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梁  彬

1  廠況簡介

    安鋼集團(tuán)第一煉軋廠高速線材連軋機(jī)組采用國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)與裝備，原料采用熱裝熱送工藝，加熱爐為引進(jìn)日本中外爐關(guān)鍵燃燒裝置的步進(jìn)梁式加熱爐，具有加熱質(zhì)量好、成本低的特點。全車間共有30架軋機(jī)，其中粗、中軋平―立交替14架，45度預(yù)精軋4架，精軋機(jī)8架，減定徑機(jī)8架，設(shè)計最大速度140m/s，最大軋制速度120m/s，保證軋制速度為112m/s，全線設(shè)6個活套，3 臺飛剪和在線自動測徑裝置，產(chǎn)品公差±0.10mm；全線采用控制軋制和控制冷卻新工藝，有5套控冷水箱，大風(fēng)量強(qiáng)冷式延遲型散卷保溫罩進(jìn)行低溫軋制強(qiáng)制冷卻，實現(xiàn)索氏體處理，又可實現(xiàn)緩慢冷卻。設(shè)計能力為40萬t/年，主要產(chǎn)品為光面盤條線材：Φ5.5～Φ20mm，螺紋帶肋線材：Φ6.0～Φ16mm。生產(chǎn)鋼種有碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)量碳素結(jié)構(gòu)鋼、中高碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等8個鋼種。

2  電氣自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成

    該系統(tǒng)配置5臺SIEMENS公司的S7-400系列PLC，設(shè)有3個操作站，加熱爐區(qū)、軋機(jī)區(qū)、精整區(qū)各1個，另外還在主電室設(shè)有工程師站。每個站均配有SIEMENS公司的 PIII工控機(jī)，操作面板采用PMU，各站操作系統(tǒng)為中文WindowsNT4.0，監(jiān)控畫面采用美國GE Fanuc公司的FIXDMACS軟件編制?，F(xiàn)場的潤滑、液壓系統(tǒng)以及軋線各區(qū)域配有59臺ET200M，主傳動采用SIEMENS公司的6RA70系列產(chǎn)品，交流輔傳動采用6SE70系列產(chǎn)品，每套傳動裝置均配有一塊CBP通信模板，用作6RA70和6SE70調(diào)速裝置與PROFIBUS-DP相連的接口板。操作站、工程師站、PLC之間的通信采用工業(yè)以太網(wǎng)，通信介質(zhì)采用同軸電纜，PROFIBUS-DP主要完成PLC與6RA70、6SE70、WinCC以及遠(yuǎn)程ET200M之間的數(shù)據(jù)信息通信功能，PROFIBUS-DP的通信介質(zhì)采用工業(yè)屏蔽雙絞線。這條軋線配備了水平較高的電氣自動化控制系統(tǒng)，其配置如圖1所示。其中，PLC1：加熱爐區(qū)各段輥道的速度控制和順序控制等；PLC2：夾送輥，粗軋機(jī)，中軋機(jī)速度控制，微張力控制，1、2、3號飛剪，碎斷剪控制，預(yù)精軋機(jī)的速度及其活套控制，故障診斷，動態(tài)速度補(bǔ)償及聯(lián)鎖控制，軋輥控制等；PLC3：精軋機(jī)、減定徑機(jī)、夾送輥、吐絲機(jī)、斯太爾摩冷卻線及其風(fēng)機(jī)等；PLC4：集卷筒及聯(lián)鎖控制、P/F線、稱重控制等；PLC5：液壓站、潤滑站等輔助設(shè)備。

    用于主站S7-400系列PLC的CPU選型為CPU416-2DP，該型CPU運算能力極強(qiáng)，帶有內(nèi)部集成的PROFIBUS-DP接口，其組態(tài)靈活、速度快、操作簡捷。加熱爐區(qū)控制，收集區(qū)傳動控制，液壓潤滑站輔助設(shè)備控制選用單CPU，而主軋線粗中軋區(qū)傳動控制，主軋線精軋區(qū)傳動控制選用雙CPU，前者主要用于軋制過程中的快速性控制（級聯(lián)、微張、活套、飛剪等），后者用于一般性的操作和控制。每個PLC均采用一塊CPU模板和數(shù)塊SM422、SM421模板，完成整條軋線在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的順序控制和閉環(huán)控制。

圖1  電氣自動化控制系統(tǒng)配置圖

3  控制系統(tǒng)功能簡介

(1)  軋線速度設(shè)定自適應(yīng)

