分布式PLC控制系统在全连续棒材轧机速度控制中的应用.pdf

技 术 分布式P L C 控制系统在全连续棒材轧机速度控制中的应用 唐 国兰 ，罗荣华 2 ，吴云忠 1 ． 广 东松 山职业技术 学院， 广东韶 关 5 1 2 1 2 6 ；2 ． 广东韶 关钢铁集 团公 司炼轧厂， 广 东韶 关 5 1 2 1 2 2 3 ． 广 东韶 关钢 铁 集 It l 公 司 动 力 厂 ， 广 东韶 关 51 21 2 3 棒材车间轧机区分布式 P I J C速度控制系统的硬件组 态 ；P L C；速度控制 ；轧机 速度设定 、速度调节方案及实现方法 。 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 0 0 8 0 1 1 8 0 3 1工艺简 介 韶关 钢铁 全连续棒材 车间的轧机 能力为 3 x l o 5 t ．产 品 规格 为 l 0 1 6圆钢及带 肋钢筋 ．按 工艺设施分为 四个 区 域 ，即加热 炉区 、轧 机区 、冷床 区及精 整区。加热炉 区 包括 从上料 台架及炉前 辊道开始 至炉后 辊道终止 的设备 轧机 区包括从粗轧机至精轧机后输 送辊道为止 的所有设 备 和为该区域设备配套的液压及润 滑设 施 ，以及精轧 机所 用 的机架翻转及换辊机械手等设备 ；冷床区包括从冷 床输 入 辊道至冷床输 出辊道为止 的所有设 备及为该 区域设备 配套 的液压及润滑设施 精整 区包括从 冷剪机至钢材收集打 包 后收集台架为止的所有设备 以及 为该 区域设备配套 的液压 及润 滑设 施。轧机 区轧线设 备 为全连续 l 9架 轧机 ，其 布 置如图 1 所示 ，其 中精轧机组 的 1 5 、1 7 、1 9机架 为平一 立 交 替 型式 ，最 终 实 现 无 扭 轧 制 ．轧制 出 口最 高 速 度 为 1 5 m／ s 。 轧 制过 程 为 钢 坯 1 6 0 ra mx l 6 0 m mx l O 0 0 0 m m 经 过上 料台架 、上料辊道进入步进式加热 炉加热 ，然后 由 炉 尾 的 出 炉 辊 道 单 根 输 送 至 炉 后 辊 道 上 ，钢 坯 经 q b 5 5 0 m mX 3 m m q b 4 5 0 m mX 4 m m粗轧机组轧 制 7个道次 ．轧 成 6 8的中间圆断 面．由粗轧机组后 飞剪切去肥大且温度 较 低的头 和尾 ，再进入 3 8 0 m mx 6 mm 中轧机组轧 制 4或 6个道次 ，继续 进入 q 3 2 0 m mx 6 mm精 轧机组 ，轧 制 6个 道次 ．轧 成要求 的 1 0 ra m～ 1 6 ram 的成 品断 面尺寸 。粗 、 中轧机组各机架间以及粗 、中轧机组 间轧件采用微张力控 制进行 轧制 。在精轧机组前 以及精轧机组 各机架间设有垂 直 活套 ．轧 件可实现无 张力活套控制进 行轧制。精轧机组 轧 出的轧件经轧后输送辊 道被送至倍尺分段 飞剪机处 ，被 分段飞剪机前夹送辊夹住送入分段 飞剪 ．将其剪切成适应 冷床长度的商品材倍 尺长度 。 图 l 轧机布置 Wi n C C界面 2轧机速度控制 系统 全连 续棒材车间采用 了 S I E ME N S S 7系列 自动化 产品 完成工 艺控 制过程 ，系 统按 照 当前较 为先进 可靠 的监 控 级 基 础级 现场 总线 的模式构 建 ，其组 态如图 2所示 。