全连续冷连轧机开卷区自动控制系统

［摘  要］河北中钢全连续冷连轧机组中开卷区控制采用Siemens PLC，实现了逻辑控制、速度控制、张力控制和区域跟踪，取得了令人满意的控制效果。 1  设备组成及工艺描述    河北中钢1250mm八辊五机架全连续冷连轧机组自动控制系统分成三个区：开卷区、轧机区和卷取区。机组开卷区基本设备组成和工艺过程示意图如图1所示。

   原料钢卷经过酸洗后，放在冷轧原料仓库中，检查确认后，由吊车运至开卷机前放置台上，等待上卷。钢卷小车将钢卷从放置台运送到开卷机前，人工对中，将钢卷放置在卷筒上，然后卷筒涨紧，钢卷小车：下降，返回到放置台处，等待下一个钢卷。    卷筒涨紧钢卷后压辊压紧钢卷，然后，开卷机和压辊开始转动，带钢头部经由引导板进入夹送辊，夹送辊夹紧带钢并开始转动，将带钢头部送至矫直机进行头部矫直。之后，带钢头部进入双切剪，切除带钢头部不合格的部分。切头后的带钢由转向夹送辊夹送，送至汇聚夹送辊，然后进入焊机和前一卷钢进行焊接。焊接完毕后，将部分夹送辊抬起，焊缝通过人口S辊组进入活套，开始充套。    当前一个钢卷的带尾在开卷机卷筒上还剩一定长度时，机组开卷区开始自动降速运行。当钢卷带尾接近双切剪前时，开卷机和人口S辊组停车，双切剪将带钢尾部切除。带钢切尾后以穿带速度运行至闪光焊机，在焊机处与下一个钢卷的带头通过焊机焊接在一起，使得带钢能够连续地通过机组后续设备。    机组头部设有两台开卷机、两台双切剪。当一台开卷机处于正常运行时，另一台开卷机则将下一个钢卷的头部打开，双切剪完成头部剪切，做好焊接前的准备。    焊接完成之后，机组开卷区开始升速，带钢以高于轧机区的速度经过人口S辊和1＃纠偏辊后进入活套，当活套充满后，开卷区速度降至轧机区速度，并与轧机区同步运行。 2  控制系统硬件组成及功能    开卷区自动控制系统采用了先进的EIC一体硒化结构，构成了一套功能完备的综合控制系统。基础自动化系统采用电气、仪表一体化设计，主要由监控操作站HMI、顺序控制PLC、远程站以及通信总线等组成。其网络配置见文献[1]。    监控操作站采用工业控制计算机，用于实现生产过程的监视、操作、报警、趋势记录、报表打印等。采用Siemens公司Simatic WinCC组态软件，进行操作站监控操作画面的组态编程。HMI画面包含了屏幕菜单显示、工艺流程图画面显示等功能，一目了然，为操作工提供了方便。    顺序控制PLC采用Simatic S7-400 PLC，用于生产过程的数据采集、回路控制、顺序控制以及连锁控制等。采用Step 7编程语言实现逻辑控制。开卷区控制由一台SimaticS7-400完成。系统硬件配置如下：S7-400主机架；CPU 416-2DP模块；电源模块；以太网通信模块；DP接口通信模块；32DI输入模块；32DO输出模块；ET200M I／O站(包括IMl53-1接口模块、I／0模块等)。    由于开卷区控制区域非常长，：工艺布置比较分散，使得各个设备的检测和控制点位置距离控制室非常远。因此，开卷区控制系统采用了Simatic ET200M系列远程I／O站，通过Profibus-DP现场总线与控制室Simatic S7-400相连，不仅利于系统信息的实时响应，又利于管线敷设施工，节省大量电缆材料，方便系统调试。另外，七台主传动电机的全数字直流装置6RA70也通过Profibus-DP现场总线与控制室S7-400相连。    开卷区S7-400通过以太网与轧机区的SimaticS7-400，TDC和卷取区的S7-400相连，保证整个生产线的完整一致。 3  系统软件实现    按照工艺要求，开卷区操作方式可分为两种：整机同步方式和区域同步方式。    整机同步方式就是在轧机建立张力运行时，甩掉活套，活套只当转向辊处理。开卷区所有设备的速度与轧机区保持同步。此种方式只在初始调试阶段或活套出现故障时使用。    区域同步方式就是在轧机建立张力运行时，活套正常投入，开卷区独立于轧机区操作，活套可以实现充套、放套，并与焊机配合，保证轧机的全连续轧制。   以上两种方式可通过手动选择：在轧机区主操作台上设置一个整机／区域的选择按键，可供操作工根据现场情况而定。    下面只介绍区域同步方式下的速度、张力控制和开卷区跟踪。 3.1  速度控制    每当生产完一个钢卷，为了使前一卷的带尾与后一卷的带头焊接起来，开卷区活套前的全部设备(开卷机，人口S辊)先要减速至停止；待带钢焊接完成后，机组速度再迅速升至高速，以便对活套进行充套；待充套完成后，还要降速至轧机区的速度，最终与轧机区同步运行。在上述加减速过程中，为了使开卷区全体设备的速度能同步变化，就必须采用主令速度控制器。特别是在生产极薄带钢时，如设备间速度出现微小不同步，则会造成带钢张力波动，从而极易引起断带事故。为此在PLC编程中编制了一个计算主令速度的模块。其程序流程如图2所示。

