基于PLC 的热轧卷取控制系统设计.pdf

基于PLC的热轧卷取控制系统设计 黄颖1,陈新奎2,尹汉斌1 1. 天津电气传动设计研究所,天津300180 ;2.天津SEW有限公司,天津300457 摘要针对热轧钢卷卷形在实际生产过程中复杂的控制要求,简要分析了卷取机的结构以及影响卷形的 因素,详述了卷取张力的计算分析方法、 控制过程算法等,给出了张力调节系统框图。阐述了卷取机控制系统 的硬件系统设计,介绍了系统中PLC的功能,并对设备的初始状态设置与卷取控制过程进行了叙述,实践中 卷形得到了良好的控制。 关键词热轧卷形;卷取机;张力控制;PLC 中图分类号TM34 文献标识码A Designing of Hot Strip Rolling Mill Control System Based on PLC HUANG Ying1,CHEN XinΟkui2,YIN HanΟbin1 1.Tianjin Design and Research Institute ofElectric Drive , Tianjin300180, China; 2. S EW. Industrial Gears Tianjin CO. L TD, Tianjin300457, China Abstract Aimed at the complex demand of hot strip rolling shape in the practicing , the configuration of the coiler and the factors affecting the shape was introduced ,the arithmetic of tension and the control process was analyzed ,the frame of the tension adjusting system was given. The control system was designed ,the function of PLC and the initialization setting was explained detailedly. In practicing the better shape is gained. Key words hot strip rolling shape;coiler ;tension control ;PLC 作者简介黄颖1978 - ,女,本科,工程师,Email huangying 78101 面对激烈的市场竞争和用户越来越高的要 求,热轧钢卷的卷形已经成为生产过程中的一项 重要的质量指标。卷形质量的好坏不但影响着钢 卷的存储和运输,而且还影响着下一道工序的加 工和使用与成材率,另外,提高卷形质量是提高包 装质量的重要前提条件。然而影响卷形的因素繁 多,不仅带钢本身的质量,比如凸度异常、 楔形、 镰刀弯、 厚度偏差过大等对卷形有直接的影响,而 且侧导板、 夹送辊、 助卷辊、 卷筒的控制调整,卷取 张力控制设定也直接影响着卷形质量,这就对卷 取控制提出了较高的要求。 本文结合天津电气传动设计研究所为某钢厂 开发设计的中宽带热连轧机电控制系统,对卷取 区控制进行了详细分析,并着重分析了卷取张力 的计算,设计了一套基于Siemens PLC的自动化 控制系统,在实际生产中实现了理想的卷形,取得 了良好的经济效益。 1 卷取区简介 卷取区包括精轧末架轧机出口直到运输链结 束的区域。主要设备有热输出辊道、 卷取前对中 侧导板、 夹送辊、 助卷辊、 卷取机、 卸卷小车、 运输 机等,如图1所示。 图1 卷取区示意图 Fig. 1 Rolling sketch map 生产过程中常见的卷形缺陷包括塔形、 松 卷、 碗形卷等。影响卷形的因素众多,除了带钢的 因素,还包括侧导板的对中性、 磨损、 开闭时序、 开 口度;夹送辊的辊缝设定、 压紧力设定、 各设备速 度匹配;助卷辊的辊缝设定、 开闭时序、 速度设定、 65 电气传动 2008年 第38卷 第1期ELECTRIC DRIVE 2008 Vol. 38 No. 1 成形板间隙;卷筒的直径与磨损、 胀径时序、 速度 张力设定、 卷筒运转偏心以及最重要的卷取张力 设定等等。 2 卷取张力控制计算分析 卷取机控制中最重要的环节就是张力控制, 张力控制的效果直接关系到卷形质量。张力控制 的目的在于保证正常卷取时,1号或2号卷取机 上的带钢张力恒定在设定值,从而保证带卷卷得 紧而齐,卷形良好,减小塔形。 张力控制由T400工艺板及相应的卷取软件 包实现。T400可实现间接闭环张力控制与直接 张力闭环调节。可进行卷径计算、 转动惯量动态 补偿、 摩擦补偿、 断带与超速保护。 