任 瑩（山東萊蕪鋼鐵集團(tuán)板帶廠，山東 萊蕪 271126）

1 引言

萊鋼帶鋼生產(chǎn)線共裝備有16架軋機(jī)（其中一架為除鱗機(jī)架），其產(chǎn)品規(guī)格為：1.5 ~ 7.0×183~445 mm熱軋帶鋼。自1988年投產(chǎn)至今已連續(xù)運(yùn)行近20年，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為30萬噸，現(xiàn)已具備110萬噸生產(chǎn)能力。但隨著產(chǎn)能的提升，在實(shí)際生產(chǎn)過程中軋線電控系統(tǒng)暴露出以下問題：主機(jī)速度聯(lián)調(diào)過程中各機(jī)架給定的電位器，采用0～10V的模擬量輸入形式，信號(hào)易受干擾；現(xiàn)主軋線PLC程序與HMI（人機(jī)畫面）之間通訊傳輸能力受限，數(shù)據(jù)change（轉(zhuǎn)換）以及數(shù)據(jù)的Upload（上傳）和Download（下裝）速度緩慢；活套控制采用傳統(tǒng)方式，控制可靠性和精度不高，經(jīng)常出現(xiàn)早套堆鋼現(xiàn)象等方面的問題。

2 優(yōu)化方案

根據(jù)上述問題，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際軋鋼工藝要求、生產(chǎn)情況、設(shè)備現(xiàn)狀，充分考慮企業(yè)未來的發(fā)展，優(yōu)化方案為：

2.1 對(duì)主軋線電控制系統(tǒng)的布置和功能進(jìn)行優(yōu)化

2.1.1 在電機(jī)室建立新的機(jī)旁操作箱信號(hào)分站，將所有機(jī)架信號(hào)全部引致該分站，使得信號(hào)電纜繞過軋線，免受高溫潮濕乃至燒焦的危險(xiǎn)，大大減少故障停機(jī)時(shí)間和提高故障處理速度。

2.1.2 將精粗軋操作臺(tái)臺(tái)面布置進(jìn)行優(yōu)化，使操作簡(jiǎn)便，將原有的模擬量給定改為開關(guān)量輸入控制，安裝精密的凸輪控制器，通過西門子Step7軟件在程序加裝數(shù)據(jù)塊，將開關(guān)量輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖序列，由脈沖列的寬度決定主機(jī)速度給定的大小，從而避免主機(jī)由于給定信號(hào)干擾而造成的速度波動(dòng)，可大大提高產(chǎn)品的實(shí)物質(zhì)量，使得考核指標(biāo)得到有效地提升。

2.1.3 優(yōu)化主軋線PLC程序和HMI，將PROFIBUS-FMS通訊網(wǎng)絡(luò)升級(jí)為SIMATIC工業(yè)以太網(wǎng)，同時(shí)系統(tǒng)考慮每一信號(hào)以及顯示生成方法，簡(jiǎn)化和更新數(shù)據(jù)處理方法，同時(shí)將所需數(shù)據(jù)由單一畫面顯示改為多畫面顯示，提高數(shù)據(jù)處理速度，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性。建立軋制規(guī)程表，實(shí)現(xiàn)主機(jī)速度預(yù)擺。

2.2 增加活套控制功能，提高動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，防止活套早套

2.2.1 建立軋件跟蹤系統(tǒng)。通過對(duì)軋制過程中鋼坯的跟蹤，經(jīng)過精確的計(jì)算，在活套原有控制方式基礎(chǔ)上增加咬鋼負(fù)荷的預(yù)測(cè)信號(hào)，為活套動(dòng)作再增加一道聯(lián)鎖，從而有效地提高活套起落套的可靠性，防止活套早套堆鋼。特別是針對(duì)正常拋軋機(jī)時(shí)活套的動(dòng)作等工藝條件的變化時(shí)活套動(dòng)作進(jìn)行程序開發(fā)，從而為生產(chǎn)提供了完善的設(shè)備條件。