3.2  张力控制 3.2.1  控制原理    如何通过6RA70让电机产生所需的张力是要解决的核心问题。其控制原理框图如图3所示。    6RA70有两种控制模式：速度控制模式和张力控制模式。当6RA70工作在张力控制模式时，人为地让速度调节器处于饱和状态，同时将所需要产生的张力折算成额定转矩的百分比TR并作为6RA70转矩调节器的转矩限幅给定；当6RA70工作于速度控制模式时，将所需要的带钢线速度折算成电机额定转速的百分比nR并作为6RA70速度调节器的速度给定，同时将所需要产生的张力折算成额定转矩的百分比Te并作为6RA70转矩调节器的转矩限幅给定。6RA70工作在哪一种控制模式，由控制器中的程序自动进行切换。 3.2.2  实现过程    开卷机点动运行时，处于速度控制模式；开卷机建立张力运行时，处于张力控制模式，产生一个反向力，相当于带钢拖着开卷机向前运行。

根据实际情况，考虑了开卷机的转矩补偿：包括空载转矩和加减速时的动态力矩。    值得一提的是，由于开卷机运行时卷径是变化的，为了能精确计算卷径，并维持变径时的恒张力控制，直流传动电机除了用6RA70装置控制，还配有T400工艺板。PLC将带钢和卷筒的两个测速编码器反馈值送入T400，T400就可自动精确计算卷径。PLC只需给定线速度和张力限幅值，T400就能通过速度调节器、力矩调节器、电流调节器使得开卷机达到给定线速度、给定张力，并保持张力恒定。    S辊和活套点动或建张运行时均处于速度控制模式，其转速给定值和转矩给定值的计算同开卷机。    活套的张力控制是通过对活套车的速度控制来实现的。该系统除考虑对加减速力矩补偿外，还考虑了对摩擦力的补偿和牵引钢丝绳的振荡阻尼等因素的补偿。    活套充套时人口S辊和出口S辊的传动电机都处于发电状态，活套电机对轧机产生制动力矩的同时，对人口S辊、开卷机产生电动力矩。活套放套时，人口S辊、活套和出口S辊的传动电机均处于发电状态，对轧机产生制动力矩。 3.3开卷跟踪 3.3.1  自动降速    在开卷区跟踪系统中，卷径信号起重要作用。开卷区的自动降速和甩尾信号均与卷径有关。根据卷径可计算出当前卷筒上的带钢剩余长度Lr。

式中，D1为当前卷径；D2：为卷筒直径；G为带钢厚度。    开卷区速度从当前速度v减速到要求的减速速度vo。所走的带钢长度为Ldec。

式中，a为减速度。

3.3.3  活套套量的计算

4  结束语    系统已于2005年3月正式投入使用。开卷区各功能自投入以来，操作习惯合理，稳定可靠，开卷区速度达到6m/s，开卷机、活套的张力稳定在3‰内，达到了全连续轧制的设计要求。