高速線材自動控制

1、摘要：針對高速線材生產(chǎn)線控制精度高、運轉(zhuǎn)速度高、控制復(fù)雜的特點，邢鋼的4條高速線材生產(chǎn)線 采用ABB的AS520操作員站系統(tǒng)、RMC系統(tǒng)、全數(shù)字調(diào)速傳動控制系統(tǒng)，7年多的生產(chǎn)實踐證明，能夠可靠、穩(wěn)定、精確、高效地運行，且界面友好、保護(hù) 功能完備、故障診斷功能強(qiáng)，便于系統(tǒng)維護(hù)，獲得了良好的社會、經(jīng)濟(jì)效益。1 前言高速線材生產(chǎn)線以高效率、高經(jīng)濟(jì)的優(yōu)越特性，在軋鋼行業(yè)中得到迅速發(fā)展，它也是各種新技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的一個領(lǐng)域。高速線材生產(chǎn)線需要配備高運轉(zhuǎn)速度、高 靈敏度、高精度的控制系統(tǒng)，目前廣泛采用計算機(jī)過程控制、精密的數(shù)字調(diào)速傳動控制系統(tǒng)來完成。因此一級計算機(jī)控制系統(tǒng)、傳動控制系統(tǒng)，以及具備友好的人

2、機(jī) 對話功能、兼?zhèn)渲庇^快速故障診斷功能的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，成為高速線材生產(chǎn)線技術(shù)的核心，得到了迅速發(fā)展。邢鋼的4條高速線材生產(chǎn)線電氣核心控制均采用ABB軋線控制系統(tǒng)，以DCS600系列全數(shù)字直流調(diào)速傳動及AC8600系列全數(shù)字交流變頻調(diào)速傳動裝置為 基礎(chǔ)，以AC450 RMC為主控制器的PLC及分布式I/O控制系統(tǒng)為核心，采用界面友好、功能強(qiáng)大、高可靠性的AS520操作員站（advant station 520），通過不同的現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，形成并行運算、集中管理、分散控制、資源共享的集散式計算機(jī)控制系統(tǒng)。由于控制分散，可靠性增強(qiáng)，局部控制元 件故障不影響模塊的正常運行；而集中監(jiān)控，則可使操

3、作及管理人員掌握全局過程控制，同時便于系統(tǒng)維護(hù)。ABB公司在國內(nèi)已經(jīng)成功設(shè)計、調(diào)試了10余條線材 生產(chǎn)線，具有豐富的現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗和技術(shù)訣竅（knowhow），利用已經(jīng)形成的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的線材軋機(jī)控制軟件包，在高速線材生產(chǎn)線的控制領(lǐng)域具有獨特 的技術(shù)優(yōu)勢。2 生產(chǎn)工藝流程邢鋼4線車間共設(shè)軋機(jī)28架，采用全連續(xù)布置方式，軋機(jī)平均小時產(chǎn)量為75t/h，第一架軋機(jī)入口速度大于0.1m/s，設(shè)計年產(chǎn)量50萬t，產(chǎn)品規(guī)格Ø6.516mm。生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示。當(dāng)生產(chǎn)線上出現(xiàn)事故時，系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)生事故的區(qū)域制動相關(guān)的軋機(jī)，并啟動1#，2#，3#飛剪碎斷軋件以避免事故繼續(xù)擴(kuò)大。3 ABB軋線控

4、制系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成示意圖見圖2。Advant控制器是面向工業(yè)自動化應(yīng)用的一個開放的、集散控制系統(tǒng)，并有多種網(wǎng)絡(luò)通訊方式可選用，例如現(xiàn)場總線（Fieldbus）、局域網(wǎng)和廣域網(wǎng) （1ocal and wide atea networks）。Advant OCS控制系統(tǒng)無論在小型的機(jī)械設(shè)備還是大型工廠自動化控制均可以廣泛應(yīng)用，它提供了覆蓋過程控制所有方面的強(qiáng)大功能，主要控制功能為：通過中央或分布 I/O與過程接口；邏輯和順序控制；調(diào)節(jié)控制，包括自調(diào)節(jié)、自適應(yīng)；管理和優(yōu)化控制；定位控制；電機(jī)傳動調(diào)速控制；計算和過程優(yōu)化；報警和 事件記錄；測量值和計算值的記錄。3.1 線材自動化控制系統(tǒng)ABB軋線自動

