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1 概述
濟南鋼鐵集團總公司年產20萬噸鋼帶連續熱鍍鋅機組（以下簡稱為濟鋼鍍鋅機組）的自動化系統是國內自行設計，由新冶高科技集團有限公司（以下簡稱為新冶集團）負責總包成套的工程項目，該自動化系統采用SIEMENS公司最新產品，具有國內一流的裝備和控制水平。系統包括電氣傳動及在線檢測儀表（L0）、基礎自動化（L1）和獨立的爐區自動化儀表系統。其電氣傳動系統采用交流全數字調速裝置，基礎自動化系統采用PLC控制器，主令控制部分由新冶集團負責，傳動控制部分由SIEMENS公司負責，爐區自動化儀表系統采用全數字脈沖控制器。基礎自動化系統中的操作部分根據工藝區段劃分為：入口段、工藝段和出口段。
2 自動化系統總體配置及特點
濟鋼鍍鋅機組自動化系統采用分布式控制系統結構，與常規按區段功能劃分原則進行設備配置的系統不同，本系統直接以機組總體功能要求進行設備配置，充分利用了當今新技術產品的高性能和靈活的擴展性，結合以往同類機組成功運行的工程經驗，在SIEMENS公司的支持下構建了嶄新的簡約高效的自動化控制系統，該系統在不降低系統功能的前提下，有效地控制了系統的總體造價，特別適用于國產化高技術水平機組的推廣，其總體配置如圖1所示。
2.1 基礎自動化
基礎自動化系統分入口段、工藝段和卷取段三個控制區，分為主令控制器、傳動控制器和爐區自動化儀表三個控制單元，實行區段控制按功能統一在同一控制器實現的原則，即三個區段的主令操作及機組邏輯順控統一在主令控制器上完成，傳動部分張力、速度的建立、協調在傳動控制器上完成，爐區自動化儀表作為一個相對獨立的控制單元滿足工藝對連續還原爐控制功能的需要，從而實現了控制目標的功能分解和控制功能的標準化處理，提高了系統的運行效率，滿足了濟鋼鍍鋅機組自動化系統控制的實時性要求。
濟鋼鍍鋅機組自動化系統的操作采用主令控制器與人機接口相結合的方式，由分區設置的操作站（HMI）、操作臺箱和機旁站將全線的主令及功能性信號通過大量設置（11個）的遠程輸入輸出信號站（ET200）通過網絡（PROFIBUS-DP）傳送至主令控制器，由主令控制器完成相應的順序邏輯判斷后輸出對應的邏輯指令。為滿足現代化控制系統對高水平人機接口的要求，使生產過程和控制系統具有有良好的可視性和透明性，便于操作和維護，系統在各操作室配置了多臺操作員站，直接用于生產過程的集中監控，另一方面，在標準操作員站功能的基礎上開發了數據庫背景的小型報表處理系統和物料跟蹤系統，具備了二級控制系統的部分功能，也為系統向二級擴展提供了良好的基礎和接口功能。
濟鋼鍍鋅機組自動化系統的傳動采用獨立的傳動控制器，該部分軟硬件均由SIEMENS公司提供。該控制器用于機組區段速度、張力值的設定、調節，用于成組傳動設備間的同步補償，用于開卷取設備的卷徑計算和帶鋼定位，用于入出口活套的位置控制等。同時傳動控制器機架上還配置有專用處理模塊FM458，該模塊建有光整機控制模型和外部數據接口，用于光整機和拉矯機的控制與調節，協調各控制功能的穩定運行和平滑過度。機組張力分為11個區段，各區段名稱及調節范圍如圖2所示。
圖2 11個區段
濟鋼鍍鋅機組爐區自動化儀表系統的特點之一是采用了與以往常規燃氣控制方式不同的脈沖燃燒控制方式，由PLC實現溫度模型計算與給定，由成套引進的霍克德專用脈沖控制器進行脈沖調節，這樣根據爐區溫度分布確定的8個爐區溫度調節回路既具有獨立調節功能，又可滿足成組調節需要，
圖1 總體配置圖