2.2.2 采用西門子6RA7078-6DV62直流調(diào)速裝置代替原MENTORII M105R裝置，并改善其控制結(jié)構(gòu)，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，增大活套張力，從而提高帶材板型控制，提高帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量。

3 方案實(shí)施

3.1 軋線電控制系統(tǒng)的布置和功能優(yōu)化

軋線電控制系統(tǒng)核心控制部分采用西門子S7-400系列PLC為主站，采用PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS兩種總線進(jìn)行連接，每臺(tái)主軋機(jī)控制由西門子全數(shù)字裝置完成并通過通訊板CB24與主站進(jìn)行通訊，軋線生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集由ET200M完成；人機(jī)界面由FMS總線連接的完整、高效網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)各站之間資源共享，從而大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的功能。

3.1.1 硬件配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

從硬件配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)可分為兩大部分，如圖1所示。

圖1 硬件配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)設(shè)有兩條PROFIBUS-DP總線，采用雙絞屏蔽通訊電纜，最大傳輸距離1200m，最大傳輸速率12Mb/s (與傳輸距離有關(guān))，PROFIBUS-DP1總線完成主站PLC與主電室粗精軋主機(jī)數(shù)控之間的數(shù)據(jù)傳輸；PROFIBUS-DP2用于粗精軋機(jī)旁、粗軋操作臺(tái)、精軋操作臺(tái)、夾送輥分站與主站PLC完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的傳輸。

圖中紅色標(biāo)識(shí)部分為新增的粗精軋主機(jī)機(jī)旁和夾送輥ET200M分站，用于采集粗精軋主機(jī)機(jī)旁控制信號(hào)和夾送輥速度跟隨，包括主機(jī)正反點(diǎn)，壓下提升和壓下、單雙動(dòng)、一速二速、上下限位，主機(jī)、壓下、活套LOCK鎖等信號(hào)以及速度給定設(shè)定的傳輸。

3.1.2 機(jī)旁LOCK

在機(jī)旁操作箱增加主機(jī)、活套、壓下LOCK，將信號(hào)引到程序中去，利用邏輯推理將各種可能存在的安全隱患通過程序?qū)崿F(xiàn)聯(lián)鎖，并利用組態(tài)軟件自主開發(fā)了數(shù)據(jù)標(biāo)簽，同時(shí)在操作臺(tái)HMI上顯示LOCK鎖信息，從而給操作工以明確的信息。在換輥、檢查導(dǎo)衛(wèi)或緊急處理壓下及傳動(dòng)側(cè)設(shè)備問題過程中只要將機(jī)旁LOCK選在近程位置，5#、6#操作臺(tái)將無法進(jìn)行主機(jī)及附屬設(shè)備的操作，操作臺(tái)HMI畫面將有報(bào)警信息閃爍，提示操作工和其他人員，避免了由于安全確認(rèn)不好或誤操作造成的人員傷害。

3.1.3 工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）

以太網(wǎng)及TCP/IP通信技術(shù)主要用于車間級(jí)生產(chǎn)信息集成、專用生產(chǎn)設(shè)備、專用測(cè)試設(shè)備、條碼器、PC機(jī)及以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，主要功能是完成車間級(jí)生產(chǎn)信息及產(chǎn)品質(zhì)量信息的管理。

