PLC及全数字交流调速装置在棒材连轧机上的应用.pdf

2 0 1 0 年第5期 总 第 1 4 1期 冶 金 动 力 MET AL LURG I C AL P OWER P L C及全数字交流调速装置在棒材连轧机上的应用 江 良胜 马钢 自动化工程公司．安徽马鞍山 2 4 3 0 0 0 【 摘要】 马钢第二钢轧总厂高速棒材连轧机 自动化控制系统采用 S i e m e n s 公司的S 7 - , 4 0 0 P L C ， 主传动部 分为 s i e me n s 公司的 6 S E 7 0系列及 S I MO V E R T S全数字交流调速装置，控制系统通过 E t h e me t 、 P r o fi b U S -- D P 、 MP I 网完成系统数据的采集、 交换与监控， 具有控制性能好、 可靠性高等优点， 满足了高速棒材轧制线高动态品 质、 高调速精度的要求。 【 关键词I P L C； 全数字交流调速装置 ； 棒材连轧机 【 中图分类号】 T F 7 7 7 【 文献标识码】B 【 文章编号 】 1 0 0 6 6 7 6 4 2 0 1 0 0 5 - - 0 0 8 7 - 0 3 Ap p l i c a t i o n o f PLC a n d F l l l l Di g i t AC S p e e d Go v e r n i n g De v i c e i n Hi g h S p e e d Ba r Co n t i n u o u s Ro l l i n g M i l l J I ANG L i a n g - s h e n g u t o m a t i o n E n g i n e e r i n g C o ． ，Ma a n s h a n I r o n S t e e l C o ． ， 肘口 口 ％ An h u l 2 4 3 0 0 0 ,C h i n a 【 A b s t r a c t 】 S i e m e n s ’ s s 7 4 0 0 P L C a n d S i e m e n s ’ s 6 S E 7 0 s e ri e s a n d S I MO V E R T S f u l l d i g i t AC s p e e d g o v e r n i n g d e v i c e f o r t h e ma i n d riv e w e r e u s e d i n t h e a u t o ma t i o n c o n t r o l s y s t e m f o r a h i g h s p e e d b a r c o n t i n u o u s r o l l i n g mi l l o f No ． 2 S t e e l Ma k i n g a n d Ro i l i n g P l a n t o f Ma a n s h a n I r o n S t e e l C o ．C o l l e c t i o n ．e x c h a n g e a n d mo n i t o r o f d a t a o f t h e c o n t r o l s y s t e m w e r e a c c o mp l i s h e d b y E t h e r n e t 、 P r o fi b u s DP、 MP I n e t wo r k ．T h e s y s t e m h a d t h e a d v a n t a g e o f g o o d c o n t r o l p r o p e r t y a n d h i g h r e l i a b i l i t y ，a n d me t t h e n e e d s o f h i g h d y n a mi c q u a l i t y a n d hi g h s pe e d go v e r ni n g p r e c i s i o n o f t h e hi g h s pe e d b a r r o l l i n g l i ne ． 【 Ke y w o r d s 】 P L C ； f u l l d i g i t A C s p e e d g o v e rni n g d e v i c e ； b a r c o n t i n u o u s r o l l i n g m i l l 1 前 言 棒、线材轧机是一种典型的高效率的中小型热 连轧机， 棒、 线材轧机在生产工艺和装备上突破了传 统连轧机的模式，集高速机械制造与自动控制技术 于一体， 将生产效率提高到很高水平。 其 自动化控制 系统具有结构复杂 、 响应 速度快 、 运行 周期短 、 控制 精度高、 控制功能多等特点 。