(guò)西門(mén)子Step7軟件在程序加裝數據塊，將開(kāi)關(guān)量輸入信號轉換成脈沖序列，由脈沖列的寬度決定主機速度給定的大小，從而避免主機由于給定信號干擾而造成的速度波動(dòng)，可大大提高產(chǎn)品的實(shí)物質(zhì)量，使得考核指標得到有效的提升。

    2.1.3 優(yōu)化主軋線(xiàn)PLC程序和HMI，將PROFIBUS-FMS通訊網(wǎng)絡(luò )升級為SIMATIC工業(yè)以太網(wǎng),同時(shí)系統考慮每一信號以及顯示生成方法，簡(jiǎn)化和更新數據處理方法，同時(shí)將所需數據由單一畫(huà)面顯示改為多畫(huà)面顯示，提高數據處理速度，減輕CPU的負擔，增強網(wǎng)絡(luò )的擴展性。建立軋制規程表，實(shí)現主機速度預擺。

    2.2 增加活套控制功，提高動(dòng)態(tài)調節能力，防止活套早套

    2.2.1 建立軋件跟蹤系統。通過(guò)對軋制過(guò)程中鋼坯的跟蹤，經(jīng)過(guò)精確的計算，在活套原有控制方式基礎上增加咬鋼負荷的預測信號，為活套動(dòng)作再增加一道聯(lián)鎖，從而有效地提高活套起落套的可靠性，防止活套早套堆鋼。特別是針對正常拋軋機時(shí)活套的動(dòng)作等工藝條件的變化時(shí)活套動(dòng)作進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，從而為生產(chǎn)提供了完善的設備條件。

    2.2.2 采用西門(mén)子6RA7078-6DV62直流調速裝置代替原MENTORII M105R裝置，并改善其控制結構，提高動(dòng)態(tài)響應能力，增大活套張力，從而提高帶材板型控制，提高帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量。 

    3 方案實(shí)施

    3.1 軋線(xiàn)電控制系統的布置和功能進(jìn)行優(yōu)化

    軋線(xiàn)電控制系統核心控制部分采用西門(mén)子S7-400系列PLC為主站，采用PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS兩種總線(xiàn)進(jìn)行連接，每臺主軋機控制由西門(mén)子全數字裝置完成并通過(guò)通訊板CB24與主站進(jìn)行通訊，軋線(xiàn)生產(chǎn)現場(chǎng)數據采集由ET200M完成；人機界面由FMS總線(xiàn)連接的完整、高效網(wǎng)絡(luò )，為實(shí)現各站之間資源共享，從而大大提高了整個(gè)系統的功能。 

    3.1.1 硬件配置和網(wǎng)絡(luò )結構的優(yōu)化

    從硬件配置和網(wǎng)絡(luò )結構圖中可以看出，整個(gè)系統可分為兩大部分（如圖1所示）:

                
                                       圖1 硬件配置和網(wǎng)絡(luò )結構圖

    本系統設有兩條PROFIBUS-DP總線(xiàn)，采用雙絞屏蔽通訊電纜，最大傳輸距離1200m,最大傳輸速率12Mb/s (與傳輸距離有關(guān))，PROFIBUS-DP1總線(xiàn)完成主站PLC與主電室粗精軋主機數控之間的數據傳輸；PROFIBUS-DP2用于粗精軋機旁、粗軋操作臺、精軋操作臺、夾送輥分站與主站PLC完成現場(chǎng)信號的傳輸。

    圖中紅色標識部分為新增的粗精軋主機機旁和夾送輥ET200M分站，用于采集粗精軋主機機旁控制信號和夾送輥速度跟隨，包括主機正反點(diǎn)，壓下提升和壓下、單雙動(dòng)、一速二速、上下限位，主機、壓下、活套LOCK鎖等信號以及速度給定設定的傳輸。

