棒材生产线自动控制系统改造设计与实现

棒材生产线自动控制系统改造设计与实现

摘要：该文主要介绍了山西中阳钢铁集团有限公司棒材生产线改造后的自动控制系统的软硬件组成和PLC系统及操作站、工程师站的主要控制功能。

关键词：棒材生产线PLC系统自动控制

山西中阳钢铁集团有限公司的棒材生产线是一条年产40万t热轧棒材的全连轧生产线，主要产品规格为φ12～φ40?mm圆钢和螺纹钢。由于生产线自动化程度落后，为了提高生产线自动化程度，提高产品精度和增加产品产量，由北京钢研新冶电气股份有限公司进行改造，改造后自动化程度明显提高，实现了生产线全连续轧制，产品精度达到了φ12～φ20.0?mm±0.05?mmφ22～φ40.0?mm±0.1?mm，椭圆度不大于尺寸总偏差的80%，精轧机最高速度为15.5?m/s，精轧机保证速度为13.5?m/s (Φ12?mm)。

1 棒材生产线的主要设备组成

(1)加热炉区。包括热装辊道、装钢辊道、炉内装钢辊道、推钢机、步进梁、炉内出钢辊道、炉外出钢辊道等。(2)轧机区。包括卡断剪、粗轧机(1#—7#机架)、1#飞剪、中轧机(8#—13#机架)、2#飞剪、预精轧精轧机(14#—18#机架)、10#～18#机架替代辊道、3#飞剪等。

(3)精整区。包括裙板辊道、制动裙板、冷床、冷床齐头辊道、冷床输出小车、冷床输出辊道、冷剪、剪后输出辊道、移送齐头辊道、打

包辊道、打包机、成捆器等。

2 轧线自动控制系统

在本系统中通讯网络配置主要是由工业以太网(INDUSTRIAL ETHERNET)和Profibus-DP网,组成两层通讯网络系统。系统配置如图1所示。

工业以太网（INDUSTRIAL ETHERNET）主要是完成操作站同PLC设备和工厂管理机的数据、信息通讯功能；留有同上级工厂管理机之间的工业以太网通讯接口；操作站、工程师站、PLC之间的工业以太网通讯速率100Mbit/s；工业以太网通讯介质采用工业用光纤；

Profibus-DP网主要是完成PLC设备同传动设备和远程I/O装置之间的数据、信息通讯功能。Profibus-DP网通讯介质采用工业屏蔽双绞线，其通讯速率可达12Mbit/s。(如图1)

轧线基础自动化共配置了3套西门子公司的系列pLC（PLC1、PLC2、PLC3），分别完成轧线自动控制、飞剪自动控制和冷床区的自动控制。其中PLC1选用了2个CPU416-2DP，PLC2选用了1个CPU416-2DP，PLC3选用了1个CPU315-2DP进行数据处理与通讯。在各操作点、操作台设远程I/O站，采用西门子ET200系列。PLC 与ET200远程站之间采用PROFIBUS-DP网络通讯。传动系统采用西门子6R70、6SE70系列装置，PLC与传动设备通过PROFIBUS-DP 网络进行通讯，通讯格式为PPO4，通讯速率为12?Mb/s，各PLC之间采用ETHERNET进行数据交换。

在轧线自动化系统中，除可编程续控制器（PLC）外，还配置了工业PC机作为工作站，为此选用著名的美国Microsoft(微软)公司的服务器/客户机操作系统，系统软件为Windows XP Professional。HMI/SCADA软件采用SIEMENS公司的WinCC6.2中文版。PLC系统的编程软件采用STEP 7 Ver 5.4。

3 主轧线自动化系统主要控制功能

3.1 PLC系统主要控制功能

3.1.1 速度设定与速度级联

速度设定级联即通过确定出口轧机基准速度和各机架延伸率来确定各机架的设定速度。

自动调节级联是指定用活套调节器或微张力调节器产生的速度修正率，通过级联的方式对各机架的速度进行修正。

为保证精轧出口速度的稳定，系统的级联方向为逆轧制方向即从精轧机开始向轧线上游级联。由速度设定级联和自动调节级联综合产生各机架线速度给定，在根据对应机架的工作辊径及减速机速比等折算为速度给定信号，通过网络由PLC送给主传动速度调节系统。

一旦某个机架的速度因操作工在操作台上手动调整，或控制系统根据微张力控制计算程序，需要调节某机架的速度时，为保证机架间的秒流量相等，上游各个机架的电机速度也随之相应地调整。

在棒线材轧机中，第i机架的延伸率等于该机架的出口速度与入口速度之比：

Ei=Vi/Vi-1

在采用逆调的系统中，只要给出末架的出口速度和各个机架的延

伸率，就可求得各个机架的速度：

Vi=Vi+1/E i+1

在实际中，也是设定出口机架的速度和各机架的延伸率来计算各机架的基准速度给定。还有就是各机架附加的速度给定，包括本机架单调量、本机架联调量、本机架Pi调节量和本机架的动态补偿量。所有这些量加起来就是本机架的实际设定速度。

本机架单调量。

所谓单调量就是只为本机架自己所附加的调节量，它只调节本机架自身的速度而不会影响其它机架的速度，当调节本机架的单调量时，下游机架及本机架的延伸率都会发生变化。这种调节方法主要用于本机架速度不适合于上游和下游机架的情况。正常情况下因为单调量调节会同时影响两个相邻机架的延伸率即秒流量相等的平衡，所以使用时要非常慎重，不要调节好了下游机架的延伸率又打破了本机架的延伸率。正常使用时单调量调节非常少用。

本机架联调量。

所谓联调量就是不仅调节本机架的速度，还把调节量级联至上游机架，使本机架和上游机架的平衡关系保持不变，也就是说只调节下游机架的延伸率。因为这种调节方式只调节一个机架的延伸率即本机架和下游机架的平衡关系，所以控制起来非常方便，正常使用中常用

联调量调节方式。

本机架Pi调节量。

本机架Pi调节量是由本机架和下游机架间的平衡关系不匹配而自动调节所产生的调节量，一般情况下这种调节量是由Pi调节器输出的，所以叫Pi调节量。Pi调节量一般是由微张或活套调节所引起的。Pi调节量和联调量相同，都要把调节量级联至上游机架。

动态补偿量。

所谓动态补偿量是指补偿咬钢速降所设置的调节量，主要是用于防止机架间的堆钢。动态补偿量和单调量相同，只调节本机架。

综合以上的各种调节量，本机架的实际速度给定为：

Vi=（Vji+1/Ei+1）*（1+Vpii+Vji）+（Vji+1/Ei+1）*（Vdi+Vbi）(1)

Vji=（Vji+1/Ei+1）*（1+Vpii+Vji）(2)

其中：

Vi表示本机架速度设定

Vji+1表示下游机架级联速度

Ei+1表示下游机架延伸率