5、化系統(tǒng)包括：一級自動化控制，即基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)；人機(jī)接口操作員站系統(tǒng)等。3.1.1 一級自動化（基礎(chǔ)自動化）一級自動控制系統(tǒng)硬件主要采用以AC450RMC為主控制器，通過現(xiàn)場總線AF100和MB300對通訊設(shè)備、輸入/輸出設(shè)備、傳動設(shè)備進(jìn)行集中控制。 AC450RMC控制器，全稱The Advant Controller 450 Rolling Mill Control，是一種32位高性能邏輯調(diào)節(jié)處理器，每個控制器可以擴(kuò)展到最多5700個模擬和數(shù)字I/O點，具有8或16M動態(tài)內(nèi)存，主CPU采用摩托 羅拉68040芯片，工作頻率25MHz。與AC450控制器直接通過MB300系統(tǒng)總線連接的I/O模

6、塊叫作本地I/O模塊，即S100模塊，主要用于現(xiàn)場高速輸入/輸出控制；通過現(xiàn)場總線 AFl00通訊連接的I/O模塊叫作遠(yuǎn)程I/O模塊，即S800模塊。遠(yuǎn)程I/O包括：現(xiàn)場總線接口Fieldbus Communication Interrace（FCI）、I/O模塊基板（MTU）及I/O模塊。每個AC450 PLC可以連接2條AFl00現(xiàn)場通訊總線。4線的自動化控制系統(tǒng)共由4套控制器控制，根據(jù)設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點號分別稱為RMC5，RMC6，RMC8，RMC9，分別控制不同的區(qū)域和功能，主要控制功能如下。1）RMC5。粗軋16架各機(jī)架的各項參數(shù)設(shè)定；2，4，6架立輥提升；出爐輥道、高壓水除鱗、拉出機(jī)、

7、1#剪等；軋制、冷卻程序的調(diào)用處理；1#，2#水箱控制；粗軋微張力控制。2）RMC6。中軋718架各機(jī)架的各項參數(shù)設(shè)定；中軋微張力控制；1#5#立活套自動控制；2#剪控制；8，10，12，14架立輥提升等。3）RMC8。2#夾送輥、3#剪、精軋機(jī)、側(cè)活套、吐絲機(jī)和夾送輥、精軋后3#6#水箱等。4）RMC9。SM風(fēng)冷輥道、風(fēng)機(jī)、集卷站等。3.1.2 人機(jī)接口操作員站系統(tǒng)人機(jī)接口采用Advant Station 520 OS操作員站。操作系統(tǒng)采用UNIX系統(tǒng)，控制軟件是ABB的Adva Command，Operator fumctions。具有2臺高分辨率彩色顯示器的緊湊型、高性能的臺式工作站，可

8、連接至MasterBtJs300總線、TCP/IP網(wǎng)。Advant Station 520 OS操作員站的計算機(jī)接口技術(shù)主要有以下幾種：高分辨率的彩色圖形技術(shù)、窗口技術(shù)、點擊操作技術(shù)（采用可靠耐用的工業(yè)專用鍵盤、便捷靈活的跟蹤球 Trackball），并提供豐富的監(jiān)控功能、系統(tǒng)自診斷功能等。3.1.3 通訊Advant OCS控制系統(tǒng)各單元之間、與其它計算機(jī)、與其它通訊系統(tǒng)的通訊采用Master-Bus300（MB300）總線網(wǎng)絡(luò)，它自動配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。新建站點連 接至總線、起動后，自動更新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、不需要重新設(shè)置。AC450的各CPU之間、與操作員站、與工程師站的通訊采用MB300總線（傳輸速

