轧机控制系统TDC实践应用

轧机控制系统TDC在沙钢宽厚板的应用

钢板总厂宽厚板二车间王朱涛

1．引言

在热轧生产线上，轧机是一道重要的生产工序，本文是根据沙钢宽厚板二车间的轧机电气控制系统实例来对TDC的应用实施进行阐述。

由加热炉加热到目标温度的出炉板坯首先经过高压水除鳞箱清除氧化铁皮，然后进入轧机机架区域。轧机的主要作用是通过对加热到目标温度的板坯进行多道次的轧制，将板坯轧到合同要求的厚度。

下面具体谈一下轧机控制系统的硬件配置和功能。

2．轧机控制系统

沙钢宽厚板二车间使用了Siemens 的SIMATIC TDC 作为控制系统的硬件设备。TDC 控制系统是多CPU 系统，计算能力强、运算速度快，能够实现高速、复杂的控制任务，系统的实时性好，能够实现开环和闭环的过程控制和计算。可以解决非常复杂的调节和各种通信任务。

SIMATIC TDC 具有以下突出的特性：

1、模块化的系统结构，硬件可扩展；

2、采样时间间隔短，可达100ms，特别适用动态控制任务；

3、中央处理器采用64 位结构，具有最大性能；

4、同步多处理器运行，每个机架最多可有20 个CPU；

5、可最多同步耦合44 个机架；

6、使用STEP7 组态工具进行图形化组态：连续功能图(CFC) 和顺序功能图（SFC）；下图为Simatic TDC 框架的示意。

图1：Simatic TDC 框架示意图

机架使用SIMATIC TDC 电磁屏蔽19"机架UR5213，该机架允许硬件扩展，具有较高的性能裕量。它适用于墙壁安装和箱柜安装，配装有一个具有冷却和内部监控功能的集成电源。总共有21个槽位用于扩展模板，并可通过64位背板总线连接。对于较高的性能要求，在一个机架内可最多有20个同步CPU 模板多处理器运行，可有44个机架相互连接在一起。

本框架使用的CPU 是CPU551。I/O模板使用SM500，SM500 I/O模板提供有丰富的选项，用于连接分布式I/O。除了16点二进制输入/ 输出以外，它还具有8 点模拟量输入/ 输出以及4 点积分型模拟量输入。另外，还可连接4个增量位置编码器和4个绝对值编码器。使用6个LED 指示模板的运行状态。

通讯模板使用CP50M0、 CP5100。通讯模板CP50M0 和CP5100 可提供高性能的通讯，它们可以控制功能强大的协议，包括MPI、PROFIBUSDP、使用TCP/IP或UDP 的快速以太网。另外，还为各种不同的CPU，提供有一个8MB的通讯存储器。

车间还配置使用了全局数据存储器GDM，通过全局数据存储器(GDM)，安装有

CP52x0 的大量机架相互之间可以进行通讯（该项目使用CP52A0），运算能力几乎可以无限制扩展。通过光纤电缆和共享存储器，可最多有44个机架联网。除了几个机架之间的通讯之外，使用GDM还可实现同步( 采样时间、时钟时间) 和报警功能。刷新时间<1ms。

系统的硬件设备主要包括：2台SIMTIC TDC，用作主站和各单元的控制，通过GDM 相连接，用于TDC 之间的快速数据交换。GDM 又与过程数据分析计算机相连。这样可保证PDA（Process Data Acquisition）快速收集到各台TDC的实时数据，对这些数据进行及时的处理，使处理分析结果在最短的时间得出，对故障诊断及生产和操作起到指导作用、4 台HMI 操作显示终端、1 台HMI服务器、1 套过程数据分析终端（PDA）、1台TDC工程师站、打印机等。通过Ethernet 连接了PLC 控制设备和终端设备。SIMATIC TDC通过PROFIBUS-DP同远程I/O 设备ET200连接。TDC的一般的I/O信号都是通过ET200远程IO设备相连接的，快速输入输出通过SM500板来实现。

