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案例頻道 隨著國民經濟的穩步發展，各級用戶對熱鍍鋅產品提出了更高的質量要求，為了滿足這一要求，熱鍍鋅機組的自動控制系統必須具備如下特點：全數字化，高速度、高精度、高響應；可靠性高，免維護性強；三電一體化，效率高，投資省；兼容性強，開放性好，便于開發和發展。
某公司熱鍍鋅機組于2010.8順利實現熱負荷試車一次成功，目前正處于生產爬坡階段，其自動控制系統采用了西門子自動化產品，本文就其系統配置和特點、速度以及張力控制作一闡述。
眾所周知，自動控制系統一般采用分級式層次結構，包括L2過程控制級、L1基礎自動化級以及L0現場執行級，另機組中的退火爐采用獨立的DCS（含數學模型）進行控制，限于篇幅，本文對L2及退火爐控制系統不作描述。
1 工藝簡介
本機組采用美鋼聯工藝，在退火爐前設置清洗段，采用電解脫脂，可將帶鋼表面油污完全去除；采用全輻射管還原爐加熱帶鋼，因而鍍鋅層的表面質量較好。機組設置3個立式活套，用于動態儲存帶鋼，緩沖和調節各段之間的生產節奏，確保機組連續生產。機組主要由入口段、工藝段、平整段及出口段4部分組成。
入口段：步進梁→鋼卷鞍座→鋼卷小車→開卷機→矯直機→入口剪→焊機→月牙剪→1號張力輥→入口活套。
工藝段：2號張力輥→清洗段→3號張力輥→跳動輥→退火爐（由預熱段、加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段、熱張輥、爐鼻子等組成）→鋅鍋→氣刀→鍍后冷卻塔→5號張力輥。
平整段：中間活套→6號張力輥→四輥平整機→7號張力輥→拉矯機→8號張力輥→后處理→9號張力輥。
出口段：出口活套→月牙剪→圓盤剪→10A號張力輥→檢查臺→10B號張力輥→涂油機→飛剪→卷取機→鋼卷小車→鋼卷鞍座→鋼卷稱重與打捆→步進梁。
2 系統配置
2.1 概述
基礎自動化系統采用SIMATIC S7-400可編程邏輯控制器（PLC），包括機架、電源模塊、中央處理單元（CPU）、信號模塊、接口模塊、功能模塊、通訊模塊等。軟件開發平臺為STEP 7、CFC、D7-SYS、GRAPH等，編程語言包括順序功能流程圖、結構文本、功能塊圖、指令表、梯形圖。
人機接口（HMI）采用Server/Client結構，由1臺服務器、若干臺客戶機以及相關網絡設備組成。服務器管理著過程通訊、數據存貯以及與客戶機的通訊；客戶機作為操作站，顯示從服務器發出的數據，接受操作員的輸入，并將它傳送至服務器。人機接口軟件采用WinCC，包括服務器版、運行版和開發版。
系統網絡采用三級架構，HMI服務器與PLC之間通過工業以太網（TCP/IP，ISO/OSI）進行數據通訊，其最大通訊速率為100Mbps；HMI服務器與客戶機之間通過以太網（TCP/IP）進行數據通訊；現場總線采用當今最重要的標準Profibus-DP，其數據傳輸速率為9.6K～12Mbps，傳動裝置配有CBP2通訊模塊與PLC進行通訊。
傳動控制系統采用現代矢量控制（VC）的代表SIMOVERT MasterDrives 6SE70變頻裝置，主要由公用整流器、直流母線以及逆變單元三部分組成。逆變單元采用IGBT功率元件；公用整流器采用帶有預充電回路的晶閘管三相全控橋，傳動維護工具為Drive ES。為了提高輸出電流將兩臺具有相同額定電流的整流裝置并聯。制動方式采用能耗制動，用于機組緊急制動情況下系統處于發電狀態時產生的能量消耗，以確保直流母線不過壓。
2.2 配置特點
2.2.1 多CPU系統的應用