圖2 SIMATIC工業(yè)以太網(wǎng)硬件配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，它是利用工業(yè)以太網(wǎng)的高可靠性、高擴(kuò)展和開放性、高通訊性以及可以與自動(dòng)化系統(tǒng)互相連接的特性，結(jié)合現(xiàn)有的西門子S7-400系列PLC，在主電室和6#臺(tái)分別設(shè)立收發(fā)器和交換機(jī)，采用光纜連接，5#臺(tái)、6#臺(tái)之間通過快速電纜進(jìn)行連接組成以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。通過在主站增加CP443-1系統(tǒng)接口，完成硬件配置，通過TCP/IP傳輸控制協(xié)議，替代原有的PROFIBUS-FMS（現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范），達(dá)到簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)配置，同時(shí)系統(tǒng)考慮每一信號(hào)以及顯示生成方法，簡(jiǎn)化和更新數(shù)據(jù)處理方法，將所需數(shù)據(jù)由單一畫面顯示改為多畫面顯示，提高數(shù)據(jù)處理速度，減輕CPU通訊負(fù)荷，增大數(shù)據(jù)傳輸量，加快傳輸速度，增加網(wǎng)絡(luò)用戶的目的。同時(shí)為車間級(jí)生產(chǎn)信息及產(chǎn)品質(zhì)量信息的管理提供技術(shù)數(shù)據(jù)支持。

3.1.4 建立軋制規(guī)程表，實(shí)現(xiàn)主機(jī)速度預(yù)擺

隨著軋制規(guī)程的不斷完善，在上位機(jī)中建立軋制表，實(shí)現(xiàn)主機(jī)速度自動(dòng)預(yù)擺已經(jīng)成為可能。根據(jù)計(jì)算結(jié)果和多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定軋制不同規(guī)格時(shí)各機(jī)架的速度，形成制度性的標(biāo)準(zhǔn)文件，存入計(jì)算機(jī)，使用時(shí)計(jì)算機(jī)自動(dòng)將各機(jī)架的速度設(shè)定分別寫入調(diào)速裝置，實(shí)現(xiàn)了軋制規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)化和制度化，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率，減少因調(diào)整不當(dāng)造成的堆鋼及軋廢，通過編寫軟件實(shí)現(xiàn)軋制規(guī)程的自動(dòng)優(yōu)化。速度自動(dòng)設(shè)定后，在軋制過程中系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄操作工的人工調(diào)節(jié)量，不斷修正軋制規(guī)程中的速度設(shè)定值，從而使軋制規(guī)程不斷優(yōu)化，更好地滿足生產(chǎn)。

3.2 活套預(yù)防活套早套與張力動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)

3.2.1傳統(tǒng)控制方式

傳統(tǒng)活套控制方式是依靠主軋機(jī)咬鋼電流作為負(fù)荷信號(hào)，通過主站PLC邏輯程序判斷來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起套。這種控制方式存在明顯的不足，當(dāng)某一機(jī)架軋輥在運(yùn)行過程中突然出現(xiàn)研燒而產(chǎn)生大電流的超過負(fù)荷信號(hào)閾值時(shí)，控制系統(tǒng)將認(rèn)為該機(jī)架為咬鋼動(dòng)作，從而觸發(fā)活套動(dòng)作條件，出現(xiàn)早套現(xiàn)象。為了避免上述情況的產(chǎn)生，我們?cè)诜治隽嘶钐讋?dòng)作的多種可能原因后，決定對(duì)鋼坯的軋制過程進(jìn)行全程跟蹤，特別是確定鋼坯的頭部位置，只用判斷出頭部位置，結(jié)合主機(jī)負(fù)荷信號(hào)就可準(zhǔn)確地判定活套的動(dòng)作條件，預(yù)防早套，為此我們建立了軋件跟蹤系統(tǒng)。

3.2.2 軋件跟蹤系統(tǒng)的建立

以主機(jī)負(fù)荷作為基本觸發(fā)條件，以相應(yīng)邏輯關(guān)系作為校正，以軋機(jī)線速度×咬鋼后時(shí)間作為確定軋件頭部實(shí)際位置，用下一機(jī)架主機(jī)負(fù)荷和軋機(jī)間距離作為驗(yàn)證保證條件，確定任一時(shí)刻、任一鋼坯在軋線上的位置。