监 控级 采用 高性能 的工控 机完成 在线监控 及参数 的设定 、 干预 ，软件环境 为运行 S I E ME N S Wi n C C监控软件 ，各个 工作站之间通过光纤以太网相联 ，实现数据 块的快速传递 与共 享 。现 场级 现 场级为 P R O F I B U S D P协议 的网络形 式 ，联接 以下设 备 1 S I E ME N S 6 R A 7 0直流调速装置 ； 收稿 日期 2 0 1 o - oI l 1 ●■I互 l 2 S I E ME N S 6 E S 7 0交流 变 频 调 速装 置 ； 3 S I ME N S E T 2 0 0 M 及 E T 2 0 0 S现场 总线模块 采集现场信号 。基础 自动 化级 采用 1 套 S I E ME N S S 7 _ 4 o 0系列 P L C完成加 热炉区 域 的控 制 ，2套 S I E ME N S S 7 - - 4 0 0 、2套 S I E ME N S S 7 3 0 0 系列 P L C完成轧机区域 、冷床区域 、冷剪 区及精整 区的全 部控制过程 。P L C系统之间通过 以太 网及 MP I 网互联 ，实 现 信号的相 互 传递 。其 中 ，轧 机速 度控 制采 用 S I E ME N S S 7 4 0 0 2 C P UP L C P R O F I B U S D P的结构形式完 成包速 度级联控制 、微张力控制 、 自动活套控制 等控 制过程 ，从 图上可看 出．C P U负责区域的控制 ．所有传 动装置均联接 在 D P网上 ，实现全数字给定与反馈 。 ． ⋯ 舞 f i 1 i 1 1 1 i I I 1 ] 『I f ‘ J ； l “ 一 1 I }I f - I i 1 『 ’ i i 訾 _ 【 t f f f 盘 龆 ■ 盆 ■ 皇盘 盏 ■ 毒 盏 ■ { 籀 鼯 ■ ■ l 盆 ■ l 盆 ■ ■ 锚 盘 ‘ - - 虹J _- 盏 - 盏_ _- ． - - l“ 一 } ～ - f 一 ～- - ．＆l f } I i i 目 目 鲥 图 2 轧机速度控制组态图 每一 台轧机各 由一 台直 流电机单独传动 。每台直流 主 传 动 电 机 由一 套 电 枢 可 逆 的 晶 闸 管 变 速 装 置 S I E M E N S 6 R A 7 O供 电，装置配有相应 的开关 、保护设 备及紧急制动 系统 。变 速装置 的输 出功 率适 应各 种轧 制情 况 下 的负荷 冲击 负荷 、短 时过 载等 ，并保证 了轧机 主传动电机具有 良好的动态驱动特性 ，以满足轧制过程 中速度控制的要求。 轧机速度控 制分为速度设定 和速度调节两 个组成部 分 ⋯。 速度设定是指穿料前 ，将轧机速度 整定为设定速 度 而速 度调节是指穿料后各机架速度的动态调节 。 2 ． 1速 度设 定 轧机在生产启动前 ，必须通过计算机 系统对所选择 的 各轧机 的轧制速度进行设 定 。设定值 以电机转 速 r ／ mi n和 轧 制速度 m ／ s的方式显 示在 H MI 的终端 显示 器上 。各轧 机速度设定界面 如图 3 所示 ，可通过计算机 自动设定 。也 可 由操 作人员进 行单机设 定修正 。采用 自动速 度设定 时 ． 须将一些参数 ，如延伸系数 、各架轧机 的速 度 、各架轧机 孔型尺寸 、产品尺寸 、轧件平 均高度 、辊缝 值 、轧辊直径 等输人到计算机 中。按照各机 架金属秒流量 相等的原则 的 进行速度 自动设定[2 1 。 即 Ai V ．