9、率 10Mbit/s）。與其它計算機(jī)、通訊系統(tǒng)的通訊連接需加裝MasterGate。AC450 RMC與ABB的交流調(diào)速傳動設(shè)備（ACS600）、直流調(diào)速傳動設(shè)備（DCS600）、遠(yuǎn)程I/O（S800 I/O）之間的通訊采用AFl00現(xiàn)場總線（傳輸速率1.5 Mbit/s）。連接在網(wǎng)上的設(shè)備稱作站，每條AFl00總線最多可連接80個站。若AFl00總線采用屏蔽雙絞線連接，則傳輸距離最長可以達(dá)到 750m，最多可連接32個站。另外AC450 RMC還具備RS-232串口通訊和ASCII通訊方式。3.1.4 工程師站工程師站ASl00ES（即advant station 100 series en

10、gineering station），是在IBM兼容PC機(jī)上安裝一塊Advant Station 100系列工程板PU516或PU519，并安裝相關(guān)編程軟件APB，F(xiàn)CB，ONB等，可實現(xiàn)AC450控制器的系統(tǒng)組態(tài)、編程、圖形文件處理等功能。3.1.5 編程語言（AMPL）AC450控制器的編程語言采用AMPL（即ABB master programming language），這是一種用圖形表示的功能模塊化的編程語言，專門為過程控制應(yīng)用而開發(fā)。它的基本單位是PC（process control）元素，每一個PC元素執(zhí)行一個完整的功能，例如計數(shù)器、延時PC元素、或模擬控制器，每個PC元素用一種

11、描述它功能的模塊表示，每一種功 能模塊由帶若干輸入、輸出管腳的模塊組成。除了PC元素外，AMPL還包含一些結(jié)構(gòu)元素，用于將PC元素分成適當(dāng)?shù)哪K，以便對某一段程序進(jìn)行單獨地控制 和執(zhí)行。同時，可以給這些程序塊設(shè)定不同的循環(huán)時間和優(yōu)先級。編程工作就是根據(jù)工藝控制要求，選擇使用適當(dāng)?shù)墓δ軌K，將輸入輸出對應(yīng)連接，完成現(xiàn)場工藝控 制要求。3.2 調(diào)速傳動系統(tǒng)交、直流調(diào)速傳動均基于同樣的控制理念，即CDC（common drives control concept）通用傳動控制理念：1）所有的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)控及附加功能都由微處理器來實現(xiàn)；2）調(diào)節(jié)系統(tǒng)可軟件組態(tài)；3）系統(tǒng)組態(tài)靈活、簡單；4）通過AFl00

12、網(wǎng)實現(xiàn)與AC450的通訊。對基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)而言，控制交流電機(jī)、直流電機(jī)是一樣的；5）傳動系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)界面：調(diào)試軟件DriveWindow和控制面板CDP312；6）良好的故障診斷功能、記錄功能，便于排除故障；運用先進(jìn)的調(diào)試維護(hù)工具、新型的用戶界面，使得設(shè)計、調(diào)試、監(jiān)控均快速而精確。特別適合于采用半導(dǎo)體功率單元、全數(shù)字控制的傳動控制設(shè)備。3.2.1 直流調(diào)速傳動系統(tǒng)DCS600系列產(chǎn)品，為全數(shù)字晶閘管變流調(diào)速裝置，直流調(diào)速系統(tǒng)主要由整流變壓器、進(jìn)線開關(guān)、進(jìn)線電抗器、整流單元、勵磁單元等組成。調(diào)速方式為速度、電流、轉(zhuǎn)矩3閉環(huán)控制。每臺傳動配備單獨一個操作面板CDP312，安裝在傳動柜門上，便于