该系统的硬件配置图如下：

图2：轧机基础自动化控制系统配置图

编程使用CFC的方式，连续功能图的编程方式比较方便，也是应用比较多的一种编程方式。HMI画面用WinCC来制作。WinCC是一个专门用于处理生产和过程自动

化中图形显示和操作控制任务的工业和技术中枢系统。该系统可实现工业控制方面的图形显示、信息存档，以及报警等功能。其特点是具有强大的驱动程序界面，画面更新快速响应，以及存档功能可靠，因此能保证很好的实用性。

3．轧机控制系统控制方式及主要功能

该系统的控制方式共有两种：手动方式和全自动方式。

手动方式即维护操作方式。此种方式不能用于生产，此方式仅用于维修工作，换辊工作过程。设定值只可通过手动干预相应的控制对象来进行预设定。

全自动方式。在该方式下，基础自动化的全部功能及过程计算机投入运行，板坯每次轧制的道次计划数据由过程计算机传送给基础自动化系统，基础自动化系统根据道次计划表中的设定数据来完成对轧机机架和各设备的控制。轧制的流程由基础自动化系统自动控制。压下设定值和速度设定值由基础自动化系统，按照当时的板坯跟踪状态进行投入。必要的物料跟踪信号及实绩值由基础自动化系统传送给过程计算机，以便过程计算机对板坯进行跟踪以及数学模型的计算。运行方式通过人机接口HMI 进行选择。在全自动方式下，轧制过程所必须的传动设备、传动设备组和控制功能均根据当前的道次计划进行自动控制。在任何时间，只要不超过限定值，手动干预都是允许的。手动干预的设定值优先于自动状态下过程计算机下达的设定值。

轧机控制系统主要功能有轧机压下控制（SDS），轧线协调(LCO)，材料跟踪(MTR)，设定值分配，实际值收集，辅助的功能有侧导板控制、标定、换辊等。

下面简要介绍一下主要的控制功能：

轧机压下控制（SDS）是在要求时间内将轧辊的位置自动地控制到预先给定的目标值上，使辊缝与目标位置之差保持在允许的偏差范围之内。在压下位置控制过程中，压下位置设定值通过过程控制计算机来设定，压下位置实际值可以通过安装在压下齿轮箱输出轴上的脉冲编码器所测量的脉冲数换算出来。将当时的位置实际值与位置设定值进行比较，压下螺丝将轧辊移动到距离设定位置允许的偏差范围之内。

轧线协调(LCO)控制机架前后辊道以及主传动的传动速度控制，其次还包括进钢条件的询问，过程画面机架状态的显示，故障的报警，板坯的摆动等。

材料跟踪(MTR)的目的是根据材料在轧线中的位置来确定各相关设备的动作，进行设定值的输出。材料跟踪功能的实现通过在轧线上位置准确定义的热金属检测器信号、轧制力信号和轧制方向信号来监视和计算板坯位置。这样就可以确定板坯头部和尾部的位置了。当材料到达轧线上某一特定位置时，顺序控制就启动某一设备的动作。实现这些动作所需要的数据来自道次计划表。

对轧机的立辊机架而言，主要是宽度的控制，包括短行程控制（SSC）和自动宽度控制（AWC）。

短行程控制（SSC）是在进行板坯头部或尾部的轧制时，如果立辊的辊缝与在进行板坯中部轧制时的设定辊缝相同，板坯的头部和尾部会产生鱼尾形状，从而影响了产品的成材率。为提高材料的利用率，减少这种现象的发生，要采用短行程控制。短行程控制的原理是准确检测板坯头部和尾部位置，并给出相应的头部和尾部宽度修正值。从而使头部及尾部板宽略宽于板坯中部。再经过以后立辊道次的轧制，头部和尾部又趋近于正常的和中部差不多的宽度，从而提高钢板成材率。自动宽度控制（AWC）就是根据轧制力误差算出相应的宽度补偿值。通过板坯各位置的轧制力检测就可给出相应位置的宽度修正值，这样可以保证宽度控制精度