棒材连轧机组自动化系统构成及微张力控制

摘要：对某轧钢厂小型棒材连轧机组自动化系统布局、设备选型和功能进行了介绍，目的对类似轧钢行业在自动化系统设备设计和选型过程中提供一个借鉴和帮助；通过重点介绍微张力控制原理、微张力采集、微张力在交流／直流电机中的计算以及工程实现方法，对微张力控制在工程中的实际应用提供一个思路和方法。此自动化系统设计合理，布局紧凑，微张力控制运行稳定。 某轧钢厂引进国外棒材连轧技术加热炉由法国STEIN公司提供，轧机设备由意大利POMINI公司提供，电气商为德国SIEMENS公司。连轧机组由18架轧机和4架减定机组成，设计能力为年产60万t棒材，于2000年建成投产，产品覆盖从螺纹钢10X3的三线切分到ø65mm圆钢。 1 自动化系统的布局和设备选型 某轧钢厂棒材连轧机组自动化系统自顶向下分为3级，即过程控制级、基础自动化级和传动及仪表级，如图1所示。 过程控制级选择高档的SIEMENS的PC网络服务器作为人机界面HMI和计算机二级PLC服务器；各级系统软件选用微软WINDOWSNT4.0作为基础软件平台；计算机二级系统用ORACL正数据库和VC++6.0语言作为应用软件的开发平台；各操作台的人机口使用SIEMENS的WINCC软件作为应用软件；基础自动化使用SIEMENS的PCS7 V4.0作为应用软件开发平台；PDA数据采集系统使用IBA公司的PDA软件作为数据采集应用软件平台，原来系统软件为WINDOWSNT4.0现升级为WINDOWSXP系统。 基础自动化加热炉燃控系统由法国STEIN公司提供，采用德国SIEMENS公司PLC，CPU型号为CPU414-2DP；其它控制系统PLC由德国SIEMENS公司提供，全部采用CPU型号为CPU416-2DP。各PLC与工程师站（PC机）采用MPI接口通信，波特率设定为187.5kb／s。各PLC之间的通信采用工业以太网（industry ethernet）通过CP443-1板通信。 传动部分全部采用SIEMENS公司全数字交流传动，它具有动态特性好、维护量小等优点。主要使用的传感器有热金属探测器为Weber公司产品，型号为1004V ZS100；活套扫描器为法国DEITA公司产品，型号为TS 2234；高温计为LAND公司产品。 过程控制级和基础自动化级之间采用星型拓扑结构的工业以太网，采用双绞线和光缆作为通信介质。各操作台用于人机交互的PC机通过光缆与8端口光缆集线器（HUB）型号为3COM公司Super Stack^®II Switch 3300 FX相连，8端口光缆集线器（HUB）向下与另外24双绞线端口集线器（HUB）型号为3COM公司Super Stack^TMII Switch 3300通过自身Matrix Port接口相连。通信方式采用全双工，通信速率选用100Mb／s，网络协议采用TCP／IP协议。 基础自动化级与传动级（包括各操作台）之间的数据交换采用PROFIBUS现场总线，提高系统的可靠性，降低了系统造价。加热炉燃控PLC与PROFIBUS通信波特率设定为1.5Mb／s；加热炉顺控PLC（ENTRY）和介质站PLC（MED）使用各自DP-Master接口与现场总线PROFIBUS通信波特率设定为500kb／s；物料跟踪PLC（TRACK）、冷床区PLC（COOL）、轧机区轧制控制PLC（CTRL）和1，2剪子剪切控制PLC（SHE）使用各自DP-Master接口与现场总线PROFIBUS通信波特率设定为1.5Mb／s；轧机区换辊控制PLC（MILL）使用自身DP-Master接口与现场总线PROFIBUS通信波特率设定为500kb／s，与急停S5PLC通过接口板CP443-5Ext定货号为6GK7 443-SCX01-0XE0连接，通信波特率设定为187.5kb／s；精整区PLC（BAR）与现场总线PROFIBUS相连采用3个接口，一接口段为PLC自身DP-Master接口，另两接口段分别各使用CP 443-5 Ext相连，通信波特率全部设定为500kb／s。 2 自动化系统功能 2.1 过程管理 轧件跟踪：轧制规程的编制、存储和选取；原料库管理，钢坯管理，合同管理，成品管理，轧辊管理；轧线数据实测的采集；轧制规程参数的自适应；轧线设备的状态监视和故障记录；生产报表，与炼钢厂及全公司管理计算机ERP系统通信。 2.2 人机界面系统HMI 轧线各区段过程变量图形显示；轧线各区段启动条件图形显示；温度、断面尺寸，速度堆拉关系显示；报警和报警记录；轧制过程操作终端；轧辊等技术数据输入；原料管理操作终端；成品管理操作终端。 