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攀钢线材厂西门子控制系统的设计与应用

攀钢线材厂西门子控制系统的设计与应用

2003/11/24 0:00:00
1 改造背景 目前,攀钢线材厂的生产工艺较低,原设计的精轧机线速度为50米/秒,而现在最大只能达到30米/秒。轧线上的辅助设备也未全部使用,不能实现全线高效自动联动控制和机架间的活套检测控制,各机架的速度调整只能由操作工手动操作,经常出现拉钢或堆钢现象,严重影响轧制产量和质量。另外,因无预精轧机组,现在生产的产品规格、品种也受到严重限制。攀钢集团公司针对攀钢线材厂精轧区目前因采用模拟式直流可控硅传动装置而存在控制精度不高、设备运行不稳定、维护调试困难、产品产量低、产品质量及品种规格已难满足市场要求等具体问题,准备对攀钢线材厂精轧区的模拟式直流可控硅传动装置进行改造,全部改为全数字直流传动装置(注:根据攀钢线材厂的招标要求,全数字传动装置必须选用ABB公司的产品),同时增加基础自动化控制系统。另增加预精轧机组,以达到提质降耗、扩大品种的目的。 2 攀钢线材厂控制系统的设备选型及配置 由于该项目为中标项目,所以在控制设备选型方面存在较大的风险。当时我们面临几个难以决定的技术问题:   1)如何通过PROFIBUS完成S7PLC控制器与ABB公司的全数字传动装置进行通讯(注:当时在国内只有沈阳造币厂采用过这种通讯模式,但还仅处于调试阶段);   2)如何用最少的钱实现二级网络控制;   3)如何在S7PLC控制器中完成飞剪控制功能,实现快速响应的目的;   4)用全套西门子的控制系统(包括控制器、网络、软件等)来完成高速线材的控制在国内还没有,完全由我们自己设计,能否达到目的。为了克服上述问题,达到最佳的控制效果和控制配置,我们从理论和实际两个方面作了大量而深入仔细的工作。一方面,收集了许多与西门子公司控制设备及控制系统有关的技术资料,并组织专人对有关问题进行分析研究,同时写出针对性很强的技术分析报告和相关技术附件;另一方面,又组织专人北到沈阳、北京,南到昆明、成都,去各线材厂和相关研究单位考查学习,同时与西门子公司及ABB公司方面专家进行了广泛的技术交流,最后对攀钢线材厂新增基础自动化系统作出了如下的设备选型和配置。如图一所示。
  攀钢线材厂精轧区改造后的生产工艺特点是:A、B两条线材生产线相对独立作业,并且生产工艺条件完全一样。根据其生产特点,我们作了如图一所示的设备配置和控制思路,即A、B两线分开控制,各选用一套西门子公司的S7-400PLC(注:PLC电源为PS407/10A、CPU为CPU414-2 DP、H1网的通讯接口板为CP443-1TF、计数器模块为FM450-1、另外还配有一块16点的模拟量输入板/二块8点的模拟量输出板/四块32点的数字量输入板/二块32点的数字量输出板/二块16点带继电器的数字量输出板)作为其控制系统;另外A、B两线S7PLC控制器与远程控制单元(ET200)及传动装置之间通讯完全独立,其通讯网络均选用PROFIBUS-DP网(注:通讯电缆为屏蔽双绞线)。为了便于生产操作和生产管理,我们的设计思想是A、B两线共用一个监控站,A、B两线各设一个操作站,同时要求A、B两线操作站能互相冗余。要实现上述目的,则A、B两线的操作站、共用监控站、A、B两线的S7-400PLC控制器之间的通讯采用SINEC H1网络系统(注:总线适配器为TRANSCEIVER/双口/单口,通讯电缆为727-0 LAN主通讯线及727-1 LAN辅通讯线)。   A、B两线操作站的PC机选用研华586系列工控机,其基本配置为:内存64M、硬盘3.5G、3寸软驱、主频300Hz、19寸彩色显示器(注:PC机内置一块CP1413通讯接口板,用于将PC机连接到H1网上)。   ABB公司的全数字整流传动装置配有一块NPBA-02通讯接口板用于PROFIBUS网络连接。   A、B两线操作台的数量及大小主要是根据生产工艺来进行设计,其分布为在4#主操作室内置有一台用于A、B两线的主操作台,在5#操作室内置有一台用于A线的操作台,另外在现场配有两个就地操作箱分别用于预精轧机和精轧机操作。4#主操作室内主操作台配有一个远程I/O单元(ET200M)用于4#主操作台与S7PLC控制器之间通讯。A、B两线S7-400PLC控制器安装在2#主电室内,监控站安装在计算机室内,操作站安装在4#主操作室内。 A、B两线分别用了6个热金属检测器、三个活套检测器和三个红外双色测温仪。热金属检测器主要用于检测轧线上的轧件位置,以完成轧件的自动逻辑顺控;活套检测器主要用于轧件的活套调节,以实现轧件的无张力轧制;红外双色测温仪主要用于轧件温度检测,以实现轧件的温度控制。   A、B两线的电机轴上分别安装有增量式编码器(1024个脉冲)。飞剪园盘剪上另外还装有一个位置式增量编码器(带Z脉冲),精轧传动是通过双电枢同轴电机来实现的,其主从控制方式是通过切换开关来完成;2#预精轧电机的增量式编码器应该有二个,但实际上只有一个,因此只有通过端子上并接出两路,一路送传动柜,而另一路送PLC计数器模块,以实现飞剪同步剪切。 