同時避免了常規多回路并行雙交叉限幅控制運算中的實時性問題，是當今大型加熱爐控制系統廣泛采用的先進技術；爐區自動化儀表系統的特點之二是采用雙閉環脈沖控制技術，即以熱電偶反饋為內環，輻射板溫計為外環調節的調節系統，該種控制方式在直熱式工業爐中已被廣泛采用，但在還原性氣氛中的還原退火爐中并不多見，近年來，由國外公司承建的相關機組大量采用該技術，技術日趨成熟，實際應用中也使得其裝備水平和目標控制精度大為提高，本系統建立的雙閉環控制模型是國內自行設計開發，并在同類機組實際運行中投入運行的國內第一家雙閉環爐區溫控方案，在理論與實際應用上均具有重要意義。
2.2 電氣傳動系統
電氣傳動系統包括：交流變頻主傳動系統（以下簡稱為主傳動系統）、交流變頻輔助傳動系統（以下簡稱為輔傳動系統）和交流馬達控制中心（MCC）；系統總裝機功率合計約為4111kW。主傳動采用IGBT交直交變頻控制器，由Master drive逆變器實現調速控制，供電采用兩段800kW公共直流母線，直流母線段上設備制動方式為電阻能耗制動。輔助傳動系統采用SIEMENS工業風機水泵類專用變頻控制器430系列產品MicroMaster430構成，裝機功率約為405kW，MicroMaster430除了具有第四代變頻器的特點外，還具有用于風機和泵類的硬件和軟件特性，尤其適合需節能、降噪的工業應用環境。MCC系統用于在線定速電機的分合閘控制，為方便系統調試及維護，MCC配有獨立的操作單元（OP27），并通過遠程輸入輸出信號站（ET200）與基礎自動化的主令PLC進行通訊從而節省了大量的控制電纜，提高了系統的可靠性，簡化了設計和施工，MCC系統裝機功率約為1673.25kW。
2.3 計算機網絡
計算機網絡主要由基礎自動化級以太網、過程現場總線、控制器間并行通信光纖及各種通信接口組成。
(1) 基礎自動化級以太網
基礎自動化級以太網是一個符合IEEE802.3標準，采用CSMA/CD（帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問）介質訪問控制協議，并使用2通道光纖傳輸為載體的計算機局域網。它遵循ISO/OSI（國際標準化組織/開放系統互聯）7層參考模型對數據連路層和物理層的定義原則，通過對傳輸層和網絡層定義的TCP/IP（傳輸控制協議/互連網協議）實現網絡通訊。
主令PLC、傳動PLC、爐區自動化儀表PLC和各操作室的HMI設備通過各自的以太網接口與3COM交換機直接連接，該交換機具有10M/100Mbps自動識別和轉換傳輸功能，可作為未來聯系二級的通道。由于入出口操作室與工藝操作室分布在機組的兩側（操作側與傳動側），距離較遠，所以采用光纖作為傳輸可有效的提高信息傳輸的效率與可靠性。
(2) 過程現場總線
過程現場總線是采用歐洲工業現場總線標準EN 50170的開放型通信系統，為主從工作方式，主要用于連接現場設備。本系統中采用PROFIBUS-DP網絡用于連接傳動變頻器通訊板（CBP）與傳動控制器間的高速數據傳送（光纖方式下最大為12Mbps），用于連接遠程輸入輸出站（ET200）通訊模塊（IM153）與主令控制器間的數據傳輸（專用電纜傳送速率為1.5Mbps）。
2.4 爐區自動化儀表系統
以連續還原退火爐溫度控制為核心的爐區自動化儀表系統采用SIEMENS公司S7-414 PLC為控制器，主從方式配置的4套遠程輸入輸出單元根據就近原則設置在爐區現場，各單元機架上配有溫度專用處理模塊FM355，FM355 有 4 個分離的閉環控制通道，具有下列特點：
? 預制的控制器結構可用于：固定的設定點控制、級聯式控制、比例控制、3組件控制；
? 根據所選控制器結構，幾個控制器可以組合成為一個結構；
? 模式選擇自動模式、人工模式、安全模式、后續模式和備份模式；
? 采樣時間（根據模擬輸入和補償輸入的分辨率）：12 bit：20 ms~100 ms，14 bit：100 ms~500 ms（取決于使能的模擬輸入數目）；
