王 剛， 董 寶

(東北輕合金有限責(zé)任公司 系統(tǒng)工程師站，黑龍江 哈爾濱 150060)

2100 mm熱精軋機(jī)換輥電氣控制技術(shù)

王 剛， 董 寶

(東北輕合金有限責(zé)任公司 系統(tǒng)工程師站，黑龍江 哈爾濱 150060)

本文主要介紹了東北輕合金有限責(zé)任公司超大規(guī)格特種鋁合金板帶材項(xiàng)目南線板帶車間2100 mm熱精軋機(jī)自動(dòng)換輥控制的工作原理、電氣控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)構(gòu)成。

熱精軋機(jī)；控制模式；TDC控制器；閉環(huán)控制；CFC編程語(yǔ)言

隨著世界鋁加工業(yè)的迅猛發(fā)展，熱軋機(jī)正向著大型、高速、模塊化、多CPU、多任務(wù)方向發(fā)展，以往原始熱軋機(jī)換輥工作往往是通過(guò)采用起重機(jī)械的人工物理方法進(jìn)行更換，其占用時(shí)間長(zhǎng)、危險(xiǎn)性高。然而采用SIEMENS公司的TDC(technology drive control)控制器設(shè)計(jì)的自動(dòng)換輥系統(tǒng)具有更換效率高、安全性高等特點(diǎn)，本文將介紹東北輕合金有限責(zé)任公司2100 mm熱精軋機(jī)換輥電氣控制系統(tǒng)的工作原理、硬件構(gòu)成和軟件程序設(shè)計(jì)介紹。

1 換輥工作原理

精軋機(jī)換輥控制主要包括換輥前準(zhǔn)備工作邏輯控制、換工作輥邏輯控制、換支撐輥邏輯控制，主要控制的機(jī)械部件包括：工作輥/支撐輥推拉缸、支撐輥平衡缸、工作輥正彎缸/負(fù)彎缸、工作輥/支撐輥鎖、階梯墊、出入口導(dǎo)板臺(tái)、橫移平臺(tái)、工作輥輥刷等。

換輥前準(zhǔn)備工作步驟：主傳動(dòng)軸定位→主操作臺(tái)預(yù)選換輥模式，關(guān)閉機(jī)架冷卻噴淋→油氣潤(rùn)滑停止→主傳動(dòng)停止→機(jī)架輥刷傳動(dòng)停止，機(jī)架輥刷液壓缸縮回→升起卷簾門→HGC卸荷→支承輥平衡開啟→工作輥正彎OFF模式→手動(dòng)工作輥平衡開啟→負(fù)彎縮回。

移除工作輥工作步驟：升起工作輥換輥液壓缸翻板→伸出工作輥換輥液壓缸至E5位置→退出入口導(dǎo)板臺(tái)→手動(dòng)工作輥平衡OFF→縮回正彎，測(cè)厚儀退出離線→落下出口緊急剪擋板臺(tái)→退出出口導(dǎo)板臺(tái)，升起下支撐輥支架→退出階梯墊至換輥位置→手動(dòng)工作輥平衡開啟→下降下支撐輥托架，伸出工作輥換輥液壓缸至E9位置，伸出工作輥推拉缸鎖，縮回下工作輥鎖，工作輥換輥液壓缸退至E7位置→手動(dòng)工作輥平衡OFF→縮回正彎→縮回上工作輥鎖→縮回工作輥推拉缸鎖→工作輥換輥液壓缸退至E2位置→伸長(zhǎng)工作輥液壓缸至E3位置。

裝入工作輥工作步驟：橫移平臺(tái)移動(dòng)至出口位置，工作輥換輥液壓缸至E3a位置，伸出下工作輥鎖，工作輥換輥液壓缸至E8位置→伸出上工作輥鎖→手動(dòng)工作輥平衡開啟→縮回下工作輥鎖→工作輥換輥液壓缸至E9位置→伸出下工作輥鎖→工作輥換輥液壓缸至E9a位置，工作輥換輥液壓缸至E1位置，升起下支撐輥支架→手動(dòng)工作輥平衡OFF→縮回正彎→階梯墊移動(dòng)至適合輥直徑的位置→下降下支撐輥支架→手動(dòng)工作輥平衡開啟，入口導(dǎo)板臺(tái)進(jìn)入，出口導(dǎo)板臺(tái)進(jìn)入→升起緊急剪擋板臺(tái)→測(cè)厚儀進(jìn)入在線。

換支撐輥工作步驟：橫移平臺(tái)到位→升起下支撐輥支架→伸出支承輥換輥液壓缸至軋機(jī)位→伸出插銷→縮回下支撐輥鎖→縮回支撐輥換輥液壓缸→放托架在下支撐輥表面→伸長(zhǎng)支撐輥換輥液壓缸至軋機(jī)位→關(guān)閉支撐輥平衡→縮回上支撐輥鎖→縮回支撐輥換輥液壓缸→移除上支撐輥→移除支撐輥托架→移除下支撐輥→放置新支撐輥和托架→伸長(zhǎng)支撐輥換輥液壓缸至軋機(jī)位，支撐輥平衡開啟，伸出上支撐輥鎖，縮回支撐輥換輥液壓缸→移除支撐輥托架→伸長(zhǎng)支承輥換輥液壓缸至軋機(jī)位，拔出支撐輥插銷，伸出下支撐輥鎖，縮回支撐輥換輥液壓缸鎖→下降下支撐輥支架。