    3.1.2 機旁L(fǎng)OCK

    在機旁操作箱增加主機、活套、壓下LOCK，將信號引到程序中去，利用邏輯推理將各種可能存在的安全隱患通過(guò)程序實(shí)現聯(lián)鎖，并利用組態(tài)軟件自主開(kāi)發(fā)了數據標簽，同時(shí)在操作臺HMI上顯示LOCK鎖信息，從而給操作工以明確的信息。在換輥、檢查導衛或緊急處理壓下及傳動(dòng)側設備問(wèn)題過(guò)程中只要將機旁L(fǎng)OCK選在近程位置，5#、6#操作臺將無(wú)法進(jìn)行主機及附屬設備的操作，操作臺HMI畫(huà)面將有報警信息閃爍，提示操作工和其他人員，避免了由于安全確認不好或誤操作造成的人員傷害。

    3.1.3 工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）

    以太網(wǎng)及TCP/IP通信技術(shù)主要用于車(chē)間級生產(chǎn)信息集成、專(zhuān)用生產(chǎn)設備、專(zhuān)用測試設備、條碼器、PC機及以太網(wǎng)絡(luò )設備組成，主要功能是完成車(chē)間級生產(chǎn)信息及產(chǎn)品質(zhì)量信息的管理。

                
                                   圖2 SIMATIC工業(yè)以太網(wǎng)硬件配置及網(wǎng)絡(luò )結構圖  

    如圖2所示，它是利用工業(yè)以太網(wǎng)的高可靠性、高擴展和開(kāi)放性、高通訊性以及可以與自動(dòng)化系統互相連接的特性，結合現有的西門(mén)子S7-400系列PLC, 在主電室和6#臺分別設立收發(fā)器和交換機，采用光纜連接，5#臺、6#臺之間通過(guò)快速電纜進(jìn)行連接組成以太網(wǎng)結構。通過(guò)在主站增加CP443-1系統接口，完成硬件配置，通過(guò)TCP/IP傳輸控制協(xié)議，替代原有的PROFIBUS-FMS（現場(chǎng)總線(xiàn)信息規范），達到簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )配置，同時(shí)系統考慮每一信號以及顯示生成方法，簡(jiǎn)化和更新數據處理方法，將所需數據由單一畫(huà)面顯示改為多畫(huà)面顯示，提高數據處理速度，減輕CPU通訊負荷，增大數據傳輸量，加快傳輸速度，增加網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)的目的。同時(shí)為車(chē)間級生產(chǎn)信息及產(chǎn)品質(zhì)量信息的管理提供技術(shù)數據支持。 

    3.1.4 建立軋制規程表，實(shí)現主機速度預擺
   
    隨著(zhù)軋制規程的不斷完善,在上位機中建立軋制表，實(shí)現主機速度自動(dòng)預擺已經(jīng)成為可能。根據計算結果和多年的生產(chǎn)經(jīng)驗,確定軋制不同規格時(shí)各機架的速度,形成制度性的標準文件，存入計算機,使用時(shí)計算機自動(dòng)將各機架的速度設定分別寫(xiě)入調速裝置,實(shí)現了軋制規程的標準化和制度化，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率，減少因調整不當造成的堆鋼及軋廢，通過(guò)編寫(xiě)軟件實(shí)現軋制規程的自動(dòng)優(yōu)化。速度自動(dòng)設定后,在軋制過(guò)程中系統實(shí)時(shí)記錄操作工的人工調節量，不斷修正軋制規程中的速度設定值，從而使軋制規程不斷優(yōu)化，更好地滿(mǎn)足生產(chǎn)。

    3.2活套預防活套早套與張力動(dòng)態(tài)響應調節

    3.2.1傳統控制方式

    傳統活套控制方式是依靠主軋機咬鋼電流作為負荷信號，通過(guò)主站PLC邏輯程序判斷來(lái)實(shí)現自動(dòng)起套。這種控制方式存在明顯的不足，當某一機架軋輥在運行過(guò)程中突然出現研燒而產(chǎn)生大電流的超過(guò)負荷信號閾值時(shí)，控制系統將認為該機架為咬鋼動(dòng)作，從而觸發(fā)活套動(dòng)作條件，出現早套現象。為了避免上述情況的產(chǎn)生，我們在分析了活套動(dòng)作的多種可能原因后，決定對鋼坯的軋制過(guò)程進(jìn)行全程跟蹤，特別是確定鋼坯的頭部位置，只用判斷出頭部位置，結合主機負荷信號就可準確地判定活套的動(dòng)作條件，預防早套，為此我們建立了軋件跟蹤系統。

