济钢1700热连轧生产线基础自动化控制系统概述

1 概述 济南钢铁集团总公司将新建一条年产250万吨热轧钢卷的1700mm中薄板坯连铸连轧生产线。济钢1700热轧生产线主要由：两座步进式加热炉，一台带前立辊的四辊可逆式粗轧机，一台切头飞剪，六机架精轧机组，一套带钢层流冷却装置，两台卷取机，一套钢卷运输系统等设备组成。 热轧生产线自动化控制系统设计由两级网络组成，一级为基础自动化级（简称Level 1），二级为过程控制级（简称Level 2）。 基础自动化级（LEVEL 1）控制器采用GE Fanuc的PACSystems™ RX7i系列作为主控制器，而其中液压控制采用基于德国MEN公司的POWER PC CPU板及必要的I/O模块构成的专用液压控制器。主要完成数据采集、加热炉热工参数控制、设备顺序控制、位置控制、速度控制、带钢厚度、宽度、温度、板形控制等任务。 过程控制自动化级控制范围：从加热炉炉前辊道开始，到钢卷运输系统的钢卷在线称重结束。主要完成初始数据输入、物料跟踪、过程参数设定计算、数据记录和报表、人机对话处理、数据通讯、模拟轧钢、历史数据处理、应用系统起动、事件监视等任务。过程控制自动化级计算机系统预留与连铸、冷轧计算机系统的通讯接口。 2 网络结构 由于热连轧要求其计算机控制系统具有“高速控制”和“高速通讯”的“二高”性能，因此基础自动化系统的设计应满足热连轧控制对系统提出的“二高”要求，具体地说，为了满足液压系统控制以及各功能间互通信，所配系统应具有二个“1ms”，即控制周期可以达到1ms及高速通讯中数据更新周期小于1ms的要求。因此整个连轧机自动化系统的配置由三层通讯网络构成。 第一层:2Gb/s的超高速光纤内存映像网。内存映像主网将直接与过程控制级服务器相连，是该系统主网，连接轧线上各主要功能控制器、数据存储站、实时仿真站及二级系统；数据（记录）存储及分析站直接连在内存映像主网上以能直接获取设定，采样以及操作的数据。 第二层:100Mb/s的基于TCP/IP协议的以太网。主要完成控制器、操作员站、特殊功能站、轧线仪表及二级系统之间通讯，同时亦作各控制器远程编程用。 第三层:现场总线Profibus DP网。主要提供各区域的控制器与主/辅电气传动、远程I/O及OPU的通讯，最高通讯速度12Mb/s。轧线上的所有主、辅电气传动都通过Profibus DP网与相应区域的控制器相连，控制器为DP网主站，电气传动控制器为从站；各区域的远程I/O及相应操作台与操作箱I/O和操作单元OPU的I/O单元均通过Profibus DP网与主控制器相连，公辅系统远程I/O通过Profibus DP网与相应区域的控制器相连。现场总线和远程I/O的普遍采用实现了以少量通讯电缆代替大量控制电缆的目的。 根据连轧线工艺特点及设备分布，各功能控制器及OPS基本上分为四个区，即加热炉区、粗轧区、精轧区和卷取区。各区域控制器主要完成本区域逻辑控制、人机对话、数据传输、数据处理及物料跟踪等功能。各台控制器分布如下： （1）加热炉区共设6台PLC。GE 的PACSystems™ RX7i系统3套，GE 90-30PLC系统3套。炉区系统数据采用以太网、 Profibus-DP网等多种方式进行通讯，主控制器采用以太网的方式与上位机及轧线其他区域进行数据传输。炉区主要向上位机传送钢坯数据，A辊道有无钢坯信号，入炉信号和出钢信号等，同时从粗轧区获取要钢信号，向传动设备发送运转信号等。 加热炉区基础自动化要完成的功能有：炉前辊道逻辑顺序控制、入炉辊道板坯对中控制、装料机装钢控制、出料机抽钢控制、炉内步进梁控制、出炉辊道控制。 （2）粗轧区共设3台PLC。其中GE 的PACSystems™ RX7i 系统2套，GE 90－30 PLC 1套。粗轧区的任务是把出炉的板坯先径高压水除鳞，再由E/R进行3~5道次往复轧制，最后经D、E辊道输送到精轧区。