    儲存在軋制程序表中的初始設(shè)定參數(shù)，如輥徑、速比、計算速度等不可避免會有誤差，這樣就不能完全適應(yīng)各軋機(jī)之間的速度級聯(lián)關(guān)系，而在軋制的過程中，這些誤差會通過微張力控制、活套控制以速度修正信號的形式作用于相應(yīng)的機(jī)架上來形成真實的速度配合關(guān)系。速度設(shè)定自適應(yīng)功能就是根據(jù)速度修正信號來對相應(yīng)機(jī)架的延伸率進(jìn)行修正，并根據(jù)修正后的延伸率來修正速度的設(shè)定值，從而使下一個軋件軋制時，各機(jī)架間處于最佳的配合狀態(tài)。

    同時，為了把操作人員的經(jīng)驗溶入到自動化系統(tǒng)中，操作人員可以對機(jī)架的速度進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。在主操作臺上設(shè)有各機(jī)架速度微調(diào)按鈕，用于對各機(jī)架間的速度協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)好后的機(jī)架間的速度協(xié)調(diào)關(guān)系，經(jīng)人工確認(rèn)，系統(tǒng)可自動存儲此時各機(jī)架的速度，作為該軋制程序下的速度級聯(lián)速度設(shè)定。

(2)  速度級聯(lián)控制

    軋線速度級聯(lián)調(diào)節(jié)是修正某一相鄰機(jī)架的速度關(guān)系，而不影響軋線其它機(jī)架已有的速度關(guān)系，速度級聯(lián)調(diào)節(jié)各機(jī)架延伸率的關(guān)系逆行速度設(shè)定。當(dāng)有套量偏差或微張力控制時產(chǎn)生速度修正信號，以級聯(lián)方式對對應(yīng)的相鄰機(jī)架速度進(jìn)行修正，為保證精軋機(jī)出口速度的穩(wěn)定，以提高飛剪的剪切精度，級聯(lián)調(diào)節(jié)方向為逆向調(diào)節(jié)，即從精軋末機(jī)架軋機(jī)向上游級聯(lián)。

    當(dāng)軋件在兩機(jī)架間斷開時，級聯(lián)調(diào)節(jié)取消；軋件在兩機(jī)架間連續(xù)軋制時，級聯(lián)軋制重新建立。

(3)  微張力控制

    微張力控制的目的是使中軋機(jī)組各機(jī)架之間的軋件按微小的張力進(jìn)行軋制。微張力控制是保證高速線材軋機(jī)順利軋制和提高產(chǎn)品質(zhì)量的必要手段，張力控制是一個復(fù)雜的過程，高速線材采用“電流―速度”間接微張力控制法。它的基本思想是：張力的變化是由線材的秒流量差引起的，而調(diào)整軋機(jī)的速度就能改變秒流量，以達(dá)到控制張力的目的。其控制方法同軋機(jī)速度的級聯(lián)調(diào)節(jié)方向有關(guān)，如果級聯(lián)速度為逆調(diào)，則需控制各機(jī)架的前張力；如果級聯(lián)速度為順調(diào)，則需控制各機(jī)架的后張力，即當(dāng)鋼坯咬入下一機(jī)架后，根據(jù)本機(jī)架同下游機(jī)架之間的堆拉關(guān)系來調(diào)整下機(jī)架的速度設(shè)定，使本機(jī)架與下機(jī)架之間的張力維持在設(shè)定值。

    在實際實施中，著重解決以下兩個難點：

    ①  無張力矩的存儲

    在本系統(tǒng)中沒有測張元件，微張控制的控制目標(biāo)足以使軋機(jī)在無張力矩下軋制。所以，無張力矩的計算與存儲就成為微張控制中的關(guān)鍵。無張力矩是靠軋件的頭部來確定的。

    ②  微張力控制程序框圖

    各機(jī)架的控制過程基本一致，控制程序框圖如圖2所示。

(4)  速度沖擊補(bǔ)償

    當(dāng)軋機(jī)咬鋼或運行中產(chǎn)生沖擊負(fù)荷時，速度會瞬間降低，機(jī)架間正常的速度關(guān)系受到破壞，會形成軋件堆積。速度沖擊補(bǔ)償?shù)哪康氖菐椭埣樌胲垯C(jī)，減小和消除速度波動，實現(xiàn)方法是在軋件進(jìn)入軋機(jī)之前提高此機(jī)架的速度。速度提高的百分?jǐn)?shù)及撤掉此值的過程時間可從上位機(jī)上調(diào)整而且可存儲到軋制表中。另一方面，在機(jī)架間有活套控制時，動態(tài)速降有利于活套形成，其速度補(bǔ)償量可適當(dāng)減小。

