基于现场总线和PLC的中厚板轧机伺服控制系统的研究与应用.pdf

第 2 7卷第3期 山 东 建 筑 大 学 学 报 o 兰 6 月 J O U R N A L O F S H A N D O N G J I A N Z H U U N I V E R S I T Y V o 1 ． 2 7 N o ． 3 J u n e 2 01 2 文章编号 1 6 7 3 7 6 4 4 2 0 1 2 0 3 0 3 3 4～ 0 6 基 于现场总线和 P L C的中厚板轧机伺服控 制 系统 的研 究与应 用 周涛 济钢集团有限公司 中厚板厂， 山东 济南 2 5 0 1 0 1 摘要 本文基于西门子 P L C 、 M P I 网络技术、 P r o fi b u s D P现场总线技术组态大型轧机传动控制系统， 围绕薄规格 钢板在生产过程中板型不易控制问题， 针对 2 5 0 0 k W大型中厚板轧机主传动直流电机应用西门子 6 R A 7 0全数 字直流调速装置进行电枢传动控制及励磁电流控制， 通过对薄规格板在轧制过程中受到的各种现场工艺技术 条件影响的研究， 主要探索了系统控制工艺中负荷平衡及动态板型的优化控制， 实现中厚钢板的精确轧制。 关键词 电气自动化； 直流调速装置； 中厚板轧机； 控制工艺； 精确轧制 中图分类号 T G 3 3 3 文献标识码 A Re s e a r c h o n s e r v o c o nt r o l s y s t e m o f me di u m a nd t hi c k pl a t e mi l l ba s e d o n fie l d b us a n d PLC ZHOU T a o T h e Me d i u m a n d Thi c k P l a t e F a c t o r y o f J i n a n I r o n S t e e l G r o u p L i mi t e d C o r p o r a t i o n ， J i n a n 2 5 0 1 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r c o n fig u r e s l a r g e mi l l d riv e c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n t h e S i e me n s PL C，MPI n e t - wo r k t e c h n o l o g y a nd P rofib u s DP fie l d b us t e c h n o l o gy ．Co n s i de rin g t h e p r o b l e m t h a t t h e t y p e p l a t e o f t h i n s t e e l i s n o t e a s y t o c o n t r o l ， t h e s t u d y t a k e s ma i n t r a n s mi s s i o n DC mo t o r o f 2 5 0 0K W l arg e me d i u m an d t h i c k p l a t e mi l l f o r e x a mp l e t o a p p l y S i e me n s 6 RA 7 0 d i g i t a l D C s p e e d c o n t r o l d e v i c e t o a r ma t u r e d riv e c o n t r o l a n d e x c i t a t i o n c u r r e n t c o n t r o 1 ．T h r o u g h t h e r e s e a r c h o n v a r i o u s s i t e t e c h n o l o gy c o n d i t i o n a l i n flu e n c e o n t h e t h i n s t e e l d u rin g r o l l i n g p r o c e s s，t h e p a p e r ma i n l y e x p l o r e s t h e o p t i ma l c o n tro l o f l o a d ba l a n c e a nd d y n a mi c t y p e o f p l a t e i n t h e p r o c e s s，r e a l i z e s t h e a c c u r a t e r o l l i n