具体包括： D辊道、粗轧机速度控制、粗轧除鳞水控制、粗轧区入口/出口侧导板APC控制、立辊VE1开口度APC控制、平辊R1轧机的压下APC控制、粗轧机速度顺序控制、粗轧机立/平辊间微张力控制、保温罩控制、自动宽度控制(AWC)。 （3）精轧区共设14台PLC。其中GE 的PACSystems™ RX7i 系统12套，GE 90-30 PLC 2套。成品带钢的质量与精轧区控制精度密切相关，因此该区域是控制功能密集区。该区控制包括：中间辊道（E辊道）控制、飞剪前导尺控制、飞剪控制、精轧除鳞控制、精轧机顺序控制、主速度控制，活套高度和活套张力控制、精轧机弯辊、串辊控制、精轧液压压下APC及压下零调、精轧液压AGC控制、精轧终轧温度控制、精轧机工作辊和支撑辊换辊控制。考虑到精轧机组液压传动比较集中，因此在精轧区采用了“机架控制器”，即每一台精轧机设一台机架控制器，内设一个PIII CPU，两个Power PC液压控制模块，来控制该机架的液压压下、弯辊、窜辊、液压活套等。 （4）卷取区共设5台PLC。其中GE 的PACSystems™ RX7i 系统4套，GE 90-30 PLC 1套。卷取区完成任务：热轧带钢的层流冷却、模拟轧钢、质量分类、输出辊道速度控制、卷取前导尺开口度控制、夹送辊速度控制、张力控制与助卷辊辊缝调节、速度控制与自动跳步控制(AJC)、卷筒主速度控制和卷取张力控制、卷取顺序控制、卸卷控制等。 3 硬件特点 GE Fanuc的PACSystems™ RX7i及相关产品的主要特点： （1）PACSystems™ RX7i系列采用Intel Pentium III芯片，主频有300MHz/700MHz两档，10MB内存，运算速度大大提高，应用梯形图来实现顺序逻辑控制，同时又能完成闭环控制。高容量的电源（100W和350W），无须外接电源。 （2）CPU板集成以太网口，支持10/100M通讯，大大提高通讯能力。 （3）基于VME总线的开放式结构，支持90-70系列I/O、GENIUS总线控制器体系结构和广泛的第三方的基于VME的CPU板及I/O模块。在同样的机架里支持现有的90-70 I/O和新的I/O。 （4）Windows环境下的集成开发工程环境Cimplicity ME为PACSystems™ RX7i系列的所有编程、配置和诊断提供了广义的工程开发环境。除I/O点外，可以直接使用变量名编程而无须关心其地址分配，使得设计更灵活同时提高了工程设计的效率。 （5）系统采用开放的VME总线结构，可安装超过300家不同厂商的VME标准模块。在系统配置中，除本身的机架I/O模块外还可通过现场总线（如Profibus DP）与远程I/O模块相连接，构成一个功能强大、价格合理的控制平台，以满足各种大规模、复杂的高速控制要求。 （6）GE 90-30 PLC系列成本低、性能高，可以方便取代从简便的继电器到复杂的中型自动化系统应用场合。它的CPU具有强大的功能，如内置PID调节、结构化编程、中断控制、间接寻址及各种功能模块，能顺利完成复杂的操作。另外，90-30系列有功能很强的特殊模块可供选择，如高速计数模块、Profibus DP通讯模块等。 （7）VersaMax系列PLC提供了广泛的I/O模块，组态更加灵活。通讯模块能将VersaMax与Profibus DP网（或其它工业现场总线）相连，实现远程控制。 4 结束语 带钢热连轧生产的特点是连续性、快速性、实时性、控制精度高。这就要求计算机系统具有高速控制、高速通讯能力，以实现高精度的控制，而本设计正能够满足此要求。系统采用了美国通用电气公司（GE）的产品，在稳定性和成熟性上具有可靠的保证。此系统将为热连轧厂的顺利投产提供坚实保障，热连轧生产线的投运将给济钢带来巨大经济效益。 参考文献 1 袁宇峰，我国钢铁工业自动化的现状和发展，钢铁研究，2004(6)。 2 马宏远，开放式工业过程自动化系统，钢铁技术，2002(3)。 作者简介 韩珂，助理工程师，2001年毕业于东北大学测控技术及仪器专业