2 0 0 4年之前 ， 马钢拥有 三条棒 、 线材生产线 ， 有从 国外引进 的 ， 也有国内配 套的。 从国外引进的自动化控制系统投资大、 建设周 期长 ， 而国内配套的 自动化控制系统配置简单 、 控制 功能不全。此外 ， 由于牵涉到知识产权 的问题 ， 这三 条生产线的 自动化控制 系统无一例外 的将重要 的、 核心的程序进行打包加密 ，为生产过程 中故障的快 速判断及程序修改带来很大的麻烦。 2 0 0 4年初 ， 马钢为 了扩大生 产规模 ， 增加产 量 品种 ， 同时为了充分利用现有设备资源 ， 采用红坯热 送方式， 在第二钢轧总厂连铸车间 四流连铸机后 新建一条短流程年产 8 ～ 1 6 m m光面圆钢和螺纹钢 筋 5 0万 t 高速棒材生产线， 热装率为 9 0 ％。棒材轧 制线采用无扭、 微张力和无张力连续轧制生产工艺。 该项 目的 自动化控制系统进行 了公开招标，最终马 钢控制技术有限责任公司自 行研制开发 “ 棒线材轧 机 自动化控制 系统 ” 以功能完善 、 控制性能好、 可靠 性高以及造价相对较低的优势中标。 该生产线于当年 l 0月建成投产 ， 产品各项性能 指标均达到设计要求。 2 系统的主要技术性能、 特点 2 ． 1 配置先进、 结构合理 系统采用 S i e m e n s 公司的S 7 4 0 0 P L C ，主传动 部分为 S i e me n s 公 司的 6 S E 7 0系列及 S I M0 v E R T S 全 数字 交 流 调 速装 置 ，控 制 系统 通过 E t h e me t 、 P r o fi b U S -- D P 、 MP I 网完成系统数据的采集 、 交换与监 控 ， 具有控制性能好、 可靠性高等优点。 2 ． 2 控 制功 能齐 全 冶 金 动 力 MFr AL L URGI C AL P OWER 2 0 1 0 第 5 期 总第 1 4 1期 该系统能够完成连轧机的轧制速度级联控制 、 微张力 自动控制、活套 自动控制 、动态速降补偿控 制 、 轧线速度设定 自适应 、 飞剪 自动控制、 成品质量 控制、 模拟轧制、 故障诊断及处理、 辅助系统 自动控 制 、 工艺参数设定、 参数 自学习、 轧件跟踪、 轧制规程 管理、 生产过程监视 、 过程数据管理、 轧辊管理、 生产 工艺报表 、 画面显示 、 操作指导等控制功能。控制系 统网络结构配置图见图 1 。 图 1 控制系统网络结构配置图 2 ． 3 造价合理 通过价格对 比，该系统的造价仅为 国外设计的 系统造价的一半 。 2 ． 4 应 用价值 由于这是马钢控制技术有限责任公司自行研制 开发的全过程自动化控制系统，马钢拥有其完全的 自主知识产权， 具有广泛的推广应用价值。 3 基础 自动化系统的配置及功能分配 基 础 自动 化系统 由三套 S i e me n s公 司的 S 7 4 0 0 P L C C P U 4 1 6 2 D P 成 ， 它们完成设备逻辑顺 序控制 、 轧制控制、 操作 台操作与显示和事故报警与 处理。三套 P L C通过 P R I F I B U S D P通信网络与传 动装置及远程 I ／ O站进行数据通讯 ；通过多点接 口 ．M P I 实现 P L C之间的相互通讯 ； 通过工业 E t h e r n e t 实现 P L C与 H MI 操作员站的数据通讯 。 3 ． 1 P L C1的功能划分 P L C 1 承担轧机区红送 ，轧制线 1 、 2 群飞剪控 制 ， 轧制线 1 、 2 卡断剪 、 碎断剪 ， 轧 区液压系统控 制。 其主要控制功能有 轧机区红送设备动作控制， 轧线 1 、 2 卡断剪的动作控制 ， 1 飞剪切头 、切尾 及碎断控制 ， 2 飞剪切头、 切尾控制 ， 转辙器及碎断 剪控制， 轧区液压系统控制 ， 逻辑连锁。 3 ． 2 P L C 2的功能划分 P L C 2承担出炉辊道 、 粗轧机 至精轧机、 精轧机 后水冷箱等有关设备的运转动作控制。其主要控制 功能有 机架的速度给定和级联调速控制， 机架间微 张力控制及 自 适应， 机架间的活套高度控制， 机架动 态速降补偿控制的逻辑， 机架间故障诊断控制， 水冷 段控制， 设备运行联锁控制， 轧件跟踪， 轧辊管理， 模 拟轧制。 3 ． 3 P L C 3的功能划分 P L C 3 承担精整区所有设备的系统控制。 其主要 控制功能有 冷床控制 ， 冷床对齐辊道控制 ， 下钢装 置控制 ， 冷床后输出辊道控制 ， 定尺冷剪控制 ， 冷剪 后辊道及升降挡板控制， 平托移钢机控制 ， u型收集 托臂控制 ， 棒捆运输辊道控制， 打捆运输辊道控制。 4 传动装置的配置 棒材轧制线主传动采用交流传动，其具有以下 优点 效率高 、 无碳刷粉尘污染 、 可适应恶劣环境、 基 本不需要进行维护 、 电动机体积和转动口量小。 辅传 动系统采用以 S i e m e n s 公司推出的 6 S E 7 0和 6 R A 7 0 全数字交流、 直流调速装置 的传动系统。 