表1 工作輥推拉液壓缸位置說(shuō)明

熱精軋機(jī)換輥控制模式包括自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和維護(hù)模式，其中，工作輥換輥正常采用自動(dòng)模式，而支撐輥換輥只能采用手動(dòng)模式。

自動(dòng)模式：所有換輥邏輯動(dòng)作步驟由程序自動(dòng)控制完成，操作手可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作站的HMI人機(jī)界面觀察當(dāng)前動(dòng)作步驟的執(zhí)行情況。如果發(fā)生異常，可通過(guò)松開手持安全手柄按鈕來(lái)進(jìn)行緊急停止，并通過(guò)手動(dòng)控制操作完成余下步驟。

手動(dòng)模式：所有的換輥邏輯動(dòng)作步驟由人工操作來(lái)完成，操作手根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電氣檢查元件(如接近開關(guān)、位移傳感器)等反饋信號(hào)進(jìn)行判斷操作，各種電氣連鎖控制條件在此種工作模式時(shí)仍然有效，操作手必須熟悉各種連鎖控制條件，并嚴(yán)格按照操作手冊(cè)進(jìn)行邏輯操作。

維護(hù)模式：主要在調(diào)試和維護(hù)時(shí)進(jìn)行使用，在此種工作模式下，各種電氣連鎖控制條件均失效，操作人員必須熟悉設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行謹(jǐn)慎操作，防止發(fā)生機(jī)械碰撞造成設(shè)備損傷。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

該系統(tǒng)采用SIMATIC TDC控制器，它是多CPU處理器控制設(shè)備中的一種，擅于快速響應(yīng)處理繁雜的邏輯控制和通訊工作，擁有較多數(shù)量的框架和極短的循環(huán)掃描周期。其優(yōu)勢(shì)為：借助其強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可顯著提高生產(chǎn)效率和競(jìng)爭(zhēng)能力，降低購(gòu)置能本，減少工程成本，具有全球通用標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)硬件配置如圖1所示，機(jī)架采用了UR5213，其有良好的電磁屏蔽效果。硬件可以進(jìn)行擴(kuò)充，擴(kuò)展裕量較高，自身安裝的集成電源具有降溫和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。UR5213機(jī)架最多有21個(gè)插槽可用于模塊的擴(kuò)展，模塊之間使用64位機(jī)架背板總線相連。

圖1 系統(tǒng)硬件配置

1～4號(hào)槽位插接的模塊為CPU551，其擅于處理運(yùn)行計(jì)算要求時(shí)間非常短的自動(dòng)化控制任務(wù)。設(shè)計(jì)上采用了64位RISC技術(shù)，配有一塊插入式用戶存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)容量為32 MB。程序循環(huán)掃描處理的采樣時(shí)間可以進(jìn)行調(diào)整，CPU并根據(jù)設(shè)置的采用時(shí)間嚴(yán)格執(zhí)行。另外，CPU551自身集成設(shè)置了四個(gè)數(shù)字量輸入和一個(gè)故障診斷端口，四個(gè)數(shù)字量輸入具備報(bào)警功能。其中用于精軋機(jī)換輥控制的為1號(hào)槽位的CPU551(STM)。

11～13號(hào)槽位插接的模塊為SM500信號(hào)處理模板，具有多種選擇方案，進(jìn)行分布式輸入/輸出的連接。除了設(shè)有16通道DI/DO數(shù)字量接口以外，SM500模塊還設(shè)有4通道積分型AI模擬量輸入和8通道AI/AO模擬量接口。SM500模塊還可插接四個(gè)增量型編碼器和四個(gè)絕對(duì)值型編碼器。模板的運(yùn)行狀態(tài)可通過(guò)六個(gè)LED指示燈進(jìn)行顯示。

14～15號(hào)槽位插接的模板為通訊模板CP50M1，其可以為試運(yùn)行、過(guò)程控制和HMI提供高性能的通訊。CP50M1通訊模板提供有兩個(gè)PROFIBUS DP/MPI接口，8 MB緩存，用于CPU之間的通訊。主要用于調(diào)試、過(guò)程控制、HMI。

20號(hào)槽位插接的模板為通訊模板CP51M1，其用于SIMATIC TDC自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)接口。CP51M1最多組態(tài)4塊在機(jī)架上。