g o f me d i u m a n d t h i c k p l a t e ． Ke y wo r d s e l e c t r i c a l a u t o ma t i o n；D C d ri v e r ；me d i u m a n d t h i c k p l a t e mi l l ；c o n t r o l t e c h n i q u e；a c c u r a t e r o l l i ng 0 引言 近年来 ， 国内钢铁产量已经连续突破年产 6亿 t 的水平 ， 市场竞争逐渐加剧 ， 中厚板生产企业面I临着 原料价格上升及产品售价下滑的双重挤压 ， 利润空 间不断缩小 ， 因此， 对于中厚板生产企业来讲 ， 低成 本 、 高质量 、 高附加值、 高成材率是其实现利润最大 化的关键指标。很多企业通过优化品种结构来提升 效益 ， 但是品种规格 的变化对生产工艺的要求不断 收稿 日期 2 0 1 20 22 2 作者简介 周涛 1 9 7 3一 ， 男 ， 山东莱芜人 ， 高级工程师 ， 工程硕 士， 主要从事电气 自动化方 面的研究工作． E m a i l z t s h x t 9 7 7 s i n a ． t o m 3 提升 ， 有些品种需要在生产过程 中进行 严格 的工艺 控制 ， 特别是 68 m m薄规格钢板 ， 其板型不易控 制 ， 生产过程中经常造成钢板上翘或者下扣等现象 ， 钢板成材率低 ] 。到 目前 为止 ， 国内外 中厚板生产 线还没有薄规格板板型控制相对成熟的控制理论和 控制模型 ， 已有的板型控制方法在生产实践过程中， 往往由于受到各种情 况的影 响导致 应用效果不理 想 心 I 4 ] 。当前国内中厚板企业生产 6 2 5 mm中厚 板规格的产线约有二十几条 ， 大多数企业 由于无法 批量轧制 6 ra m超薄的平板板材而放弃 了此种钢板 的轧制生产 ， 造成无法满足这部分产品用户 的订单 需求 ， 导致经济效益 的损失 。针对上述情况， 通 过不断研究薄规格板轧制过程中受到的各种现场工 艺技术条件 的影响 ， 优化生产控制工艺， 并将这种工 艺技术创新方案依托电气 自动化技术开发 ， 在原有 柱’ I 研 3 3 5 轧机 电气控制技术的基础上 ， 增加轧机负荷平衡 、 咬 钢速度限制、 调整速差控制板型等功能 ， 能较好的解 决薄规格产品板型控制及成材率低的问题， 推广前 景广阔。本文以 2 5 0 0 k W 直流电机传动的四辊可逆 式精轧机为例 ， 介绍其实现精确轧制的伺服控制原 理以及系统的软硬件实现问题。 1 系统硬件网络构成 四辊精轧机上 、 下辊电机 电枢供 电采用 2台四 象限 6 R A 7 0直 流装置 ， 上下 位励 磁 系统 采用 2台 6 R A 7 0单象 限直 流装置 ， 装置与 主 P L C之 间采用 D P通讯方式 ， P L C与 P L C之间采用 M P I网络进行 通信 。系统硬件网络结构如图 1 所示 。 该系统采用 4套西门子 S 7 3 0 0机架构成 ， 分 B U S B U S 2 I l 8 AT 3 Y P DS 1 0 2 0 I l UP 0 3 l 4 l d o wn 0 3 1 4 l l o D e r a t o r 0 9 1 2 2 8 l C P U 3 1 5 D P rr l I C P U 3 1 5同D P l- r l l C P U 3 1 5 I r l D P r r l l C P U 3 t 5 D P r T【c I⋯ ．I M A S TER。D R IVE。S 卜 M A STmER。D R⋯IV ES／ I ‘l J I M ∞ AS T E R D ⋯ R 1 VE S 卜 M A sT ER D R Iv酷 sT 。卜 图 1 系统硬 件网络组态图 别实现精轧机主传动上位电机控制、 下位电机控制、 电机现场温度、 合分闸信号采集、 操作台操作及显示 功能， 4套 s 7 3 0 0系统采用 MP I网进行通讯组态， 实现上下辊操作 、 信号采集等数据共享功能 。 MP I 配置全局变量表如表 1所示。 2 系统工艺控制功能 2 ． 1 负荷平衡控制功能 通过检测上、 下辊主电机在实际轧钢过程 中的 电流 ， 并对其进行 比较 ， 动态调整 电机 电枢电流控制 环的给定 ， 实现上 、 下辊 电机轧制负荷 的平衡 ， 能较 好的控制轧制板型 ， 并有利 于对整套控制 系统进行 保护 ， 避免 出现单 台电机的过载现象。图 2所示为 表 1 全局变量表 传动系统负荷平衡工作原理图。