基于熱鍍鋅機組的復雜性，選擇較高級的CPU416-2作為PLC的中央處理器，并且采用多CPU系統，每個CPU的功能分配如下表所示。
表1
2.2.2 應用軟件編制采用單元結構
熱鍍鋅機組的應用軟件編制分為不同的單元，每個單元完成相應的功能，使軟件可讀性好，結構清晰，易于修改和維護。
(1)機組協調控制（Line Coordination Control，LCO）
LCO主要功能有：操作模式處理；機組啟動和運行聯鎖條件的檢查確認；操作指令及設定值的選擇和下達；輔助傳動控制命令的產生；穿帶、甩尾、定位等自動順序控制；傳動的接通、關斷控制及狀態監視；成組及單獨點動操作；帶鋼位置監視等。
(2)主令速度生成器（Master Ramp Generator，MRG）
MRG主要功能有：速度和加速度斜坡的產生；根據LCO的設定進行帶鋼尾部的自動減速以及帶鋼的自動定位；張力的斜坡處理及開卷機、卷取機、活套、張緊輥等的張力控制；靜張力和運行張力的自動處理；帶鋼的斷帶檢測；活套自動位置控制；傳動控制及通訊處理等。
從表1中可以看出，每一段均配有主控和順控CPU，LCO和MRG一般在同一個主控CPU中實現。
(3)順序控制（Support and Sequence Functions，SSF）
SSF的控制對象是與生產線速度、張力無關的設備，如電磁閥、恒速電機等。順控CPU將操作或主控命令結合安全聯鎖信號，對現場設備發出動作命令，同時監視其反饋信號，并在HMI畫面上進行顯示。順控CPU還負責除張力計外所有機電一體品的接口。
(4)儀表控制（Instrumentation and control，I&C）
本機組采用西門子SIMATIC S7實現儀表控制功能，用于儀表控制的CPU安裝在與跟蹤系統CPU相同的框架上，其控制范圍包括清洗段、濕平整及高壓清洗系統、后處理段。I&C主要功能有：溫度、流量、壓力、液位、電導率的控制和監視。
(5)物料跟蹤（Material Tracking，MTR）
MTR可實現對其跟蹤區域內運行的所有帶鋼上的特殊點（如焊縫、缺陷等）的精確位置跟蹤及其鋼卷數據的精確跟蹤，還能為機組的其他控制設備激活新的設定值，并統計匯報機組的生產數據。
3 速度和張力控制
3.1 概述
熱鍍鋅機組的核心控制對象是速度和張力。對處于相同工藝段的成組設備，要求各設備的線速度保持同步，即不論處于加速或減速過程中，各設備的線速度均要相等，為此使用MRG主令速度生成器，用它的輸出作為所有被控設備的速度指令，其框圖如圖1所示，只要控制該工藝段MRG的輸出和變化率，就控制了該工藝段的速度和加速度值。
圖中的“操作模式選擇和處理邏輯”包括來自操作臺的加速啟動（RUN）、穿帶（THRD）、正常停止（NS）、保持（HOLD）、快停（QS）、緊停（ES）等按鈕以及自動/手動運轉方式等選擇開關；包括帶鋼的跟蹤信號，如焊縫位置、活套儲量等；包括機組綜合運行條件，如起動或運行時所需要的聯鎖條件等。
MRG將上述信號與“速度和加速度選擇”相結合，最終產生出按S曲線進行變化的速度信號，以防止不同的響應引起的張力波動。這種不同的響應是因不同的設備參數（如轉動慣量GD2等）在加減速開始和結束時產生的，因此在加減速階段開始和結束處應有光滑曲線進行過渡，這樣才能確保具有平滑的切換特性，從而有效改善張力的控制性能。
圖 1 傳動控制系統
為實現帶鋼在機組上的穩定傳送，或某一特定的工藝功能，例如平整機的延伸率控制等，工藝對帶鋼在機組中各個位置都有張力要求，此要求集中體現在“機組張力表”中，這張表是電氣實現機組張力控制的基礎。張力控制的基本思想是分段張力控制原理，每段使用一個張力控制器。