电动机的转矩及张力公式为 MDKmΦIa TD 2i MBMjMo1 当恒速卷取时Mj 0。忽略空载转矩,弯曲 力矩也近似认为是0,于是张力为 T 2KmiΦI a D 2 式中, MB为弯曲力矩,kgm; Mj为动态力矩, kgm; Mo为空载转矩,kgm; T为张力,N;Φ 为电机磁通,Wb; D为卷径,m;i为减速比; Km为 电动机特性常数。 卷取机张力控制采用最大力矩控制方式,其 基本控制过程为卷取机在基速下工作,电动机 处于满磁状态,ΦΦmax Const,此时只要保证 I/ D恒定,即按卷径D的变化成比例地调节电枢 电流,就可实现恒张力控制,且合理利用了电动机 的功率。在基速以上轧制时,由励磁调节器控制 电机电势E为恒定值,即令ECeΦn Const,也 就是要求Φ与n成反比。由于n 60iv/πD v , n 分别为带材线速度和电机转速 , 有 E Ce60i π v Φ D 3 在稳速轧制时线速度v为恒量。既然E, v都为 恒量,则由式3可知Φ/ D亦为恒定值。因此根 据张力公式T 2iCMIΦ/ D ,只要再调节电流为恒 定就实现了带材张力恒定。 在不能直接检测张力的情况下,为了准确控 制卷取张力,必须准确控制卷取机电机的转矩。 由速度控制转为张力控制时卷取机速度给定附加 一个饱和设定值,使其大于实际带钢速度,此时速 度调节器的输出饱和。张力给定值乘以卷径再加 上动态补偿、 空载补偿、 摩擦力矩补偿和弯曲力矩 补偿即转矩给定,作为卷取机的转矩/电流限幅。 由于速度调节器的输出达到饱和限幅值,控制转 矩限幅就可控制电机的转矩,保证张力恒定。调 节系统如图2所示。 图2 张力调节系统原理图 Fig. 2 Tension adjust system schematic diagram 转矩计算。电机的总转矩中包含有各种其他 成分。因此必须对这些成分进行补偿,以达到通过 对总转矩的控制进而实现张力控制的目的。在加 减速过程中算出动态电流,进行相应的动态空载转 矩补偿就保证了加减速过程中带材张力的恒定。 卷取电机的总转矩由张力转矩、 弯曲力矩补 偿、 动态惯性转矩补偿、 机械摩擦损耗补偿等组 成。因此卷筒电机折算到卷筒上的总转矩为 MMTMBMjMo4 卷径计算。卷径计算是实现卷取张力控制、 自动带尾停止控制等必须的。采用速度比的方式 计算卷径的基本公式为 75 黄颖,等基于PLC的热轧卷取控制系统设计电气传动 2008年 第38卷 第1期 DVL/πn5 式中VL为带材线速度,m/ min; n为卷筒转速, r/ min; D为卷径,m。 这种方法的优点是没有累计误差且不必考 虑带卷的卷紧程度。但带材与夹送辊之间可能的 打滑是影响速度比方式精度的主要因素。 3 控制系统设计 控制系统硬件配置选用西门子的S7系列 PLC,它的指令执行时间0.04μs ,程序存储器1.4M 和数据存储器1. 4 M 主板 ,I/ O空间12 k/ 12k 字节。此外还配有以太网卡,使PLC与微机工作 站之间进行TCP/ IP以太网通讯,完成设备操作 功能、 各种参数数据的输入和显示,并通过以太网 与轧线其它区PLC进行数据通讯。在操作台设 置2套I/ O远程站,现场信号就近接入远程站中。 交直流调速装置通过通讯板CBP2作为从站上挂 到卷取区自动化控制系统的分布式现场总线 PROFIBUSDP网上。通过PROFIBUSDP 协议与自动化控制系统进行过程控制数据及控制 命令的交换。系统与本区润滑站、 液压站之间通 过DP网交换数据交换。操作员站HMI设置在 卷取区操作台上,主要包括卷取区主画面、 卷取区 轧制程序表画面、 卷取区设定画面、 趋势图画面、 卸卷状态画面、 运输链画面、 液压、 润滑站画面、 故 障报警一览表等动态显示及设定画面。具体结构 如图3所示。 图3 系统硬件配置图 Fig. 3 Hardware of the system 3. 1 PLC的主要功能 1 各设备速度控制超前、 滞后。在准备状 态下,辊道速度高于轧件速度,可防止堆钢,并产 生一定的张力。夹送辊速度高于轧件速度,便于 轧件咬入。卷筒助卷辊的速度高于夹送辊的速 度,有利于带钢卷上卷筒。带钢咬入卷取机时,由 卷筒和轧件之间的速度差保持张力。末架轧机抛 钢后,夹送辊速度给定低于卷筒速度,以维持收卷 张力。辊道速度低于轧件速度,增加带钢前进的 阻力,防止带尾跳动。 2 卷取区带钢头、 尾跟踪跟踪修正。 3 卷取前侧导板位置控制和压力控制。 4 夹送辊速度控制超前、 滞后、 张力控制和 辊缝调节。 5 卷取顺序控制气动活门控制,卷取机冷却 水控制,卷取机选择等。 6 钢卷尾部定位控制。 7 卸卷控制卷筒涨缩、 卸卷小车移到、 上升、 下降等。 8 运输链控制。 9 卷取区人机界面功能参数修改,设定,故 障查询,曲线显示等。 