13、就地操作。3.2.2 交流調(diào)速傳動系統(tǒng)采用ABB公司的ACS600系列多傳動產(chǎn)品，為全數(shù)字變頻調(diào)速系統(tǒng)，主要由整流環(huán)節(jié)、直流環(huán)節(jié)、逆變器組成，采用公共整流變壓器、公共直流母線供電方 式，整流部分采用三相二極管半控橋，開關(guān)單元采用IGBT，配公共的制動斬波器和制動電阻。變頻調(diào)速方式為高精度的直接轉(zhuǎn)矩DTC控制方式（開環(huán)控制的靜 態(tài)精度為0.20.5；帶反饋脈沖編碼器的閉環(huán)控制的靜態(tài)精度高于0.01）。每臺變頻傳動柜配備一個操作面板，安裝在柜門上，柜內(nèi)一個或多個逆變器共用。3.2.3 傳動調(diào)試維護(hù)網(wǎng)絡(luò)ACS600系列多傳動和DCS600變流器采用通用的維護(hù)、調(diào)試工具DriveWindow（安裝相應(yīng)

14、接口、軟件的PC機(jī)），將它與各傳動之間用光纖連接成網(wǎng)絡(luò)，便可對所有傳動進(jìn)行檢測、調(diào)試、維護(hù)等。4 軋線控制系統(tǒng)功能主要控制功能歸納為：友好的人機(jī)接口界面；主軋機(jī)設(shè)定系統(tǒng)；軋機(jī)速度設(shè)定，區(qū)域起動、停車；軋制程序表存儲；軋機(jī)級聯(lián)調(diào)速系統(tǒng)；機(jī)架間控制的手動修正；微 張力控制；自動活套控制；軋件跟蹤和自動碎斷控制；軋件冷卻控制；輔傳動設(shè)定；飛剪周期控制；軋件切頭、切尾控制；熱金屬探測器測試（HMD test）；吐絲機(jī)前夾送輥控制；吐絲機(jī)控制；散冷線上盤卷頭部定位控制；軋機(jī)主軸定位控制；模擬測量信號的實時趨勢曲線記錄；軋線總覽圖；機(jī)架換輥圖； 模擬過鋼；聯(lián)鎖和順序控制；事件記錄和報警列表。5 軋線控制系

15、統(tǒng)運行分析目前，邢鋼4套ABB軋線控制系統(tǒng)均穩(wěn)定、可靠、運行良好，飛剪、活套、微張力控制均滿足工藝要求，傳動控制精度見圖3。圖3中，SA為穩(wěn)態(tài)精度，最大速 度的土0.01；RA為速度跌落影響面積（即時間積分，/s）；IC為速度跌落范圍（）；T為速度跌落時間（s）；TQ為100額定轉(zhuǎn)矩。主傳動：SA±0.01 of maxspeed，RA0.25/s。輔傳動：SA±0.01 of maxspeed with tacho。在以往的生產(chǎn)、調(diào)試過程中，也出現(xiàn)過一些故障，歸納如下所述。5.1 軋線自動化系統(tǒng)出現(xiàn)故障及處理1）因為現(xiàn)場檢測元件接地、短路，造成DI輸入保護(hù)熔斷器損壞，出現(xiàn)

16、I/O柜通訊故障。排除接地故障、更換熔斷器后，恢復(fù)正常。2）環(huán)境影響（例如物體、嚴(yán)重的水汽等意外阻擋探測鏡頭）、鏡頭臟污等造成熱探出現(xiàn)信號不穩(wěn)定、或誤信號，導(dǎo)致飛剪、活套動作異常。針對具體原因采取相應(yīng)的措施。3）RMC柜內(nèi)接線虛接、松動，頻繁動作器件老化（如繼電器等）。定期檢查、除塵、緊固、更換。5.2 軋線傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障及處理交流變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)很少出現(xiàn)故障；以下主要針對直流傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障及處理方法。1）傳動控制室環(huán)境溫度高，直流傳動柜功率單元過熱、保護(hù)跳閘。按傳動設(shè)備要求控制環(huán)境溫度，即恢復(fù)正常。2）傳動系統(tǒng)燒快熔、跳閘：大多數(shù)為外界不利因素，引起傳動本身跳閘，如環(huán)境溫度高、電網(wǎng)波動、編碼器測速故障、電機(jī)性能不好、不利的軋制條件電機(jī)嚴(yán)重過載等。針對某體原因采取相應(yīng)