? 2個閉環控制算法：自行優化溫度算法、PID算法；
? 用戶友好型控制器優化：溫度算法的自行優化功能儲存在模塊內，在設定點的變化大于 12% 時，它會自動激活。PID 控制算法是利用配置包內的參數設置屏幕格式進行優化的；
? 備份模式：一旦 CPU 發生故障或 CPU 停止工作，控制器能夠獨立地繼續工作。為此目的，利用“備份模式“ 功能設定一個可參數化的安全設定點，或一個可參數化的安全可操縱變量；
? 擾動變量輸入：模擬輸入可用于輸入擾動變量以及實際值；
? 模糊溫度控制器的所有參數可以讀出和編程；
? 模塊參數可以聯機改變；
? 功能模塊和實例數據庫之間的數據比較；
? 由于通信是通過I/O訪問而不是通過 SFC RD_REC和WR_REC 顯著地加速了操作；
? 爐區自動化儀表系統雙閉環溫度控制系統功能框如圖3所示。
圖3 爐區自動化儀表系統雙閉環溫度控制系統功能框圖
為滿足工藝對帶鋼目標溫度的直接控制要求，系統在爐溫間接閉環控制的基礎上疊加板溫前饋和反饋閉環控制功能，系統不但在功能上能夠實現板溫閉環與爐溫閉環的獨立控制，而且可通過雙閉環嵌套控制算法實現兩種控制功能的平滑切換，有利于系統的穩定和爐區溫控經驗模型的建立。
2.5 過程檢測儀表
濟鋼鍍鋅機組配置了大量的過程檢測儀表以滿足高自動化水平機組連續運行的條件，在技術條件滿足工藝要求的前提下，設備供應商多采用國產設備，主要內容如表1所示。
表1
3 自動化系統的性能指標
性能指標包括工藝保證值和電氣保證值兩部分。
工藝保證值是對帶鋼工藝參數，如溫度、機械延伸率、鍍層厚度和表面質量等的考核要求，由工藝專業與電氣共同負責。考核方法是根據實際產品及生產實測值，參照相應的國家檢驗規范進行檢測。本機組產品檢驗標準為：GB/T2518-1988。
電氣保證值是對傳動系統性能指標及控制系統可用率的考核要求，由新冶集團和SIEMENS公司共同負責。
(1) 傳動系統（由SIEMENS公司負責）
靜態速度精度≤0.01%；速度響應時間≤60ms；張力間接控制精度≤5%；張力直接控制精度 ≤3%；電流響應時間≤15ms。
(2) 控制系統可用率
PLC控制器和數字控制系統：95%；傳動系統：99%；工藝檢測儀表：99%；HMI硬件：99%
4 FM458控制模塊
作為本機組自動化系統獨立模型的硬件單元，FM458具有如下特點：
FM458 應用模塊（功能模塊）設計用于SIMATIC S7-400 PLC 系統內的高性能開環和閉環控制任務。
與兩類擴展模塊組合使用時，FM458 允許更多高動態性能尤其是與驅動相關的應用，如以下的場合：
? 用于變頻器進給直流和交流驅動的閉環轉矩，速度和位置控制，例如用于閉環同步運轉，張力調節輥或張力控制，纏繞機，多電機驅動裝置，齒輪/電機測試臺，復雜設定點計算和橫裁斷機與“防破壞”電動軸的閉環控制；
? 高動態性能的水力驅動裝置。
在本機組中FM485模塊建有光整機控制模型及外部數據接口，用于光整機和拉矯機的控制，實現的功能有：光整機延伸率控制；光整機軋制力控制；位置控制；張力控制；彎輥控制；過焊縫控制等。
FM485的應用可利用 STEP7 和CFC（連續功能圖表）自由的組態。組態的程序必須裝到FM485的MC521存儲器卡中。
5 結語
本文介紹了一套嶄新的帶鋼連續熱鍍鋅機組的自動化配置方案及其主要技術特點，濟鋼鍍鋅機組自動化系統的裝備水平和操作水平在國內同類機組中具有較高水平，其功能設置和設備配置采用了當前國際流行的最新技術和產品，體現了簡約、高效的設計理念，對于國產高質量標準機組的自動化系統設計和應用具有現實指導意義，該設備配置方案日臻成熟，已開始在國內推廣。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號