    3.2.2 軋件跟蹤系統的建立

    以主機負荷作為基本觸發(fā)條件，以相應邏輯關(guān)系作為校正，以軋機線(xiàn)速度*咬鋼后時(shí)間作為確定軋件頭部實(shí)際位置，用下一機架主機負荷和軋機間距離作為驗證保證條件，確定任一時(shí)刻、任一鋼坯在軋線(xiàn)上的位置。

    具體實(shí)現是以主站PLC系統時(shí)間作為系統的時(shí)間基準，當判斷某一架軋機確實(shí)已經(jīng)咬鋼，即采用該軋機主機負荷和相應的邏輯關(guān)系確認該機架咬鋼時(shí)間。并把此時(shí)PLC系統時(shí)間記錄下來(lái)，然后對于每一個(gè)PLC掃描周期的任意時(shí)刻值，減去咬鋼時(shí)刻得出軋件實(shí)際經(jīng)過(guò)該軋機的時(shí)間，用該軋機速度（PLC可通過(guò)通訊從主機控制單元6RA24中獲得）乘以所得時(shí)間就是軋件離開(kāi)該軋機的實(shí)際距離。為保證精度消除累計誤差，用下一機架的主機負荷來(lái)驗證計算數據，確保準確可靠。這樣真正實(shí)現了對軋件的實(shí)時(shí)跟蹤，對于任意時(shí)刻均能判斷出軋線(xiàn)有幾支鋼正在軋制、分別處于什么位置、是否堆鋼等。

    3.2.3 鋼坯跟蹤預測防止早套系統的建立

    針對傳統活套控制過(guò)程的弊端，通過(guò)建立鋼坯跟蹤預測系統，從而可以精確、有效的控制活套的起落套。具體實(shí)現過(guò)程如下： 以精軋各機架之間的中心距3.5米作為條件1，以前一機架的出口速度作為條件2，軋件的運動(dòng)時(shí)間為條件3，通過(guò)對軋線(xiàn)軋件的跟蹤，當條件1等于條件2與條件3時(shí)，觸發(fā)活套預測信號，當拋前機架軋制時(shí)，以再前機架的出口速度為條件2，以7米作為條件1，從而也能可靠地得到活套預測信號。以精軋活套H2為例，原有起套信號只有F3的主機負荷信號，當F3輥子研燒空載電流達到負荷信號時(shí)，H2活套會(huì )誤動(dòng)作造成早套堆鋼。為此將F2主機的出口速度為條件2，F2和F3主機之間的中心距3.5米作為條件1，軋件在F2和F3之間的運行時(shí)間為條件3，當軋件從F2出來(lái)到F3達到3.5米時(shí)觸發(fā)F3的主機負荷預測信號，當拋F2時(shí)，則以F1的出口速度為條件2，以F1和F3主機之間的中心距7米作為條件1，同樣得到F3主機負荷預測信號。然后將F3的主機負荷信號和F3的主機預測信號后相與得到H2的起套信號，從而有效地增加了活套動(dòng)作的可靠性，防止活套早套堆鋼。
          
                              
                                    圖3 負荷信號預測邏輯控制圖（F3）  

                               
                                  圖4 加入預測信號后活套控制邏輯圖

    3.2.4 調節活套張力動(dòng)態(tài)響應

    根據工藝要求部分薄規格產(chǎn)品活套電機堵轉電流要維持在120A，在開(kāi)發(fā)新品種軋制薄規格時(shí)要求增大堵轉電流到200A，而原控制系統為MENTORII M105R，系統額定電流為105A，再軋制極限規格時(shí)裝置只能超負荷運行，因此原控制系統不能適應產(chǎn)品規格擴展的要求，且今后還要擴展產(chǎn)品規格，軋制薄規格的產(chǎn)品的比例不斷增大，控制系統將會(huì )迅速老化、損壞。為此要求更換活套控制系統，且考慮今后擴展的要求，我們選定用西門(mén)子6RA7078-6DV62直流調速裝置，其額定電流為280A，滿(mǎn)足擴展要求。理由如下：