(5)  軋件跟蹤控制

    通過設(shè)置在機(jī)架前、后的熱金屬檢測器或活套檢測器及機(jī)架電機(jī)咬鋼時的沖擊電流信號，作為軋件的跟蹤信號，實時監(jiān)控軋件頭、尾的位置。全線下列控制功能需要了解軋件頭、尾的位置：微張力控制、活套控制活套的起套控制、飛剪控制、夾送輥、吐絲機(jī)及軋件運輸順序控制、軋件冷卻閥的控制等。同時通過對軋件的位置跟蹤還可以判斷軋制過程中出現(xiàn)的堆鋼等故障，當(dāng)判斷出堆鋼故障后可自動或手動起動故障點前的飛剪、碎斷剪、卡斷剪對軋件碎斷處理。

圖2  微張力控制程序框圖

(6)  活套控制

    活套是用來檢測和調(diào)節(jié)相鄰機(jī)架間速度關(guān)系從而實現(xiàn)無張力軋制的設(shè)備。一般用于軋件截面較小的場合，活套控制分為套高（或套量）控制和起套輥控制：活套調(diào)節(jié)器是通過檢測到的活套高度偏差產(chǎn)生速度修正信號，調(diào)節(jié)機(jī)架速度以維持活套高度保持在給定值不變、實現(xiàn)機(jī)架速度秒流量平衡，通過活套調(diào)節(jié)使軋件在軋制過程中形成自由的弧形，保持軋制過程為無張力狀態(tài)。

    總之，在軋件頭部進(jìn)入活套后面軋機(jī)之前不允許起套輥升起；在軋件頭部進(jìn)入活套后面軋機(jī)后起套輥必須立即升起。當(dāng)軋件尾部離開活套前面軋機(jī)時，起套輥必須立即下降。

(7)  飛剪的剪切控制   

    在中軋機(jī)組、預(yù)精軋機(jī)組和精軋機(jī)組前，均設(shè)有切頭、切尾飛剪，PLC通過接收熱檢及碼盤信號，對軋件切頭、切尾。當(dāng)發(fā)生事故時，前兩臺飛剪都可進(jìn)行碎斷，第3#飛剪對軋件分段后由碎斷剪碎段。在切頭及碎斷時，剪子的線速度一般高于其前機(jī)架速度的5％~15％。

    對于飛剪控制，設(shè)有兩個檢測回路。主要由安裝在剪刃軸上的碼盤和PLC的高速計數(shù)器組成；另一個是軋件頭、尾從HMD（高溫計）到飛剪距離的檢測回路，主要由安裝在上游機(jī)架的碼盤、HMD及PLC的高速計數(shù)器組成。

    無論軋制速度的高低，軋件從HMD到飛剪所走過的距離是固定的。安裝在上游機(jī)架電機(jī)軸上的碼盤所產(chǎn)生的脈沖數(shù)與軋輥所轉(zhuǎn)過的角度成正比，從而也與軋件所走過的距離成正比。當(dāng)HMD檢測到軋件頭部或尾部時，啟動高速計數(shù)器累加上游機(jī)架碼盤的脈沖數(shù)，當(dāng)計數(shù)到所設(shè)定的值時啟動飛剪。

(8)  吐絲機(jī)前夾送輥控制

    吐絲機(jī)前夾送輥控制功能主要包括開/閉控制、張力調(diào)節(jié)和軋件尾部控制。

    夾送輥開/閉控制 包括尾部夾送、頭尾夾送、全長夾送。

    夾送輥張力調(diào)節(jié) 夾送輥的速度設(shè)定稍高于減定徑機(jī)組出口速度，以便當(dāng)夾送輥閉合時，在軋件上獲得一個恒定的張力，以防止軋件在水箱中的顫動，張力值由操作站設(shè)定。當(dāng)軋件尾部到達(dá)精軋機(jī)之前夾送輥閉合夾住軋件后0.25秒，軋件上自動產(chǎn)生強(qiáng)力；當(dāng)軋件尾部進(jìn)入精軋機(jī)，啟動張力保持模式，鎖住張力調(diào)節(jié)器對夾送輥的速度修正，防止夾送輥加速至超前速度，即防止夾送輥與軋件之間出現(xiàn)相對運動而影響產(chǎn)品表面質(zhì)量；在夾送輥被要求打開后0.5秒，張力調(diào)節(jié)器和保持模式關(guān)閉。

    夾送輥尾部控制 包括尾部減速和尾部加速兩種情況。

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