具體實(shí)現(xiàn)是以主站PLC系統(tǒng)時(shí)間作為系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，當(dāng)判斷某一架軋機(jī)確實(shí)已經(jīng)咬鋼，即采用該軋機(jī)主機(jī)負(fù)荷和相應(yīng)的邏輯關(guān)系確認(rèn)該機(jī)架咬鋼時(shí)間。并把此時(shí)PLC系統(tǒng)時(shí)間記錄下來，然后對(duì)于每一個(gè)PLC掃描周期的任意時(shí)刻值，減去咬鋼時(shí)刻得出軋件實(shí)際經(jīng)過該軋機(jī)的時(shí)間，用該軋機(jī)速度（PLC可通過通訊從主機(jī)控制單元6RA24中獲得）乘以所得時(shí)間就是軋件離開該軋機(jī)的實(shí)際距離。為保證精度消除累計(jì)誤差，用下一機(jī)架的主機(jī)負(fù)荷來驗(yàn)證計(jì)算數(shù)據(jù)，確保準(zhǔn)確可靠。這樣真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)軋件的實(shí)時(shí)跟蹤，對(duì)于任意時(shí)刻均能判斷出軋線有幾支鋼正在軋制、分別處于什么位置、是否堆鋼等。

3.2.3 鋼坯跟蹤預(yù)測(cè)防止早套系統(tǒng)的建立

針對(duì)傳統(tǒng)活套控制過程的弊端，通過建立鋼坯跟蹤預(yù)測(cè)系統(tǒng)，從而可以精確、有效地控制活套的起落套。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：以精軋各機(jī)架之間的中心距3.5米作為條件1，以前一機(jī)架的出口速度作為條件2，軋件的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為條件3，通過對(duì)軋線軋件的跟蹤，當(dāng)條件1等于條件2與條件3時(shí)，觸發(fā)活套預(yù)測(cè)信號(hào)，當(dāng)拋前機(jī)架軋制時(shí)，以再前機(jī)架的出口速度為條件2，以7米作為條件1，從而也能可靠地得到活套預(yù)測(cè)信號(hào)。以精軋活套H2為例，原有起套信號(hào)只有F3的主機(jī)負(fù)荷信號(hào)，當(dāng)F3輥?zhàn)友袩蛰d電流達(dá)到負(fù)荷信號(hào)時(shí)，H2活套會(huì)誤動(dòng)作造成早套堆鋼。為此將F2主機(jī)的出口速度為條件2，F(xiàn)2和F3主機(jī)之間的中心距3.5米作為條件1，軋件在F2和F3之間的運(yùn)行時(shí)間為條件3，當(dāng)軋件從F2出來到F3達(dá)到3.5米時(shí)觸發(fā)F3的主機(jī)負(fù)荷預(yù)測(cè)信號(hào)，當(dāng)拋F2時(shí)，則以F1的出口速度為條件2，以F1和F3主機(jī)之間的中心距7米作為條件1，同樣得到F3主機(jī)負(fù)荷預(yù)測(cè)信號(hào)。然后將F3的主機(jī)負(fù)荷信號(hào)和F3的主機(jī)預(yù)測(cè)信號(hào)后相與得到H2的起套信號(hào)，從而有效地增加了活套動(dòng)作的可靠性，防止活套早套堆鋼。

圖3 負(fù)荷信號(hào)預(yù)測(cè)邏輯控制圖（F3）

圖4 加入預(yù)測(cè)信號(hào)后活套控制邏輯圖

3.2.4 調(diào)節(jié)活套張力動(dòng)態(tài)響應(yīng)

根據(jù)工藝要求部分薄規(guī)格產(chǎn)品活套電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流要維持在120A，在開發(fā)新品種軋制薄規(guī)格時(shí)要求增大堵轉(zhuǎn)電流到200A，而原控制系統(tǒng)為MENTORII M105R，系統(tǒng)額定電流為105A，再軋制極限規(guī)格時(shí)裝置只能超負(fù)荷運(yùn)行，因此原控制系統(tǒng)不能適應(yīng)產(chǎn)品規(guī)格擴(kuò)展的要求，且今后還要擴(kuò)展產(chǎn)品規(guī)格，軋制薄規(guī)格的產(chǎn)品的比例不斷增大，控制系統(tǒng)將會(huì)迅速老化、損壞。為此要求更換活套控制系統(tǒng)，且考慮今后擴(kuò)展的要求，我們選定用西門子6RA7078-6DV62直流調(diào)速裝置，其額定電流為280A，滿足擴(kuò)展要求。理由如下：

