袁 杰

(中色科技股份有限公司,河南 洛陽 471039)

750mm可逆銅軋機(jī)是某廠于80年代從意大利某公司引進(jìn)的,至今運(yùn)行已40多年,為公司創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。改造前該機(jī)組主要存在生產(chǎn)效率低下、控制系統(tǒng)老化等問題,不能滿足工藝要求,產(chǎn)品精度亦不能滿足現(xiàn)在市場的需求。老系統(tǒng)為純模擬系統(tǒng),模擬系統(tǒng)固有的問題穩(wěn)定性差、故障率高、維護(hù)比較困難,嚴(yán)重影響了軋機(jī)的生產(chǎn)效率。為了充分發(fā)揮這臺軋機(jī)的生產(chǎn)效能,該廠委托我公司對軋機(jī)整個電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造,以期提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

支承輥直徑:700mm

工作輥直徑(驅(qū)動):260mm

輥身長:750mm

最大軋制力:550t

軋制速度:0～200m/min～600m/min

最大軋制速度:600m/min;400m/min

最大軋制張力:400kg～6000kg

壓下型式:液壓壓下和電動壓下

最大扭矩(基速時(shí)):1.43t·m

穿帶速度:20m/min～40m/min

軋機(jī)剛度:500T/mm

帶材厚度:入口:Max2.5mm,Min0.13mm

出口:Max1.5mm,Min0.1mm

2 系統(tǒng)配置與功能

改造前750mm可逆銅軋機(jī)電氣控制系統(tǒng)分為基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)、傳動控制系統(tǒng)、厚度控制系統(tǒng),各系統(tǒng)之間通過模擬信號傳輸方式協(xié)調(diào)整合,與交流輔助系統(tǒng)之間采用點(diǎn)對點(diǎn)連接。由于模擬信號精度較低,易受環(huán)境干擾,為系統(tǒng)埋下較多的隱患,同時(shí)硬件資源也已落后過時(shí),導(dǎo)致設(shè)備維護(hù)成本上升,設(shè)備和人身安全得不到有效保障,故障率也居高不下。公司在對國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)進(jìn)行廣泛調(diào)研分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)用型軋機(jī)生產(chǎn)的要求,規(guī)劃方法的優(yōu)化性能和經(jīng)濟(jì)效益;以實(shí)用老軋機(jī)生產(chǎn)遇到的挑戰(zhàn)為背景,對多種改造方法進(jìn)行實(shí)際研究分析,比較其優(yōu)點(diǎn),在此基礎(chǔ)上形成實(shí)用有效的方案。下面介紹750mm可逆銅軋機(jī)改造后各自動化控制系統(tǒng)、傳動控制系統(tǒng)及AGC控制系統(tǒng)配置與功能。

2.1 自動化控制系統(tǒng)

這套升級的可逆銅軋機(jī)組自動化系統(tǒng),PLC采用的是2個SIMATIC S7 400CPU(型號:414-2XL07-0AB0),帶有Profibus-DP 通訊接口和一個Ethernet通訊板CP443-1,每個操作臺都配有ET200MS遠(yuǎn)程I/O子站?，F(xiàn)場通過Profibus-DP與PLC I/O 子站和西門子6ra80進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,完成自動化系統(tǒng)的信號采集及順序控制。通過TCP/IP與上位監(jiān)控電腦和測厚儀PLC及HMI完成高速和高性能的數(shù)據(jù)交換。

軋機(jī)機(jī)列與自動化傳動系統(tǒng)為統(tǒng)一的電氣控制系統(tǒng),各個部分通過專用DP模塊和I/O模塊連成一體,系統(tǒng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為二路,如圖1所示。一路為現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò),采用Profibus-DP總線結(jié)構(gòu),主要用于系統(tǒng)S7-400 PLC與6RA80傳動模塊之間、CPU與機(jī)列其它DP分布式子站之間的實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高的信息和數(shù)據(jù)傳遞,完成現(xiàn)場信息的采集和實(shí)時(shí)控制。另一路為工業(yè)以太網(wǎng)總線結(jié)構(gòu),用于PLC之間、人機(jī)界面、AGC、iba監(jiān)控等、其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交換,完成軋機(jī)工藝數(shù)據(jù)上傳、下傳,軋機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳遞,故障信息傳遞及各個顯示運(yùn)行、報(bào)警畫面、厚差報(bào)表等。PLC柜中配備有以太網(wǎng)交換機(jī)。

