MAT四重不可逆冷轧机控制系统

一、 概述 　　美亚铝厂ф380/ф960×1750 四重不可逆冷轧机项目是涿神有色金属加工专用设备有限公司的第一台出口东南亚的铝加工成套设备。针对用户提出的要降低轧机操作者的劳动强度，尽可能降低操作失误从而提高产品成品率的要求，本套设备配制有部分自动或半自动功能设计。 二、 机组性能 1、主要技术指标 轧制来料：纯铝及铝合金（包含1000，3000，5000和8000系列） 来料宽度：800～1550mm 来料最大厚度：10mm 成品最小厚度：0.6mm 　　最大张力：12T 最大轧制速度：400m/min 　　最大卷径：1650mm 最小卷径：510mm 　　最大轧制力：1000吨 2、主要电气设备参数 　　主机电机（两台机械串联）： P=934KW，U=630V，I=1600A，n=500/1000rpm 　　开卷机电机： P=453KW，U=400V，I=1254A，n=395/1000rpm，If=35A 　　卷取机电机（两台机械串联）： P=453KW，U=400V，I=1254A，n=395/1000rpm，If=35A 三、 控制系统组成 　　轧制控制系统设计成三级网络控制，传动级为零级，采用ABB 的DCS500B 驱动模块，其速度控制精度1/20000，转矩控制精度1/4000。装置配有NPBA-12 Profibus-DP 通讯卡，与PLC构成Profibus-DP通讯网络。基础自动化级为一级，采用Rockwell公司的RSLogix5000可编程控制器，配有第三方（SST公司）的Profibus适配器模块SST-PFB-CLX 模板接入网络。上位监控计算机为二级，带有RsView32监控软件。为减少维护量和电缆敷设量，各操作台箱和泵阀站接线箱均设有远程站。PLC 与远程站点之间通过ControlNet 网络进行数据传送，接受远程I/O站的控制信号，并发出控制指令；PLC与传动系统通过Profibus-DP通讯方式实现轧机的速度和转矩控制；PLC与上位机之间以ControlNet网络的方式进行数据交互，包括轧制速度、张力的设定等，并可以显示轧机的运行状态，如轧制线速度、电机的电枢电流、卷径等。 下图为直流驱动系统与PLC系统的通讯连接框图： 四、 控制系统功能的实现 1、速度控制 　　轧机控制的核心是板形和厚度控制。要达到良好的板形和保证可接受的厚度公差，轧机就必须保证良好的速度、张力的稳定性。在控制方式上，主机为速度控制，给整个轧机提供稳定的线速度基准。开卷机和卷取机为恒张力控制。 　　速度设定由主操作手在操作台控制，数据发送到PLC处理后传送各个传动系统。速度设定是以主机为线速度基准速度，通过设定工作辊的直径与减速箱的减速比，从而给出电机的转速给定值。根据控制功能，速度设定有正反向点动功能，用于故障处理；穿带速度设定，用于生产前轧机穿带；轧机线速度设定，用于正常轧制。按照线速度相等的原则以转速的形式分配给各传动系统，其中要考虑前后滑系数的成分。 2、张力控制 　　张力控制在整个轧机控制中至关重要。因系统中未配备张力计，所以采用了间接张力控制方式。 　　就卷取机系统而言，若忽略电动机的空载损耗，则有如下关系： 　　MD=C_M∮I=FD/2i 　　式中：MD为电动机的电磁转矩；∮为电动机磁通；I为电动机额定电流；CM为机电时间常数；F为卷取机张力；D为卷径；i为机械减速比。由此可知，卷取机的张力控制可以近似看成转矩控制。而要保证张力控制的精度和稳定性，在就要获得两个重要的变量：线速度和卷径。 　　线速度的测量，是通过PLC系统读取卷取机前的偏导辊上的脉冲编码器进行计算而获得的。是卷径计算需要的一个重要变量。转速测量的精度与脉冲编码器每转脉冲数及采样时间有关，在转速恒定的情况下，脉冲编码器每转脉冲数越多，采样时间越长，测量精度越高。 卷径计算有线速度法和直接测量法两种，在实际应用中发现直接测量法比较稳定和精确。一般采用超声波测距仪或激光测距仪，其中激光测距仪可以达到很高的测量精度和稳定性，完全可以满足卷径测量的需要。 　　在间接张力控制中，为保证张力控制的准确性，要充分考虑卷取机在加减速过程中转动惯量以及机械本身固有的摩擦力对转矩的影响。因此，在系统中设计了加减速和摩擦转矩补偿环节，转矩补偿量即为转矩预控值与转矩设定值叠加，作为卷取机系统的合力矩，对卷取机进行控制。 3、入口上卷自动 　　上卷自动的关键是卷材卷径和宽度的测量精度。在小车辊道上安装了一套对射式的光电开关，配合小车升降机上的脉冲编码器实现卷材卷径的测量，在小车行走辊道的侧面基础上安装了另一套对射式的光电开关，配合小车行走方向的脉冲编码器完成卷材宽度的测量。 