張力控制器的工作原理：首先計算張力設定值與張力實際值的偏差，然后經適當的控制算法，將偏差轉換為速度補償量疊加到速度控制環的速度給定上，速度控制環的速度檢測由電機所帶高精度編碼器完成，速度控制環的輸出經轉矩限幅作用于電流控制環，其輸出最終作用于電機上。
一般有直接張力和間接張力二種控制方法，使用哪種方法取決于工藝控制要求和機組設備配置（張力計）。張力計測得的張力實際值在使用前需進行標定和平滑處理。間接張力控制中張力實際值是通過電機電流間接計算得到的。
3.2 張力輥的控制
張力輥有速度控制和張力控制二種控制方式。
3.2.1 張力輥的速度控制方式
本機組中，1號、4號、6號以及10A號張力輥分別是入口段、工藝段、平整段以及出口段的主令速度輥。在速度控制方式下，要求張力輥組的多個傳動輥的作用力一致，輥的速度要實時保證同步。采用標準的雙閉環速度控制系統予以實現，速度環不允許飽和。
3.2.2 張力輥的張力控制方式
除主令速度輥以外，其余張力輥均為直接張力控制。將張力調節器的輸出疊加到速度設定上，使速度環飽和，即速度環之外為張力環，張力調節器和速度調節器均為比例積分形式，以此來保證各個傳動輥的轉矩輸出一致。
3.2.3 張力輥的負荷平衡控制
負荷平衡控制是張力輥控制的一個重要內容，其作用是使各張力輥的負荷盡可能地相近或滿足一定比例的分配，使各張力輥都能發揮各自能力，協同完成帶鋼張力控制要求。其基本原理是將測得的各張力輥電機電流送到控制器內進行比較，差值經負荷平衡調節器輸出后疊加到從輥的速度給定上，通過調節從輥的速度來控制輸出轉矩。
3.3 開卷機、卷取機的控制
以開卷機為例介紹其間接張力控制原理。
電機產生的電磁轉矩：
MD=CM×Ф×I （式1）
式中，CM為電機轉矩常數；Ф為電機磁通，I為電機電樞電流。
帶鋼在開卷機上產生的張力矩：
MT=T×D/（2×i×η） （式2）
式中，T為開卷張力；D為鋼卷外徑；i為開卷機的傳動比；η為傳動系統的機械效率。
由（式1）和（式2）可得：
T=K×Ф×I/D （式3）
式中，K=2×i×η×CM，為常數。
開卷機間接張力控制一般采用“最大力矩法”，這是由于“最大力矩控制方式”較“比例控制方式”存在多方面的優點：容易選擇電機，無論速度高低均能發揮電動機的最大力矩；控制方式合理，利于經濟運行。
由（式3）得：基速以下，Ф保持恒定（滿磁），I與D成正比變化以保持T不變，電機為恒轉矩調速；基速以上，電機為弱磁升速狀態，電樞電壓保持不變，若保持T不變，必須使ФI/D保持不變，電機為恒功率調速。由此可見，卷徑計算的精確與否是開卷機張力控制精度的關鍵因素。
瞬時卷徑D的計算公式為：
D = V×i/（π×n） （式4）
式中，V為帶鋼運行線速度；n為開卷機轉速；i為開卷機的傳動比。
卷徑計算根據原有卷徑和卷徑變化量做減法運算并對計算結果進行正確與否的判定，所以必須有一初始的卷徑設定值。
穿帶時開卷機為速度控制模式；正常開卷時為張力控制模式，此時速度環飽和，整個控制系統由電流環進行調節，電機處于恒張力狀態，其轉速由速度限幅決定，其值來自張力設定值。
3.4 活套卷揚的控制
活套卷揚的控制包括有活套小車位置調節器、帶鋼張力調節器以及活套小車同步調節器。
由于本機組均為單小車活套，而活套小車同步調節器是配置2臺及2臺以上小車的活套所特有的控制環節，因此不予考慮。下面以入口活套為例，介紹其控制原理。
3.4.1 活套小車位置調節器
