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    摘要：本文主要闡述針對萊鋼帶鋼軋線電控系統(tǒng)存在主機(jī)信號易受干擾、系統(tǒng)響應(yīng)慢、控制精度不高等問題進(jìn)行系統(tǒng)改造，對主軋線電控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、主軋線PLC程序和HMI進(jìn)行優(yōu)化、升級，建立軋件跟蹤和防止活套早套程序系統(tǒng)，使得活套動(dòng)作穩(wěn)定、可靠，活套張力動(dòng)態(tài)響應(yīng)的調(diào)整迅速，從而有效改善了各類指標(biāo)，滿足生產(chǎn)的需要。 

    關(guān)鍵字：電控;PLC;網(wǎng)絡(luò);活套

    Abstract：his paper introduces improvement of the contorl system in rolling mill being shortcoming that is roller’s signal being interfered、slow dynamic response and low control accuracy.It includes upgrading network of the control system、upgrading PLC program and HMI for rolling mill、setting up billet-track system and preventing forward loop program system 。Being optimized system can not only accomplish speedy responsibility and stably action of the looper system ,but also availably improve technical target and meet the needs of production.

    Keywords：electrical controler,PLC ,net ,looper

    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)旁操作箱信號分站，將所有機(jī)架信號全部引致該分站，使得信號電纜繞過軋線，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 將精粗軋操作臺臺面布置進(jìn)行優(yōu)化，使操作簡便，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)得到有效的提升。

    2.1.3 優(yōu)化主軋線PLC程序和HMI，將PROFIBUS-FMS通訊網(wǎng)絡(luò)升級為SIMATIC工業(yè)以太網(wǎng),同時(shí)系統(tǒng)考慮每一信號以及顯示生成方法，簡化和更新數(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，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)測信號，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)的布置和功能進(jìn)行優(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、精軋操作臺、夾送輥分站與主站PLC完成現(xiàn)場信號的傳輸。

    圖中紅色標(biāo)識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#操作臺將無法進(jìn)行主機(jī)及附屬設(shè)備的操作，操作臺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)主要用于車間級生產(chǎn)信息集成、專用生產(chǎn)設(shè)備、專用測試設(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#臺分別設(shè)立收發(fā)器和交換機(jī)，采用光纜連接，5#臺、6#臺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)場總線信息規(guī)范），達(dá)到簡化網(wǎng)絡(luò)配置，同時(shí)系統(tǒng)考慮每一信號以及顯示生成方法，簡化和更新數(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，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，我們在分析了活套動(dòng)作的多種可能原因后，決定對鋼坯的軋制過程進(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)了對軋件的實(shí)時(shí)跟蹤，對于任意時(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)測防止早套系統(tǒng)的建立

    針對傳統(tǒng)活套控制過程的弊端，通過建立鋼坯跟蹤預(yù)測系統(tǒng)，從而可以精確、有效的控制活套的起落套。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)測信號，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)測信號。以精軋活套H2為例，原有起套信號只有F3的主機(jī)負(fù)荷信號，當(dāng)F3輥?zhàn)友袩蛰d電流達(dá)到負(fù)荷信號時(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)測信號，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)測信號。然后將F3的主機(jī)負(fù)荷信號和F3的主機(jī)預(yù)測信號后相與得到H2的起套信號，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)荷信號預(yù)測邏輯控制圖（F3）  

                               
                                  圖4 加入預(yù)測信號后活套控制邏輯圖

    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：

    首先我們生產(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，并可以把活套電機(jī)的電樞電壓、電樞電流等信號通過網(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)。如下圖所示，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)輸入信號控制活套張力的投入，因此給定信號必須要有起套、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，為PLC節(jié)約一個(gè)輸出點(diǎn)，同時(shí)簡化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。

    參考文獻(xiàn)

    [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.

    作者簡介：
任瑩（1977-），女,工程師，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化系，學(xué)士學(xué)位，主要從事工業(yè)自動(dòng)化研究及應(yīng)用工作。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第五期