高速线材自动控制

摘要：针对高速线材生产线控制精度高、运转速度高、控制复杂的特点，邢钢的4条高速线材生产线采用ABB的AS520操作员站系统、RMC系统、全数字调速传动控制系统，7年多的生产实践证明，能够可靠、稳定、精确、高效地运行，且界面友好、保护功能完备、故障诊断功能强，便于系统维护，获得了良好的社会、经济效益。

1 前言高速线材生产线以高效率、高经济的优越特性，在轧钢行业中得到迅速发展，它也是各种新技术应用最为广泛的一个领域。

高速线材生产线需要配备高运转速度、高灵敏度、高精度的控制系统，目前广泛采用计算机过程控制、精密的数字调速传动控制系统来完成。

因此一级计算机控制系统、传动控制系统，以及具备友好的人机对话功能、兼备直观快速故障诊断功能的上位机监控系统，成为高速线材生产线技术的核心，得到了迅速发展。

邢钢的4条高速线材生产线电气核心控制均采用ABB轧线控制系统，以DCS600系列全数字直流调速传动及AC8600系列全数字交流变频调速传动装置为基础，以AC450 RMC为主控制器的PLC及分布式I/O控制系统为核心，采用界面友好、功能强大、高可靠性的AS520操作员站（advant station 520），通过不同的现场总线通讯网络联接，形成并行运算、集中管理、分散控制、资源共享的集散式计算机控制系统。

由于控制分散，可靠性增强，局部控制元件故障不影响模块的正常运行；而集中监控，则可使操作及管理人员掌握全局过程控制，同时便于系统维护。

ABB公司在国内已经成功设计、调试了10余条线材生产线，具有丰富的现场调试经验和技术诀窍（knowhow），利用已经形成的标准化、模块化的线材轧机控制软件包，在高速线材生产线的控制领域具有独特的技术优势。

2 生产工艺流程邢钢4线车间共设轧机28架，采用全连续布置方式，轧机平均小时产量为75t/h，第一架轧机入口速度大于0.1m/s，设计年产量50万t，产品规格Ø6.5～16mm。

生产工艺流程图如图1所示。

当生产线上出现事故时，系统可根据发生事故的区域制动相关的轧机，并启动1#，2#，3#飞剪碎断轧件以避免事故继续扩大。

3 ABB轧线控制系统组成系统组成示意图见图2。

Advant控制器是面向工业自动化应用的一个开放的、集散控制系统，并有多种网络通讯方式可选用，例如现场总线（Fieldbus）、局域网和广域网（1ocal and wide atea networks）。

Advant OCS控制系统无论在小型的机械设备还是大型工厂自动化控制均可以广泛应用，它提供了覆盖过程控制所有方面的强大功能，主要控制功能为：①通过中央或分布 I/O与过程接口；②逻辑和顺序控制；③调节控制，包括自调节、自适应；④管理和优化控制；⑤定位控制；⑥电机传动调速控制；⑦计算和过程优化；⑧报警和事件记录；⑨测量值和计算值的记录。

3.1 线材自动化控制系统ABB轧线自动化系统包括：一级自动化控制，即基础自动化系统；人机接口操作员站系统等。

3.1.1 一级自动化（基础自动化）一级自动控制系统硬件主要采用以AC450RMC为主控制器，通过现场总线AF100和MB300对通讯设备、输入/输出设备、传动设备进行集中控制。

AC450RMC控制器，全称The Advant Controller 450 Rolling Mill Control，是一种32位高性能逻辑调节处理器，每个控制器可以扩展到最多5700个模拟和数字I/O点，具有8或16M动态内存，主CPU采用摩托罗拉68040芯片，工作频率25MHz。

与AC450控制器直接通过MB300系统总线连接的I/O模块叫作本地I/O模块，即S100模块，主要用于现场高速输入/输出控制；通过现场总线 AFl00通讯连接的I/O模块叫作远程I/O模块，即S800模块。