10 模拟轧钢。 11 故障诊断、 首故障判断,可指出本区域故 障发生时出现的第一个故障,并给出处理建议。 12 网络通讯。 3. 2 设备的初始状态 辊道、 夹送辊、 助卷辊及卷取机卷芯与末架 轧机出口速度应协调一致,即vv出口前 滑值。 1 前滑值可在控制室的HMI计算机上分别调 整,辊道线速度。超前末架出口速度约0～12 ; 夹送辊线速度超前末架出口速度约0～12 ;卷 取机卷芯线速度超前夹送辊约0～12 ;助卷辊 线速度超前卷芯约0～12 。 2 卷取前对中装置调整好设定宽度,并已打 开,调整对中装置的开口度带钢宽度预定值。 3 调整好夹送辊辊缝偏心轮调整并通过气 缸压下。 4 根据预选卷取机,调整好卷取机转换器。 5 调整好助卷辊的间隙手动。 6 减速器处于选定状态。 7 卷取机一次涨径。 8 接卷小车在卷取机外侧处于预备状态。 85 电气传动 2008年 第38卷 第1期黄颖,等基于PLC的热轧卷取控制系统设计 3. 3 钢卷的卷取控制 带钢头通过热金属检测器HMDC FZ5 设于夹送辊前约1m位置 ,HMDC作为带钢 头识别及计数器。带钢头一旦通过夹送辊,则 气动压紧的卷前对中就已结束任务可张开 ; 带钢 卷 上 卷 取 机 后,助 卷 辊 投 入 踏 步 控 制 AJC ,此时压力控制功能也开始投入;当卷取 1～3圈之后从FZ5算起约8～20 m卷芯二次 涨径不应达到完全涨开 ; 在经过FZ5约11～ 25 m之后可预选且带钢已形成张力,助卷辊 可完全张开按压功能投入时,1 助卷辊不打 开 ; 如未能构成张力,则助卷辊不张开,但发出 故障信号;张力建立后,辊道速度调至与带钢同 步相等 ; 夹送辊调至与带钢同步;这时末架出 口后的带钢在恒张力下卷取;在带钢尾到达J P6 之后即J P6与J P7之间的光电开关检测到带 尾 , 输出辊道组及夹送辊降速,使速度滞后于 卷取机,在带尾离开末架轧机之前,夹送辊与卷 取机之间由无张力平稳过渡到100 的反张力 积分方式 ; 并储存实际带钢速度值。末架轧 机带钢脱头后,卷取机与夹送辊之间形成恒张 力卷取。当带钢尾离开辊道 FZ5 检测到带尾 全部辊道组恢复初始状态,v末v超前,1 助卷辊 压下。在层冷区后,设有HMDC ,当识别到带 尾,则开始制动。通过APC控制使带钢尾最终 停在所需的位置上可人工点动调整带尾的位 置。 4 结论 由于系统规划好,核心设备 PLC ,网络,软 件选型合理,数学理论模型正确。在热轧卷取系 统实际应用中,卷取过程达到了保证良好的带钢 卷形的目的。取得了很好的经济效益。 参考文献 1 唐媒凤.现代带钢热连轧机的自动化[ M].北京冶金工业出 版社,1986 2 孙一康.带钢热连轧数学模型基础[ M].北京冶金工业出版 社,1979 收稿日期2007204209 修改稿日期2007208208 上接第50页 图4中,Controller Inside卡完成卷径计算, 理想速度生成等功能,将生成的速度给定通过 CanOpen发送给变频器内置PID的预设给定。 变频器内的PID通过变频器本体的I/ O接受给 定和反馈,进行张力调节。 利用变频器内部的PID的优点是内部PID 的循环扫描时间是1ms ,而Controller Inside卡 内的PID最快的扫描时间也要4 ms。因此,从调 节效果来看,内置PID的效果要好一些。 不过,内置的PID更适用于浮辊DANCER 检测张力的场合,因为浮辊可以提供一个较大的 缓冲行程,允许PID输出在一个较大的范围内进 行调整,浮辊的上下运动吸收了大部分速度的调 整量。若采用张力传感器检测张力,此时,收卷速 度的任何变化都几乎百分之百地作用于材料,引 起张力变化。因此,要求PID的输出有极高的分 辨率,能进行很微小的调节。在实践中,我们发现 ATV71内置的PID对有些材料来说,分辨率 不够。 由于是速度控制模式,因此,没有必要做惯量 补偿和摩擦补偿,但必须根据卷径的变化对张力 PID和速度环的PI参数进行自适应。 3 结论 本文所讨论的3种张力控制方法,都在不同 的机器上成功试验过,取得了令客户非常满意的 效果。实践证明ATV71加上Controller Inside 卡可以很好地满足各种张力控制的要求。 参考文献 1 陶永华,尹怡欣.新型PID控制及应用.北京机械工业出版 社,1998 2 施耐德电气中国投资有限公司. ATV71编程手册 3 User Manual for PLC Programming with CoDeSys 2. 3 3SΟ Smart Software Solutions GmbH 收稿日期2006211211 修改稿日期2007207208 95 黄颖,等基于PLC的热轧卷取控制系统设计电气传动 2008年 第38卷 第1期