TDC機(jī)架系統(tǒng)之間采用GDM(Global DATA MEMORY)光纖通訊，光纖的最大連接長(zhǎng)度為200 m。其系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)配置見(jiàn)圖2。CP52M0為存儲(chǔ)器模塊，其可提供2 Mbyte的數(shù)據(jù)通信緩存。CP52IO為接口模塊，GDM也同樣需要選用UR5213來(lái)用作專屬機(jī)架，CP52M0模塊按照規(guī)定需要組態(tài)到該機(jī)架的一號(hào)槽位，CP52IO需組態(tài)到GDM的二號(hào)槽位以后。CP52A0為訪問(wèn)模塊，用于組態(tài)到其余TDC機(jī)架中。PDA為數(shù)據(jù)采集分析服務(wù)器。其可用于監(jiān)控TDC程序信號(hào)的歷史記錄和實(shí)時(shí)信息，便于故障的診斷和處理。通過(guò)中央存儲(chǔ)器(GDM)，機(jī)架TDC相互之間可以進(jìn)行高速耦合通訊，最多可有四十四個(gè)TDC機(jī)架進(jìn)行入網(wǎng)通訊。

圖2 GDM網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)硬件配置

3 軟件程序介紹

程序調(diào)試和監(jiān)控軟件安裝配置有：SIMATIC PCS7 V7.0 SP3,SIMATIC STEP7 V5.4+SP3+HF8，SIMAITIC WinCC V6.2 SP3+Hotfix 7,SIMATIC CFC V7.0+SP1+HF7,SIMATIC D7-SYS V7.0+HF3。程序采用CFC編程語(yǔ)言，該編程語(yǔ)言的特點(diǎn)：程序可以通過(guò)編輯順序功能圖來(lái)自動(dòng)生成，用戶可以預(yù)先開發(fā)編制功能塊庫(kù)，編輯創(chuàng)建程序時(shí)既可以使用用戶自身編制的功能塊，也可以使用STEP7軟件中的標(biāo)準(zhǔn)程序功能塊，功能塊之間通過(guò)連線進(jìn)行連接，便于快速查看鏈接程序，非常適合用于過(guò)程控制和系統(tǒng)工程。

程序設(shè)計(jì)采用模塊化原則，按照二級(jí)過(guò)程自動(dòng)化STA→基礎(chǔ)自動(dòng)化SDH→邏輯功能 LFE的順序結(jié)構(gòu)進(jìn)行編輯。

換輥機(jī)械部件中的出入口導(dǎo)板臺(tái)、上下工作輥鎖、下支撐輥托架等采用了MOT_C 2D1V功能塊進(jìn)行控制液壓回路中的電磁閥，其可以控制機(jī)械部件兩個(gè)相反方向的動(dòng)作，動(dòng)作速度只有一種。MOT_C 2D1V功能塊的每個(gè)方向控制都有相應(yīng)的運(yùn)行條件和啟動(dòng)條件進(jìn)行限制。維護(hù)模式控制引腳激活時(shí)，每個(gè)方向控制不受相應(yīng)的運(yùn)行條件和啟動(dòng)條件限制。MOT_C 2D1V功能塊還有急停、接近開關(guān)、閥狀態(tài)激活等信號(hào)處理。

此外如工作輥推拉液壓缸、階梯墊、支撐輥推拉液壓缸、橫移平臺(tái)等采用了MOT_C 2D2V功能塊、M_POS功能塊、S_MUX功能塊等進(jìn)行控制液壓回路中的比例閥，MOT_C 2D2V其可以控制機(jī)械部件兩個(gè)相反方向的動(dòng)作，動(dòng)作速度有快速和慢速兩種，其他功能引腳與MOT_C 2D1V功能塊類似。M_POS功能塊、S_MUX功能塊能可進(jìn)行比例閥速度給定斜坡控制。

精軋機(jī)換輥?zhàn)詣?dòng)功能采用了SFC順序功能圖控制，程序中設(shè)計(jì)了換輥前準(zhǔn)備工作自動(dòng)控制順序功能圖、移除工作輥?zhàn)詣?dòng)控制順序功能圖、裝入工作輥?zhàn)詣?dòng)控制順序功能圖，功能圖中每一步的執(zhí)行都需要檢測(cè)前面運(yùn)行條件是否滿足，如果運(yùn)行條件滿足，則鏈接激活相關(guān)的MOT_C 2D2V、MOT_C 2D1V等功能塊運(yùn)行控制，功能圖按照從上至下的原則進(jìn)行邏輯控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行證明，精軋機(jī)換輥電氣控制系統(tǒng)采用SIEMENS公司的TDC(technology drive control)控制器具有運(yùn)行穩(wěn)定、換輥效率高、維護(hù)方便、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好滿足精軋機(jī)較高頻次的換輥工作，提高了生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

Electrical Control Technology of Roll Replaced for 2100 mm
Hot Finishing Machine

WANG Gang， DONG Bao

(System Engineer Station, Northeast Light Alloy Co., Ltd. Harbin 150060, China)

This article mainly introduces the control theory, electrical system configuration of hardware and software design of 2100 mm hot finishing machine of south department of super size aluminum alloy material project of Northeast Light Alloy Company.

hot finishing machine；control mode；TDC controller；close loop control；CFC program language

2014-01-22

王剛(1984-)，男，黑龍江海林人，工程師，大學(xué)本科，主要從事設(shè)備調(diào)試和維護(hù)工作。

董寶(1982-)，男，黑龍江大慶人，工程師，大學(xué)本科，主要從事設(shè)備管理和維護(hù)工作。

TG334.9

B

1003-8884(2014)03-0001-04