Af ． Af ， 式 中 i 某～架轧机轧出轧件的断面积 ； i 某一架轧机的轧制速度 ，m ／ s ； 广成品轧件断面积 ； 广_ _成 品 机 架 速 度 ，m／ s 。 n 。 60Vi／r r D ． ， l 0 ， 式 中 某一架轧 机的轧辊工作直径 ，m 脚； n ；某一架轧机传动电机的转速 r ／ m i n ； ， l_一 某一架轧机传动速 比。 Di Do i Hmi S i ， 式中 D 0 __某一架轧机 的轧辊直径 ，m m； 日m 厂一 _某一 架轧机轧件平均高度 ，m m； 5 厂_ 某一架轧机所使用的辊缝值 m m。 Ai Af f R l ⋯ ⋯ i ， 式中 R “ 兄”因子 ，即各架 轧机 的延伸系数 。 如果对所选择轧机 的某一 架速度进行修 正 。则可 由操 作人员通过计算机装置进行单机修正。 图 3 轧机速度设定界 面 无论 手动还是 自动 。对设 定的速度值计算 系统都应对 其进 行校验 ，检查其是否超过 了电机设定 的最高 转速 ．如 超 出了设 定的最高转速 。应报警 给操作人员 ．以便对参数 进行检查 。速度设定 的 P L C程序如图 4所 示。 2 ． 2速度 调 节 为满足轧制要求 ，主传动从无 负荷 到有负荷 的静态速 降必须小于 0 ． 1 ％，即在不 同的负荷 条件下 ．速度 必须 尽可 能保持恒 定 ，主传动 电机动态速降 当量应小 于 0 ． 2 5 ％。由 于主传动 电机动态速度控 制而引起 的机械 设备可能发生 的 固有振动干扰 ，必须通 过主传动控制加 以补偿校正 ，为此 对于咬钢时的速降 ，控制 系统给予 了补偿 。主传动控制 系 统应 具有 下列控制 功能并满 足下列控制要求 。 1 活套 张力控制 轧件 在粗 、中轧机 组 各机架 间 ，实 现微 张力 控 制轧 制[ 3 】 ，采用 主传 动电机 电枢 电流 比较法 进行微 张力 控制 ． [二]互Ⅱ 技 术 即在轧件轧入相邻下游一架 轧机之前和之后 ，在轧机主传 动 电机均达到稳定状态 时，分别 测量并存储本 架轧机的电 枢 电流值 ， 、， 。通过 比较 ， 、， ， 的差值 。反应 堆钢 或拉钢 及堆拉钢 的程度 ，通过调整 本架 轧机 的速度 ，使电流差值 达到允许范 围。这个调节 只有在 轧件在各机架 问穿料过程 中进行 。调节过程 中对原速 度设 定值进行 了修 正 ，修正后 的速度 值被存 储 ，并作为下一根轧件 的初始设定值 。经 微 张力控制后 ，轧件断面上张应力尽可能控制在 1 5 N ／ mm 。 精轧 机组 各机 架间均设 有活套 。通过控制 活套来实现无 张 力轧 制。每个活套处设 有活套高度检测 器 ．用于检测实 际 的活套高度 ，并与设定的活套高度值进行 比较 ，当实 际活 套高度 大于设 定值 ，则 活套 上游 各架 轧机 主传 动 电机 降 速 ．当实 际活套高 度小 于设 定值 。则 上游 各机 架 电机 升 速 ，直至活套值与设定值相 同，再恢 复正常轧制速度 。在 活套 控制过程中 ．上游各机架速度 的调节 由级联控制 系统 实现。经 调整后稳定活套的速度值应存 储下来 ，作 为下一 根轧件的设定值。 a OB I 组织块 中速度给定至传动控制程序 m J “m ． t X ．． X l m l t r m I t “ i t I U ％ - m ’ c l J脒“T ． m J柏一s T l 蝓定娃 打 l ● 轧机的遗忘■宦毽序． ’ 叽． ⋯■ ■ - 一●聃一 _0嚅i■ 一⋯ - ’ 一⋯● ‘ ⋯⋯⋯ r● ● 一一⋯．