在 6 R A 7 0软件设 3 3 6 山 置里 面 ， 调用 U1 2 0减 法 器 模 块 ， 减 法 器 输 入 端 K 3 0 0 3链接下辊电机 电流实际值信号 ， 另一输 人端 K l 1 7链接上辊电流实际值信号 ， 减法器输出链接到 连接器 K 9 1 2 0 ， 分别进行 负荷平衡功能的给定值处 理及实际值 处理。给定 回路调用 P I 调节器 ， 参数 U 5 3 0 ． 5 设定为连接器 K 9 1 2 0输出端 ， 即电流减法器 输出， 对其进行 P I 运算。其中 U 5 3 7 ． 5为 P增益 ， 设 定为 0 ． 7 ， U 5 3 9 ． 5为积分时间 ， ， 设定为 1 0 m s ， 参数 U 5 4 0 ． 5 ， U 5 4 1 ． 5分别用 来激 活 P及 ，调节 功能 U 5 4 3 ． 5设 定 负 荷 平 衡 最 大 调 节 量 的 限 幅值 为 2 0 ％ ， 限幅器输 出通过 K 9 3 4 4叠加到速度调节器输 出 参数 P 5 0 2 ， 做为电流调节器的附加给定。 l S 1 S 图2 开发的传动系统负荷平衡框图 另一回路 主要 实现负荷平衡 调节值的反馈功 能。减法器输出上、 下辊电流实际值的差值信号， 由 K 9 1 2 0链 接 到调 用 的 P I调 节 器 ， 参 数 U 5 3 7 ． 6 ， U 5 3 9 ． 6分别用来设定 尸增益及积分时间 ， 。参数 U 5 4 0 ． 6 ， U 5 4 1 ． 6分别激活 P及 j 调节功能 ， 通 过限 幅器 U 5 4 3 ． 6进行限幅后 ， 再经过 U 1 4 1 反号器 取 反 ， 链接至 U 3 0 0 调用斜坡 函数发生器 进行斜坡 设定。U 3 0 2 ， U 3 0 3分别设定斜坡 函数的上升、 下降 时间均为 1 s ， 输 出通过 K 9 2 3 6链接至速度调节器输 入端 ， 实现负荷平衡 附加调节 的负反馈功能 ， P 6 2 4 参数为速度调节器负反馈输人端 。 2 ． 2 板型控制动态优化调整功能 板型控制动态优化调整功能， 主要是针对产品 厚度为 6 m m、 8 ra m等薄规格板的轧制板型控制而开 发。经过对现场实际轧制工况进行 工艺技术研 究， 确定实施动态速差控制是解决此类现象比较理想 的 方法 。动态速差控制的核心思想是根据产品规格和 轧制工况 ， 动态修改 上、 下辊 电机的咬钢转速 ， 以达 到钢板咬入轧机 瞬间对 钢板 翘头或下扣 的控 制功 能， 从而起到控制板型的效果 。 动态速差控制的要点是 采集轧制过程 中的轧 制压力信号 ， 作为钢板咬钢信号 ， 再通过控制逻辑 ， 自动投用或切除动 态速差的控制功能 ， 这样 既能达 到实时调整上 、 下辊咬钢瞬间的转速差 ， 又能避免长 期速差的存在导致 的电机负荷 不均衡现象 ， 能够很 好的控制板型 ， 并且避免了由于钢板头部上翘或下 扣现象严重而造成的设备事故 ， 提高 了轧机 的工作 效率 ， 同时也减轻了工人的劳动强度。 动态板型控制工艺通过优化 P L C控制程序来 实现 在轧机上 、 下工作辊的主电机转速给定 回路设 置速差值 ， 当检测到轧机 咬钢信号时 ， 通 过逻辑控 制 ， 速差调节功能 自动投用。将 主电机给定 速度加 上或减去操作人员设定的速差值 ， 作为电机速度环 的速度设定信号， 调整上下辊电机在咬钢瞬间的速 度 ， 使轧制板型受到控制。通过不断进行现场工艺 研究 ， 发现当上辊速度稍大于下辊速度时， 薄规格板 P L C的中厚板轧机伺服控制系统的 三 2 3 咬钢瞬间头部上翘 ， 反之则下扣这一轧制规律 ， 程序 的优化也正是基于这一规律 。考虑到精轧机 自身特 性 ， 正常轧制时下辊 电机轧制负荷稍大于上辊 电机 负荷 ， 所以对于电机转速的调节 以下辊主电机速度 为基准 ， 只作用于上辊主电机。 3 系统软件设计 3 ． 1 软件设计的基本思路 针对轧机上工作辊 的主电机转 速调节控制 系 统， 通过动态调节速度调节器的速度输入信号， 调节 上工作辊的咬钢速度。通过这一改进 ， 使轧件在轧 制过程 中能够矫正头部上翘或下扣现象 ， 使轧制板 型得到控制 ， 但同时还需考虑动态速差控制 的投用 条件。 首先 ， 动态速差控制的整体投用与否需要人为 根据轧制钢种来设定 ， 该功能投用后 ， 为防止上、 下 位 电机速差的长期存在造成两台电机负载不均衡 ， 速差调整控制需要在投用后 ， 根据轧制情况 自动切 除。其次 ， 动态速差控制 的调节范围需要考虑轧机 自身特性和功率元件余量 ， 否则 ， 容易 出现上、 下工 作辊主电机 由于严重的负载不平衡导致频繁过载 ， 造成元件损坏。通过不断探索 ， 最终确定上 、 下辊电 机转速差控制在 4转之内， 这样既能控制板型， 又 能避免上 、 下辊负荷差别太大对系统造成不稳定影 响。