上卷自动的起点是卷材储运轨道，小车搭载着卷材离开储运辊道后向前行进，到升降位置时小车停止同时小车升降机开始下降，在下降的过程中利用第一套光电开关和脉冲编码器的配合测量了卷材的卷径。小车下降到下极限后，继续向前行进，行进过程中利用第二套光电开关和脉冲编码器测量出了卷材宽度。当小车行进到等待位置时停止，根据测量的卷材卷径小车通过升降动作对中卷材中心，完成后根据测量的卷材宽度向前继续行进对正卷材宽度中心点。这样卷材就被自动放置在开卷卷轴上了。 　　另外还有上卸套筒自动，卸卷自动等。 五、 厚度控制系统 　　根据轧机对AGC系统的要求，选用了ROCKWELL RELIANCE 公司的AutoMax系统。RELIANCE公司的AUTOMAX系统是一种实时、多任务、多处理器控制系统。每个机架内可最多插入4个处理器，每个处理器可以执行各自的任务，处理器之间互相独立运行，也可以通过MULTIBUS总线（称为多总线）进行数据交换，由于上述总线为并行总线，因此通讯速度非常快。AutoMax系统支持多种编程语言：控制流程图、梯形图、增强BASIC。 　　本系统包括位置闭环、轧制力闭环、速度闭环、压下同步控制，辊缝差设定控制以及轧辊压靠，辊缝清零操作，轧制力和/差越限保护等环节。以下分别介绍各部分的工作原理。 　　系统组成及其工作原理说明：本厚控装置为双闭环控制系统，内环位置控制环（APC）是厚控系统的核心控制环节，其输出为轧辊的实际位置或称实际辊缝。该环节可以独立工作，即可实现恒辊缝轧制。外环为厚度控制环，其输出信号用来修正位置环的辊缝设定值，通过液压伺服控制，使轧辊快速动作，以达到迅速消除厚差的目的。 1、位置闭环控制（APC）的工作原理 　　位置闭环控制系统由伺服阀放大器、电液伺服阀、油缸以及位移传感器等环节组成，其工作原理为：当轧辊的实际位置（或辊缝）与设定值之间产生偏差，此偏差信号经AutoMax计算并经伺服阀放大器加到伺服阀的电流线圈上，使伺服阀动作驱动油缸，从而使轧辊的位置向设定值快速移动，直到轧辊的实际位置与设定值相等，此时偏差信号为零，油缸停止移动，辊缝保持不变。 2、轧制力闭环（AFC）的基本工作原理 　　AFC只有在轧辊压靠进行辊缝清零操作或做为平整时才使用，正常轧制时，AFC将被切除。 　　轧制力闭环控制系统由AutoMax系统、伺服阀放大器、伺服阀、油缸及压力传感器等环节组成，其工作原理为：当轧制力设定信号加入该系统的输入端时，由于此时工作辊并未接触，故轧制力反馈信号为零，系统偏差既等于输入信号，在此偏差信号作用下，油缸迅速动作，起动轧辊向上移动，直到工作辊互相接触，靠实产生轧制力。当实际轧制力随着轧辊的继续上压而增加到等于设定值时，油缸停止移动，使实际轧制力等于设定值保持不变。 3、压上同步控制的基本工作原理 　　压上同步控制的目的在于使轧辊上下移动的过程中，始终保持轧辊的传动侧和操作侧的位移量相等，其基本控制原理为：所谓同步控制，实际为辊缝差设定闭环控制的一种特例，即在辊缝差设定为零的情况下，当实测辊缝差不为零时，该辊缝差信号通过AutoMax程序计算出两路大小相等而极性相反的信号，叠加到伺服阀的输出信号，通过伺服阀放大器使其输出信号分别控制传动侧和操作侧的电液伺服阀，使两侧油缸分别向减小辊缝差的不同方向移动，最终使实测辊缝差与辊缝差设定值相等为止。 4、辊缝差设定控制的基本工作原理 　　辊缝差设定控制的目的在于纠正或消除轧制过程中因铝带两侧出现厚差，从而造成两侧延伸不等而产生单侧边浪，严重时可能出现铝带跑偏甚至断带，因此辊缝差设定控制是保证顺利轧制的重要手段之一。 　　辊缝差设定控制与同步控制均由同一控制回路完成，其区别是前者的辊缝差设定值不为零。而且需要根据轧制过程中的实际情况随时予以调整。 4.1监控AGC（M-AGC） 　　这种方式的原理为：利用安装在轧机出口侧的测厚仪测定铝板的出口厚度，并将此厚度信号与给定的目标厚度信号进行比较，得到的厚差信号，以此偏差信号修正内环APC按一定的规律控制伺服阀，带动油缸驱动轧辊，来达到消除厚差的目的。 4.2张力AGC控制原理(T-AGC) 　　当出口厚度小于0.5毫米并接近0.1毫米时，由于轧辊压扁影响的增加及带材宽度以外的工作辊之间开始接触，导致轧制力对厚度的作用减小，而轧机速度及入口张力对厚度的影响逐渐增大，最终在铝板轧制过程中起主导作用。张力AGC是通过调节张力来改变板带的塑性系数的大小来实现厚度调节的。 4.3速度AGC控制原理（S-AGC） 　　速度AGC是通过速度调节来改变板带摩擦系数的大小来实现厚度控制的。 六、 结束语 　　本套控制装置自调试运行后，已生产出了多种规格的铝材，各种指标均到达设计要求。良好的人机界面和全网络化、数字化的设计，便于维护和操作，大大提高了系统的可靠性。 参考文献 1． ABB