●” _I■ 曩 ⋯■ 。 ⋯ ⋯， i m 即 埘鼠鼍鏖蝓窑瞪枣 b F C 2 3 0速度设定 子程序 中 I 群 、1 9 轧机 的速度给定程序 图 4 速度设定 P L C程序 2 速度级联调节控制 速度级联调节控制就是在任 何情况下 。保持各 架轧机 的速度 比例关 系，在轧制过 程中 ，当其他控制 ，如微张力 控制 、活套控制 、手动机架间速度控 制等 ，对某一机架 主 传动 电机 的给定速度进行修正 时 ，速度级联调节控制 系统 将 以此修正值 为基准 ，逆轧制 方向按原有 的速度 比例 关系 调节上游各架轧机 的主传 动电机速度。速度级联 调节 控制 系统 只有在轧件头部 到达此机 架时 ，才对此机架 主传 动电 机实施控制 ；当轧件尾部离 开此机架后速度级联调节 控制 系统 即对此机架轧机 主传 动电机断开。速度级联调节 控制 所 实施 的各架轧机的主传动电机速度值应 自动存 储 ，作为 下一根轧件 的给定值 。 3 手动机架间速度控制 操作人 员在生产 时监 测轧制状态 ，当轧 制中某一原因 出现超出允许的堆或拉钢现象时 ，由操作人 员对发生过度 的堆钢或拉钢的两机架上游一架轧机 的主传 动电机速度进 行 修正 ，使 不正常现象消失 ，在手动修 正某 一架轧机 的主 传动电机速度时 ，级联调节系统将对此 机架上游的各架轧 机 的主传动 电机速 度按 原设 定 的 比例 关 系进行 相应 地调 节 。 4 低速运行 各架 轧机 的 主传动 电机 应 能以 正常 生产设 定速 度 的 1 0 ％低速运行 ，以便进行 排除轧制故障 ，低 速运行操作将 按粗轧机组 、中轧机组 、精轧 机组 分区域进行 ．每个 区域 中原有 的微张力控制 、活套控 制及级联调节控制在低 速运 行 时仍 有效 。该 功能通过 C R 2中 H MI 画面上 的轧制水平 参数设定实现。 5 点动爬行 为便于事故处理 ．每架轧 机的主传动 电机可单 独用手 动操作使轧机 以电机额定速度 的 1 0 ％的速度进行 正向或反 向的点动运行。该功能在机旁操作 箱上 实现 。因文章篇 幅 有限 ．其速度 调节程序在此不再一一列出。 3结束语 本轧 机速 度控 制系 统采 用分 布式结 构 ．充 分利 用 了 P L C、现场 总线和计算 机网络通信 等先进技术 ，使系统较 好地 满足 了生产 工艺 的要求 ．提 高 了轧 制速 度和生 产效 率 ，并降低 了轧废率 ，创造 了可 观的经济效益 。该套轧机 已经连续生产几年 ，实践证 明该系统稳定 ，运行可靠 。 参考文献 [ 1 ]张文雪．板带热连轧活套高度及张 力控制 系统研 究 [ D]．沈 阳东北大学，2 0 0 6 ． [ 2 ]广 东韶 钢松 山股份有 限公 司．小型棒材技 术改造 电控 功能说 明书 [ Z]．2 0 0 4 ． [ 3 ]廉宏 亮 。张军 霞．全连轧棒材线 自动化 控制 系统设 计与 实现 [ J ]．山西冶金 ，2 0 0 4 4 4 9 5 0 ． [ 4 ]杨永立．棒材连轧 分布式 活套控制 系统的设计 与实现[ J ]． 电气 传 动 ．2 0 0 3 1 4 8 5 0． 第一 作者简 介 唐 国兰 。女 ，1 9 7 6年 生 ，重 庆人 ，硕士 ，工程 师。研究领域 机电智能控制与应用 。已发表论文 8篇 。 编辑 向 飞 _ 一