當活套入出口速度出現相異時，活套卷揚電機必須相應運轉以保證帶鋼秒流量平衡。設沖套方向為正，則活套卷揚電機的初始轉速給定為：
n=(Ven-Vex)*60/(N*π*D*G) （式5）
式中，Ven為活套小車入口速度；Vex為活套小車出口速度；N為活套小車帶鋼股數；D為活套小車卷筒直徑；G為活套小車卷揚齒輪箱變速比。
活套小車位置調節器的核心是行程預計算器，它依據活套卷揚的速度，計算出活套到達滿套或空套時所需要的行程值，位置調節器將這個值不斷與位置設定值進行比較，當二者相等時就給出滿套或空套信號，這個信號作用于速度控制器，通過改變入口段速度的最大限幅值控制小車位置。
3.4.2 帶鋼張力調節器
無論活套入、出口速度以及活套小車位置如何變化，活套中的帶鋼都必須保持恒定的張力，因此設有一個直接張力控制器作用于活套卷揚電機。其工作原理為：張力設定值與實際張力值進行比較，差值經比例積分調節器調節后作為轉速附加補償，通過調整卷揚電機速度達到調節張力的作用。直接張力的優勢在于無須考慮帶鋼厚度、摩擦力、彎曲損失和小車重量等因素對于控制系統的影響。
3.5 平整機的控制
為了消除帶鋼的屈服平臺，獲得良好的帶鋼平直度和合適的帶鋼表面粗糙度，本機組設置有四輥平整機，而延伸率是平整機的一個重要工藝指標，其控制精度直接與冷軋成品帶鋼的質量有關。
所謂延伸率，指的是帶鋼平整后相對于平整前沿長度方向上的增長，公式如下：
（式6）
式中：ε為延伸率，I_entry為帶鋼在平整機入口側的長度；I_exit為帶鋼在平整機出口側的長度；V_entry為帶鋼在平整機入口側的速度；V_exit為帶鋼在平整機出口側的速度。
平整機入、出口側各安裝有1個PLG，分別對每個測量周期的帶鋼長度進行計數，以此確定帶鋼長度并計算出延伸率實際值。
延伸率控制方式有“軋制力控制”與“軋制力和張力控制”，前者用于厚帶鋼控制，后者則用于薄帶鋼控制，使用哪種模式由操作人員選擇。
軋制力控制模式下，延伸率的設定值與實際值之間的偏差量經過轉換與限幅處理后作為平整機軋制力的附加設定值。兩個直接張力控制器在出口和入口區域保持帶鋼恒張力。
如果L2下達的最大軋制力仍然不能達到設定延伸率，此時可以使用“軋制力和張力控制模式”，延伸率將通過附加軋制力和入出口側的附加張力進行控制。
平整機在“平整機不投用模式”下將處于打開狀態，出口張力控制器接通，入口張力控制器關斷。
3.6 拉矯機的控制
平整段出口設置有兩彎兩矯形式的拉矯機，其目的是獲得良好板形，改善材料各向異性，消除屈服平臺，阻止滑移線形成。前后張力輥的傳動方式為單獨驅動，控制方式有延伸率控制與張力控制。
張力控制模式下，前后張力輥之間無速度差，為張力輥直接張力控制方式。
延伸率控制模式下（延伸率定義同平整機），前后張力輥之間有了因為延伸率而產生的速度差，拉矯機入、出口側各安裝有1個PLG，分別對每個測量周期的帶鋼長度進行計數，這樣就可確定帶鋼長度并計算出延伸率的實際值。
4 結語
速度和張力是熱鍍鋅機組自動控制中的兩個關鍵因素，如何提高二者的穩定性以及控制精度，對于保證機組的順利運行，發揮機組的產能，提高產品質量有著十分重要的意義。西門子自動化產品性能可靠、工作穩定、控制精度高、擴展性靈活，完全滿足生產要求，具有極大的推廣價值。
參考文獻
[1]曾照強.帶材卷取機控制方式討論[J].有色金屬加工.2003,(1):23.
吳家浩(1975-)，男，上海市，工程師，工程碩士學位，現從事自動化專業。
摘自《自動化博覽》2011年第六期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號