    首先我們生產(chǎn)線(xiàn)采用的是西門(mén)子S7-400型PLC，6RA70系列調速裝置與PLC的通訊功能強大，可以實(shí)現故障信息的再現檢測，并可以把活套電機的電樞電壓、電樞電流等信號通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)施采集到PLC中，用于檢控電機的實(shí)際運轉狀態(tài)，同時(shí)同主機電流放在一個(gè)畫(huà)面里比較，就可判斷活套起、落套是否準確，為判斷活套是否早套或者不落套提供技術(shù)依據。如下圖所示，紅色和綠色波形為F1、F2主機電流，黃色為H1活套電流，可以明顯看出在F2主機負荷建立后瞬間H1活套起套動(dòng)作，然后再F1主機電流消失后，F2主機電流消失前H1自動(dòng)落套，證明整個(gè)系統監控正常，且設備運行正常。

                        
                                       圖5 F1、F2主機電流與H1動(dòng)作關(guān)系圖        

    再者西門(mén)子系列直流調速裝置動(dòng)態(tài)響應迅速，且分辨率高，其分辨率為0.00-650.00s，活套起落套控制，采用根據主機咬鋼負荷信號自動(dòng)進(jìn)行控制的形式，由于電動(dòng)活套本身為一大貫性環(huán)節，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，軋制速度又時(shí)常變化，控制活套起落套的時(shí)間點(diǎn)較難恰到好處，若連軋過(guò)程中套量過(guò)大，容易產(chǎn)生迭軋堆尾或甩尾拍擊軋輥等情況。在實(shí)際應用以后活套起、落套時(shí)間控制明顯較前控制系統準確，動(dòng)態(tài)遲滯時(shí)間在500ms以?xún)?，較原系統有較大改善。
活套張力控制主要依靠電機電流，必須保證電機輸出電流穩定，才能保證活套張力維持在恒定的水平，所以活套控制系統必須使用電流環(huán)控制，控制系統需要增加一個(gè)輸入信號控制活套張力的投入，因此給定信號必須要有起套、落套、張力投入三個(gè)，采用西門(mén)子6RA70調速裝置通過(guò)系統內部調整，直接把給定加在電流環(huán)直接作用于輸出，就可減少張力投入這一輸入信號，為PLC節約一個(gè)輸出點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)化PLC內部程序。

    4 總結

    萊鋼熱連軋帶鋼軋線(xiàn)電控系統優(yōu)化改造投入正常使用以來(lái)，系統工作穩定，網(wǎng)絡(luò )重新優(yōu)化配置后未再出現軋線(xiàn)電纜燒損和軋線(xiàn)自動(dòng)停車(chē)現象；SIMATIC工業(yè)以太網(wǎng)的建立及HMI畫(huà)面的優(yōu)化，提高數據處理速度，減輕CPU的負擔，增強網(wǎng)絡(luò )的擴展性；活套動(dòng)作穩定、可靠，即便是在軋輥研燒出現大電流的過(guò)程中也能準確起落套，從而有效地避免了活套早套堆鋼；主傳動(dòng)系統電流響應時(shí)間20ms以?xún)?，控制精度高，主副傳?dòng)響應速度快，故障率低，維護方便快捷，改善了活套控制功能，對提高帶鋼材產(chǎn)量質(zhì)量起到了積極作用，取得了可觀(guān)的經(jīng)濟效益。達到或超過(guò)設計要求，滿(mǎn)足了帶鋼生產(chǎn)工藝的要求。

    參考文獻

    [1]劉玠，楊衛東，劉文仲.熱軋生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

    [2]廖常初.S7-300/400 PLC應用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

    作者簡(jiǎn)介：
任瑩（1977-），女,工程師，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化系，學(xué)士學(xué)位，主要從事工業(yè)自動(dòng)化研究及應用工作。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第五期