系統(tǒng)通過PLC程序?qū)σ簤?、潤滑等各個分系統(tǒng)進(jìn)行主令控制。在控制臺中心區(qū)域的監(jiān)視器上,一個屏幕顯示實(shí)時(shí)的高優(yōu)先權(quán)的過程資料,啟動準(zhǔn)備、監(jiān)控和診斷可以分畫面顯示。操作區(qū)結(jié)構(gòu)緊湊,包括一個監(jiān)視器和一個鍵盤被安裝在控制臺的一側(cè),操作手能在信息頁面之間轉(zhuǎn)換。

2.2 傳動控制系統(tǒng)

軋機(jī)主電機(jī)、雙卷取電機(jī)、開卷電機(jī)傳動控制系統(tǒng)均采用西門子6RA80系列數(shù)字直流調(diào)速裝置。直流傳動裝置采用Profibus-DP進(jìn)行通訊,使系統(tǒng)更加安全、穩(wěn)定、快速響應(yīng)。直流傳動裝置實(shí)現(xiàn)對電機(jī)對應(yīng)的卷軸控制準(zhǔn)確停車、圈數(shù)計(jì)算、自動降速、卷徑計(jì)算等功能。

每套傳動裝置柜的組成包括,控制單元模塊和勵磁單元、過壓保護(hù)吸收裝置、主斷路器、繼電器、急停回路、風(fēng)機(jī)控制回路等。值得一提的是由于改造成本和效率的關(guān)系,本次改造對原直流電機(jī)(傳動)、交流電機(jī)(泵站、風(fēng)機(jī))和原整流可控硅系統(tǒng)都進(jìn)行了利舊,先后克服了雙電機(jī)電流不平衡、勵磁電流突變等疑難問題。改造前期和后期都經(jīng)過多次測試,其可靠性和可行性都可以達(dá)到工藝要求,從而節(jié)約了改造成本和時(shí)間。

主機(jī)傳動電機(jī)采用典型的速度控制系統(tǒng),開卷機(jī)、卷取機(jī)傳動為張力控制時(shí),采用間接張力控制系統(tǒng)、速度環(huán)抱和轉(zhuǎn)矩限幅控制方式。為了補(bǔ)償各種摩擦阻力對張力的影響,在力矩給定上增加了空載力矩補(bǔ)償;為保證加、減速期間張力的恒定,在力矩給定上將增加加速度力矩補(bǔ)償。在現(xiàn)場調(diào)試中對開卷機(jī)、左右卷取機(jī)分別重新進(jìn)行空載補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)和動態(tài)力矩補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),將記錄數(shù)據(jù)計(jì)算并填入到傳動程序中實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)償。根據(jù)卷徑實(shí)際大小使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩跟隨實(shí)際卷徑的變化而變化,從而保持恒定的張力。卷徑通過計(jì)算方式獲得,保證了軋制過程中卷徑值的準(zhǔn)確性和連續(xù)性,不會發(fā)生卷徑突變,也就避免了張力的突變。