l 一 1 6 机架可调速交流传动采用 s ie m e n s 公 司 6 S E 7 0全数字交流调速装置， 公共直流母线供电 方式，供电装置容量满足传动电机 1 6 0 ％长期及 2 0 0 ％6 0 S冲击过载能力。公共 直流母线由 S i e m e n s 公司 6 S E 7 0系列全数字整流器供电， 当两台整流器 并联供电时，每台整流器设进线电抗器用于均流， 制 2 O I O 年第 5期 总 第 1 4 1期 冶 金 动 力 ME T A L L U R G I C A L P O WE R 8 9 动单元容量按总容量的2 0 ％ 2 5 ％选取。 6 S E 7 0 全数 字交流调速装置采用带速度反馈 的矢量控制 ，采用 脉冲编码器数字反馈。 精轧机架可调速交流传 动采用 S i e me n s 公 司的 s I MO v E R T s负载换相变频器 ，专用于驱动同步电 动机 ， 调节部分采用 S I MA D Y N D控制系统 ， 采用脉 冲编码器数字反馈。 5 主要控制功能 5 ． 1 速度级联控制 轧制线速度级联调节是修正某一相邻机架的速 度关系，而不影响轧线其它机架 已有的速度级联关 系， 速度级联调节根据各机架延伸率的关系进行速 度设定。当有套量偏差或微张力控制时产生速度修 正信号， 以级联方式对相关的机架速度进行修正。 为 保证精轧机出口速度的稳定 ，以提高飞剪 的剪切精 度， 级联调节方向为逆向调节， 即从精轧末机架轧机 向上游级联。 当轧件在两机架 间断开时 ， 级联调节取 消；轧件在两机架间连续轧制时 ，级联轧制重新建 立 。 5 。 2 轧线速度设定 自适应 储存在轧制程序表中的初始设定参数， 如辊径、 速 比、 计算速度等不可避免会有误差 ， 这样就不能完 全适应各轧机之间的速度级联关系 ，而在轧制的过 程中， 这些误差会通过微张力控制、 活套控制 以速度 修正信号的形式作用于相应的机架上来形成真实的 速度配合关系。速度设定自适应功能就是根据速度 修正信号来对相应机架的延伸率进行修正 ， 并根据 修正后的延伸率来修正速度的设定值，从而使下一 个轧件轧制时， 各机架间处于最佳的配合状态。 5 ． 3 活套控制 活套是用来检测和调节相邻机架间速度关系从 而实现无张力轧制的设备， 一般用于轧件截面较小 的场合。活套控制分为套高 或套量 控制和起套辊 控制。活套调节器是通过检测到的活套高度偏差产 生速度修正信号，去调节机架速度以维持活套高度 保持在给定值不变， 以实现机架速度秒流量平衡 ， 通 过活套调节使轧件在轧制过程中形成自由的弧形， 保持轧制过程为无张力状态 。 5 ． 4 微张力控制 在连轧过程 中， 轧件 的温度变化、 槽孔 的变化 、 速度的变化等都会使两个轧机的金属秒流量发生偏 差 ，当差值达到一定程度后会在轧机之间产生堆钢 或拉钢 ， 从而造成轧制事故或影响产品质量 ， 金属秒 流量差使轧材 中产生张力 ，张力的变化对相关轧机 主传动电机的负载转矩有直接影响，前张力增大使 主电机负载转矩减小 ，后张力增大使主电机负载转 矩增大 ，而负载转矩的变化将直接影响电机的输 出 转矩 ，电机输出转矩 的变化必然导致电机电流的变 化 ， 因此对交流电机运用矢量变换技术 ， 将定子电流 分解为励磁分量和转矩分量分别加以控制 ，类似于 直流电机 ，通过检测定子电流转矩分量来间接地检 测张力。微张力调节器通过级联控制调节机架的转 速来控制两轧机间的轧制力矩偏差 。 5 ． 5 模拟轧制与轧件跟踪 模拟轧制分 为离线模拟和在线模拟 2 种模式 ， 离线模拟模式下．只是根据各机架的设定线速度对 控制程序的时序和响应进行测试 。在线模拟模式下。 根据各机架的实际线速度准确计算出轧件在轧制线 上头部和尾部的实际位置， 使 l 飞剪、 2 * 飞剪、 活套 起套辊 、 水冷段水阀等按控制要求进行动作。 在实际 轧钢过程 中。 再 由热金属检测器 、 活套扫描器、 各机 架 电机电流等实时校验 和记 录各个 轧件 的实际位 置 。 6 结束语 由于此套控制系统在马钢第二钢轧总厂高速棒 材生产线上表现优异 ， 获得了厂方 的好评。 2 0 0 6年， 合肥 马钢 钢铁有限公 司在参观 、 考察了这套系统 后，将新建高速线材的自动化控制系统直接交由马 钢控制技术有限责任公司负责， 2 0 0 6 年 9 月，高速 棒、线材连轧机自动化控制系统又成功的应用于合 肥 马钢 钢铁有限公司的新建高速线材生产线上。 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 1 2 作者 介绍 江良胜 1 9 5 8 一 ， 男， 1 9 8 6 年毕业于马钢职工大学 现安 徽冶金科技职业学院 - r 业企业电气自动化专业 ， 电气工程师， 现从 事电气 自动化及相关管理工作。