首先生產(chǎn)線采用的是西門子S7-400型PLC，6RA70系列調(diào)速裝置與PLC的通訊功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)故障信息的再現(xiàn)檢測(cè)，并可以把活套電機(jī)的電樞電壓、電樞電流等信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)施采集到PLC中，用于檢控電機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)同主機(jī)電流放在一個(gè)畫面里比較，就可判斷活套起、落套是否準(zhǔn)確，為判斷活套是否早套或者不落套提供技術(shù)依據(jù)。如圖5所示，紅色和綠色波形為F1、F2主機(jī)電流，黃色為H1活套電流，可以明顯看出在F2主機(jī)負(fù)荷建立后瞬間H1活套起套動(dòng)作，然后再F1主機(jī)電流消失后，F(xiàn)2主機(jī)電流消失前H1自動(dòng)落套，證明整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控正常，且設(shè)備運(yùn)行正常。

圖5 F1、F2主機(jī)電流與H1動(dòng)作關(guān)系圖

再者西門子系列直流調(diào)速裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，且分辨率高，其分辨率為0.00~650.00s，活套起落套控制，采用根據(jù)主機(jī)咬鋼負(fù)荷信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行控制的形式，由于電動(dòng)活套本身為一大貫性環(huán)節(jié)，實(shí)際生產(chǎn)過程中，軋制速度又時(shí)常變化，控制活套起落套的時(shí)間點(diǎn)較難恰到好處，若連軋過程中套量過大，容易產(chǎn)生迭軋堆尾或甩尾拍擊軋輥等情況。在實(shí)際應(yīng)用以后活套起、落套時(shí)間控制明顯較前控制系統(tǒng)準(zhǔn)確，動(dòng)態(tài)遲滯時(shí)間在500ms以內(nèi)，較原系統(tǒng)有較大改善。

活套張力控制主要依靠電機(jī)電流，必須保證電機(jī)輸出電流穩(wěn)定，才能保證活套張力維持在恒定的水平，所以活套控制系統(tǒng)必須使用電流環(huán)控制，控制系統(tǒng)需要增加一個(gè)輸入信號(hào)控制活套張力的投入，因此給定信號(hào)必須要有起套、落套、張力投入三個(gè)。采用西門子6RA70調(diào)速裝置通過系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)整，直接把給定加在電流環(huán)直接作用于輸出，就可減少張力投入這一輸入信號(hào)，為PLC節(jié)約一個(gè)輸出點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)化PLC內(nèi)部程序。

4 總結(jié)

萊鋼熱連軋帶鋼軋線電控系統(tǒng)優(yōu)化改造投入正常使用以來，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)重新優(yōu)化配置后未再出現(xiàn)軋線電纜燒損和軋線自動(dòng)停車現(xiàn)象；SIMATIC工業(yè)以太網(wǎng)的建立及HMI畫面的優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)處理速度，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性；活套動(dòng)作穩(wěn)定、可靠，即便是在軋輥研燒出現(xiàn)大電流的過程中也能準(zhǔn)確起落套，從而有效地避免了活套早套堆鋼；主傳動(dòng)系統(tǒng)電流響應(yīng)時(shí)間20ms以內(nèi)，控制精度高，主副傳動(dòng)響應(yīng)速度快，故障率低，維護(hù)方便快捷，改善了活套控制功能，對(duì)提高帶鋼材產(chǎn)量質(zhì)量起到了積極作用，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。達(dá)到或超過設(shè)計(jì)要求，滿足了帶鋼生產(chǎn)工藝的要求。

[1] 劉玠, 楊衛(wèi)東, 劉文仲. 熱軋生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2006.

[2] 廖常初. S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.