其操作站及监控站工控机的供电分别由3000KVA的UPS电源完成。另外在主操作台上配有二台LQ1600打印机用于生产实时打印。 3 攀钢线材厂控制系统软件的设计说明 根据上述的设备选型及系统配置,我们可以看出这种设计是合理的,它充分发挥了西门子产品的优势和其便捷的通讯网络。在全数字传动柜的设计成套过程中,我们还选用了西门子S7-200PLC控制设备用于内部逻辑控制,最终结果表明这种配置达到了满意的效果。 当控制设备选型及系统配置完成后,其相应的开发软件和应用软件也就确定了。在这套控制系统中我们配置了如下应用软件:   1)S7-200开发编程软件一套;   2) S7-400 / STEP 4.0版本编程软件二套(监控站配有一套STEP 4.0,平时可作为编程器通过H1网对A、B两线的S7-400PLC控制器进行编程;另一套STEP 4.0安装在专用PC编程机上);   3) WinCC / 4.0管理编程软件RT256二套;   4) WinCC / 4.0管理编程软件RC256一套;   5) CP1413通讯驱动软件三套;   6) S7-NCM H1网络组态软件二套;   7) FM450-1高速计数模块组态软件一套;   8) ABB通讯模块NPBA-02的通讯驱动软件一套。   可以看出,上面所述的各项管理编程软件均为西门子公司近几年随新一代PLC控制产品开发出来的新软件产品。其各项性能指标均优于过去开发的产品。下面我们将分别说明其用途:S7-200 / STEP2.0编程软件主要用于S7-200PLC编程,完成生产线上各全数字传动柜内部的逻辑控制程序设计;S7-400 / STEP4.0编程软件主要用于S7-400PLC编程,完成线材A、B两线生产线上的逻辑顺控程序、活套控制程序、飞剪控制程序、事故报警程序、通讯数据程序等的设计;FM450-1高速计数模块组态软件主要用于高速计数模块的组态和定义其的工作特性(如编码器类型、供电电压等级等相关参数);ABB通讯模块NPBA-02的通讯驱动软件主要用于ABB传动装置在PROFIBUS网上的通讯组态;S7-NCM H1网络组态软件主要用于S7-400PLC在H1网上的通讯组态;CP1413通讯驱动软件主要用于研华586系列工控机在H1网上的通讯组态;WinCC / 4.0管理编程软件RT256(或RC256)是一个通用的系统,在自动化领域中可用于所有的操作员控制和监控任务。在这次线材改造项目中,我们使用其开发管理、操作上的监控画面和操作画面(其主要画面有:生产启动、运行联锁条件监视画面、轧制作业表计算及下装画面、各传动柜电流/转速实时显示画面、报警清单、各机架电流/线速度历史曲线显示画面、现场工艺显示画面等)。 4 攀钢线材厂控制系统的控制功能设计说明 速度设定以中轧机组为基准。全线各机组的速度设定都是根据金属秒流量相等的原理来进行的。现将速度设定过程说明如下:   一般情况下,轧线上的各机组速度设定都是从最后一道次机组的速度开始往前进行速度分配的。但由于线材厂的中轧机转速恒定,故速度设定以中轧机末架出口线速度为基准速度,中轧机末架出口线径为φ21-φ24mm, 根据金属秒流量相等的原理可求出精轧机及预精轧机的出口线速度,夹送辊及吐丝机的线速度设定略高于精轧机出口的线速度,飞剪切头时的速度设定值取2#预精轧机线速度的1.03~1.05倍,飞剪切尾时的速度设定值取精轧机第一架线速度的1.03~1.05倍。现将设计的几个主要控制功能说明如下:   A、逻辑顺控功能   我们设计的全线逻辑顺控程序的基本思想是:首先检查所有运行条件及启动条件是否准备好,若一切条件OK,则调用速度子程序,以完成所有机架的速度设定(含实际速度设定、动态速降补偿及手动速度修正值,各机架的速度设定通过轧制规程表完成计算)。在轧制生产时,当2#热金属检测器检测信号为1且3#热金属检测器检测信号为0时,则判断为轧件头部,当2#热金属检测器检测到线材头部时,延时T1秒,若1#预精轧机的咬钢信号为1或2#热金属检测器检测到线材头部后延时4.5秒,则打开1#侧活套起套管;同理,当1#热金属检测器检测信号为0且2#热金属检测器检测信号为1时,则判断为轧件尾部,延时T2秒后,调用1#侧活套消套子程序。 当轧件头部到达2#热金属检测器检测位置时,延时T3秒,若3#热金属检测器未检测到线材头部,则预精轧机故障报警,启动1#预精轧卡断剪卡住轧件,进行故障处理,故障处理后,各机组恢复到待轧状态;反之,若2#预精轧机的咬钢信号为1时,则推出立活套起套辊,同理,当2#热金属检测器检测信号为0且3#热金属检测器位置检测信号为1时,则判断为轧件尾部,延时T4秒后,调用立活套消套子程序。 当3#热金属检测器位置检测信号为1时,硬接线触发计数器1计数,当计数值达到设定值时,调用飞剪切头子程序;同理,当2#热金属检测器位置检测信号为0且3#热金属检测器检测信号为1时,则判断为轧件尾部,当3#热金属检测器位置检测信号为0时,硬接线触发计数器1计数,当计数值达到设定值时,调用飞剪切尾子程序。当3#热金属检测器检测信号为1且2
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