利舊過程中,左右卷取機(jī)采用雙電機(jī)主從控制,主從電機(jī)通過齒輪箱并聯(lián)連接,電機(jī)電樞串聯(lián)共用同一個電樞回路控制,勵磁分開控制。由于主電機(jī)機(jī)勵磁給定直接給到從機(jī)模塊,電機(jī)進(jìn)入弱磁區(qū)域后由于電機(jī)弱磁特性不一致,造成雙電機(jī)電流失衡。改造后采用新的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)方式,從機(jī)勵磁電流可以調(diào)節(jié)主機(jī)和從機(jī)電樞電流平衡。在PLC設(shè)置了一個PID調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)目標(biāo)是主從機(jī)電樞電流差值為零,調(diào)節(jié)量為從機(jī)磁場附加給定(6RA80參數(shù)50611),反饋電流值未作換算,直接用內(nèi)部值,實(shí)際應(yīng)該是830A對應(yīng)16384。調(diào)節(jié)量是16384對應(yīng)100%,空載測試時(shí)調(diào)節(jié)范圍設(shè)置為-150～150,對應(yīng)-0.92%～0.92%。帶載時(shí)根據(jù)情況調(diào)整其調(diào)節(jié)范圍,直到電機(jī)電樞電流正常。部分程序截圖如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)程序

本套傳動系統(tǒng)還重新設(shè)計(jì)了張力計(jì)算、卷徑計(jì)算、加減速補(bǔ)償計(jì)算、卷重計(jì)算、帶長計(jì)算功能。這些準(zhǔn)確傳動參數(shù)的計(jì)算保證了軋機(jī)運(yùn)行時(shí)速度和張力的穩(wěn)定性,使之升級后,性能得到極大的提升。

2.3 AGC自動控制系統(tǒng)

AGC系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),使用西門子S7-400 PLC平臺,采用連續(xù)功能圖(CFC)編程語言編寫控制程序,該程序具有良好的可讀性、在線方便調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。其它組成系統(tǒng)的電氣元件還有油壓傳感器及接口板或接口模塊、 位置傳感器、電液伺服閥及驅(qū)動板、 配套控制和顯示軟件。系統(tǒng)計(jì)算機(jī)及PLC之間采用以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊,通訊速率快。選用SIMENS WINCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了上位機(jī)人機(jī)界面,具有易上手、執(zhí)行速度快、界面更改靈活等特點(diǎn)。

改造老設(shè)備,雖然是電氣系統(tǒng)升級,但是為了實(shí)現(xiàn)更好的控制精度和產(chǎn)品質(zhì)量,同時(shí)也需要一定的機(jī)械變化。我們把舊設(shè)備壓下油缸位置傳感器(原為內(nèi)置式的,安裝在壓下缸內(nèi)部中心部位),更改為外置式安裝。在壓下油缸對角兩側(cè)各安裝一個位置傳感器(為進(jìn)口產(chǎn)品),總個數(shù)也由原來的2個變?yōu)?個。在缸體上和活塞上加工安裝孔用于固定傳感器,并封堵原安裝孔洞,防止出現(xiàn)泄漏。原彎輥控制為比例減壓閥和電磁換向閥組成的閥臺,共2個,分別控制軋機(jī)正、負(fù)彎輥壓力。彎輥系統(tǒng)原為開環(huán)控制,為了更好的控制精度將比例減壓閥也改為伺服閥(FF106A-103),同時(shí)更改部分液壓管路和器件,實(shí)現(xiàn)了彎輥力閉環(huán)和精準(zhǔn)壓力控制。

AGC系統(tǒng)的主要功能還有壓下油缸位置、控制壓力控制、彎輥控制、軋輥傾斜控制、靠零、位置AGC、壓力AGC等,對于AGC控制系統(tǒng)又是軋機(jī)電氣專業(yè)的另一個方向,本文不再贅述。

3 結(jié)語

在設(shè)計(jì)調(diào)試人員大膽追求創(chuàng)新,勇于突破,生產(chǎn)維護(hù)人員積極配合并提出更加優(yōu)化生產(chǎn)改進(jìn)方案的基礎(chǔ)上,順利的完成了本次電氣系統(tǒng)升級改造。到目前正式生產(chǎn)的3年時(shí)間里,軋機(jī)各種指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,并且能夠生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。升級的傳動系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,指標(biāo)正常,不但提高了速度精度,技術(shù)參數(shù)也更好的滿足了工藝要求。良好以及成功的人機(jī)界面和數(shù)字化的設(shè)計(jì),更便于維護(hù)和操作,大大提高了系統(tǒng)的可靠性。