2.3 基础自动化级 1）加热炉燃控系统。包括炉温、燃料和空气串级交叉控制；炉膛压力控制；汽化冷却控制。 2）加热炉顺控系统ENTRY（PLC11）。加热炉逻辑、连锁、顺序控制；冷上料和热装热送控制；钢坯称重及长度测量；钢坯上料和出料控制；步进梁控制；加热炉区液压、润滑等设备控制。 3）轧机区轧制控制CTRL（PLC12）。包括粗、中、精轧机和减定机的逻辑、连锁、顺序控制；轧机速度的级联控制；轧件头部冲击速度补偿；微张力控制；活套控制。 4）轧机区1，2剪的剪切控制SHE（PLC13）。包括1，2剪的切头、切尾和碎断的剪切控制。 5）轧机区换辊控制MILL（PLC14）。包括轧机区主、辅传动柜合闸控制；轧机快速换辊控制；轧机区辊道、空过辊道的控制；轧机逻辑、连锁条件检测与报警；与S5 PLC相连急停控制。 6）冷床区COOL（PLC15）。倍尺剪的剪切控制；优化剪切控制；裙板、齿条控制；冷床区的逻辑、连锁和顺序控制。 7）精整区BAR（PLC16）。定尺收集逻辑、连锁和顺序控制；定尺剪的剪切控制；打捆机监控；精整区传动柜合闸控制。 8）物料跟踪TRACK（PLC17）。包括整个轧线物料跟踪控制。 9）介质站MED（PLC18）。包括除加热炉以外的整个轧线液压、润滑、轧机油／气润滑和除鳞机控制。 2.4 传动和仪表级 主、辅传动速度控制；轧件位置检测；活套高度检测；轧件温度测量。 3 微张力控制 在连轧机组粗、中轧机组，由于轧件断面过大，不宜采用活套，一般采用微张力控制。微张力控制虽然有多种实现方法，但在小型连轧机组中普遍使用的是初值电流法。初值电流法是基于以下条件建立的，在相邻两架轧机形成连轧时，转矩的任何变化都是由于不正确的速度关系引起拉力或推力的变化而造成的，在第n机架咬钢瞬间之前认为第，n-1机架的力矩是理想轧制的力矩。因此，当头部穿过第n+1机架进入连轧状态后，采用初始电流法的微张力控制就应封锁，这是因为在正常轧制过程中，轧件温度、摩擦力和延伸率的变化和误差对机架转矩的影响成为主要因素，初始电流法所依据的条件不复存在。换句话说，初始电流法仅适用于轧件头部。 3.1 微张力测量 在第n+1机架咬钢之前采集第n机架的转矩，作为无张力转矩值，第n+1机架咬钢后，转矩进入平稳状态后（即经过头部冲击补偿延时后）再取第n机架的转矩值，两者之差即为张力力矩。由于假设轧件温度、摩擦力、延伸系数的变化对转矩无影响，是理想状态，因此上述两个条件之间的间隔应尽量小，这样，一小段轧件的温度、摩擦力、延伸系数的变化就可能很小，近似理想状态，从而提高了张力测量的精度。微张力测量实现，以第1架轧机张力测量为例，如图2所示。 1）如果坯料进入1，2架轧机或2，3架轧机间的头部运行时间小于头部冲击补偿延时时间（设定为0.7s），则1架轧机微张力控制MTC1被关闭。 2）1架轧机第1次张力测量为坯料咬人1架轧机经过头部运行时间（T_n）×第1次张力测量系数（F_f)后；第2次张力测量在坯料咬入2机架经过头部冲击速降时间后。 3）如果坯料在2，3架轧机的运行时间小于2倍头部冲击补偿延时时间（SIEMENS设定为1.5s）算出张力附加速度参考值△υ要经过平滑斜率变化。 4）如果坯料在2，3架轧机的运行时间大于2倍头部冲击补偿延时时间，算出张力附加速度参考值△υ立即作用于当前坯料。 5）头部运行时间（T_n）由跟踪功能提供，第1次张力测量系数（Ff<.sub>）是为了保证计算精度和安全。 3.2 微张力计算和控制 张力与转矩之间的关系为 式中：F为机架间的张力值；G为减速比；η叫为电机效率；T为电机转矩；R为轧辊半径。 微张力调节的手段是调节包括第n机架在内的上游机架的速度，采用PID调节有 式中：△υ_n为第n机架张力速度调节量；K_P，K_i，K_d为PID调节增益系数。 第n-1机架速度调节量为 同理可推出上游任意一机架的速度调节量为 转速与张力之间的关系为 式中：F_f为第n机架张力系数；υ_r为第n机架参考转速，r／min；M_c为测的第n机架张力值，N／mm²；M_f为第n机架设定张力系数；M_s为第n机架设定的张力值，N／mm²。 1）如果为交流传动，取交流传动电机的转矩： 式中：△M_t为两次测的转矩差值；S_n为第n机架物料的截面积，mm²；υ_f为速度系数，m•min／s；X_n为第n机架辊径；G_n为第n机架齿轮比。 2）如果为直流传动，取直流传动电机的电流： 如果υ_r≥υ_o

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