最后 ， 选择轧机咬钢信号的来源 ， 由于轧机厚度 自动控制 系统 A G C 的轧制压 力信号稳定， 因此 ， 选择轧制压力信号作为轧机咬钢信号。 另一方面 ， 轧机在咬钢时， 动态调整其咬钢速度 的差别会带来上 、 下辊 电机电流的瞬间不平衡 ， 这种 不平衡可能会引起 系统 的其它变化 ， 需要值班人员 对这种情况进行监控。同时 ， 对于操作人员 的速差 调整操作 ， 必须简便 、 可靠 ， 减轻其劳动强度 。因此 ， 系统的监控及操作功能必须进行完 善及优化 ， 这也 是进行程序设计时需要考虑的问题。 3 ． 2 程序简介 精轧机上 下 辊 电机 电枢供 电通过 2台并联 的 △组和 Y组 6 R A 7 0直流调速装置实现 ， 在 2台 6 R A 7 0装置 内实现 电枢速度、 电流双闭环调节 ， 控 制系统的速度给定信号 由操作 台主令控制器给 出， 主令控制信号 通过 MP I网的全局变量功能分别传 送到上 下 辊的 C P U， 然后通过 C P U由 D P网传送 到 △组和 Y组 6 R A 7 0装置 ， 来控制上 下 辊电机 速度 。励磁 电流给定信号 由速度调节 6 R A 7 0装置 输出， 通过 D P网络控制励磁系统的 6 R A 7 0装置， 电 机在基速 6 0 r ／ m i n 以内时 ， 励磁电流设定为额定电 流 ， 当电机速度在基速以上时 ， 励磁电流减小 ， 进行 弱磁升速调节 。考虑到电控程序设计和使用的方便 性 ， 将速差 控制程 序在操 作 台和上辊 控制 系统 的 C P U中进行编制 ， 速差控制的显示和相应参数 的设 定程序 在操作 台 C P U内进 ， 亍编制 ， 上辊 系统 C P U 用于实现控制和调节功能。 图 3 板型优化控 制梯形 图 3 基于现场总线和 P L C的中厚板轧机伺服控制 应 作人员的反馈意见 ， 针对不同钢种或者同一钢种， 在 速差值相同的情况下 ， 钢板 的实际板型控制效果并 不一样 ， 这就导致了操作人员需要随时调整速差值 情况的出现， 否则会造成钢板翘头过大而顶挡水板 的操作事故。 经过与不同班次操作人员的交流 ， 并且对系统 采集 的电机电压、 转速曲线进行对比发现 ， 因操作人 员操作习惯问题 ， 每名操作人员在实际轧制过程 中 咬钢速度并不统一 ， 即不 同班次人员操作的轧机 咬 钢速度在 3 0 5 0转之间波动， 差别较大 。因此得 出 结论 针对不同钢种甚至同一钢种 ， 因咬钢速度的差 别造成了板型实际控制效果 的差别。 为解决上述问题 ， 程序中增加了设定轧机咬钢 速度 的限制功能 ， 将咬钢速度进行分级限制， 操作人 员根据钢种进行各种速度选择 ， 这样 ， 轧机咬钢速度 不再受人的主观影响 ， 而一律由计算机程序来设定 ， 杜绝了因操作人员操作习惯的不同而造成的咬钢速 度不统一现象 ， 功能投用后 ， 使轧制板型控制效果得 到很大改善。 5 结语 采用 6 R A 7 0 、 S T E P 7及现场总线技术、 M P I 通讯 技术 、 U S S通讯技术、 WI N C C软件开发 的中厚钢板 精轧机系统 ， 系统高度稳定可靠 ， 控制精确 ， 特别是 开发 的板型优化技术 ， 极大的提 高了精轧机 的轧制 精度和钢板成材率 ， 这种技术的开发对于 6 ram等薄 规格板的高效轧制意义重大 ， 为 中厚板厂生产企业 的薄规格钢板扩大市场 占有率 ， 提高产线经济效益 带来决定性的影响。 参考文献 [ 1 ] 唐运章．炉 卷轧机钢板头部翘 曲问题分析 和控制 [ J ] ．轧钢 ， 2 0 1 1 ， 2 8 2 5 8 6 0 ． [ 2 ] 康永林 ， 曹树卫． 国内外热轧钢材轧制技术的发展 [ J ] ． 河南 冶 金 ， 2 0 1 1 ， 1 9 1 71 0 ． [ 3 ] 于世果 ， 李宏图． 国外厚 板轧机及轧制技术的发展 [ J ] ． 钢 铁技 术 ， 2 0 0 0， 1 0 5 1 1 1 8 ． [ 4] 陈瑛． 国内外 中厚钢 板生产技 术的发展概 况 [ J ] ． 重型机 械科 技 ， 2 0 0 3， 2 2 4 4 1 4 6 ． [ 5] 王 国栋 ， 吴迪 ， 刘 振宇 ， 等． 中 国轧钢 技术 的发展现 状和展 望 [ J ] ． 中国冶金 ， 2 0 0 9 ， 1 9 1 2 11 3 ． [ 6] 翁宇庆 ， 康永林． 中国轧钢近年来 的技 术进步 [ J ] ． 钢铁 ， 2 0 1 0， 4 5 9 11 3 ． [ 7 ] 黄云凯． 深入浅出N e t L i n x网络架构f M] ． 北京 机械工业出版 社， 2 0 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