远程I/O包括：现场总线接口Fieldbus Communication Interrace（FCI）、I/O模块基板（MTU）及I/O模块。

每个AC450 PLC可以连接2条AFl00现场通讯总线。

4线的自动化控制系统共由4套控制器控制，根据设定的网络节点号分别称为RMC5，RMC6，RMC8，RMC9，分别控制不同的区域和功能，主要控制功能如下。

1）RMC5。

粗轧1～6架各机架的各项参数设定；2，4，6架立辊提升；出炉辊道、高压水除鳞、拉出机、1#剪等；轧制、冷却程序的调用处理；1#，2#水箱控制；粗轧微张力控制。

2）RMC6。

中轧7～18架各机架的各项参数设定；中轧微张力控制；1#～5#立活套自动控制；2#剪控制；8，10，12，14架立辊提升等。

3）RMC8。

2#夹送辊、3#剪、精轧机、侧活套、吐丝机和夹送辊、精轧后3#～6#水箱等。

4）RMC9。

SM风冷辊道、风机、集卷站等。

3.1.2 人机接口操作员站系统人机接口采用Advant Station 520 OS操作员站。

操作系统采用UNIX系统，控制软件是ABB的Adva Command，Operator fumctions。

具有2台高分辨率彩色显示器的紧凑型、高性能的台式工作站，可连接至MasterBtJs300总线、TCP/IP 网。

Advant Station 520 OS操作员站的计算机接口技术主要有以下几种：高分辨率的彩色图形技术、窗口技术、点击操作技术（采用可靠耐用的工业专用键盘、便捷灵活的跟踪球 Trackball），并提供丰富的监控功能、系统自诊断功能等。

3.1.3 通讯Advant OCS控制系统各单元之间、与其它计算机、与其它通讯系统的通讯采用Master-Bus300（MB300）总线网络，它自动配置拓扑结构。

新建站点连接至总线、起动后，自动更新拓扑结构、不需要重新设置。

AC450的各CPU之间、与操作员站、与工程师站的通讯采用MB300总线（传输速率 10Mbit/s）。

与其它计算机、通讯系统的通讯连接需加装MasterGate。

AC450 RMC与ABB的交流调速传动设备（ACS600）、直流调速传动设备（DCS600）、远程I/O（S800 I/O）之间的通讯采用AFl00现场总线（传输速率1.5 Mbit/s）。

连接在网上的设备称作站，每条AFl00总线最多可连接80个站。

若AFl00总线采用屏蔽双绞线连接，则传输距离最长可以达到 750m，最多可连接32个站。

另外AC450 RMC还具备RS-232串口通讯和ASCII通讯方式。

3.1.4 工程师站工程师站ASl00ES（即advant station 100 series engineering station），是在IBM兼容PC机上安装一块Advant Station 100系列工程板PU516或PU519，并安装相关编程软件APB，FCB，ONB等，可实现AC450控制器的系统组态、编程、图形文件处理等功能。

3.1.5 编程语言（AMPL）AC450控制器的编程语言采用AMPL（即ABB master programming language），这是一种用图形表示的功能模块化的编程语言，专门为过程控制应用而开发。

它的基本单位是PC（process control）元素，每一个PC元素执行一个完整的功能，例如计数器、延时PC元素、或模拟控制器，每个PC元素用一种描述它功能的模块表示，每一种功能模块由带若干输入、输出管脚的模块组成。

除了PC元素外，AMPL还包含一些结构元素，用于将PC元素分成适当的模块，以便对某一段程序进行单独地控制和执行。

同时，可以给这些程序块设定不同的循环时间和优先级。

编程工作就是根据工艺控制要求，选择使用适当的功能块，将输入输出对应连接，完成现场工艺控制要求。

3.2 调速传动系统交、直流调速传动均基于同样的控制理念，即CDC（common drives control concept）通用传动控制理念：1）所有的控制、调节、监控及附加功能都由微处理器来实现；2）调节系统可软件组态；3）系统组态灵活、简单；4）通过AFl00网实现与AC450的通讯。

对基础自动化控制系统而言，控制交流电机、直流电机是一样的；5）传动系统调试维护界面：调试软件DriveWindow和控制面板CDP312；6）良好的故障诊断功能、记录功能，便于排除故障；运用先进的调试维护工具、新型的用户界面，使得设计、调试、监控均快速而精确。

特别适合于采用半导体功率单元、全数字控制的传动控制设备。

3.2.1 直流调速传动系统DCS600系列产品，为全数字晶闸管变流调速装置，直流调速系统主要由整流变压器、进线开关、进线电抗器、整流单元、励磁单元等组成。

调速方式为速度、电流、转矩3闭环控制。

每台传动配备单独一个操作面板CDP312，安装在传动柜门上，便于就地操作。

3.2.2 交流调速传动系统采用ABB公司的ACS600系列多传动产品，为全数字变频调速系统，主要由整流环节、直流环节、逆变器组成，采用公共整流变压器、公共直流母线供电方式，整流部分采用三相二极管半控桥，开关单元采用IGBT，配公共的制动斩波器和制动电阻。

变频调速方式为高精度的直接转矩DTC控制方式（开环控制的静态精度为0.2％～0.5％；带反馈脉冲编码器的闭环控制的静态精度高于0.01％）。

每台变频传动柜配备一个操作面板，安装在柜门上，柜内一个或多个逆变器共用。

3.2.3 传动调试维护网络ACS600系列多传动和DCS600变流器采用通用的维护、调试工具DriveWindow（安装相应接口、软件的PC机），将它与各传动之间用光纤连接成网络，便可对所有传动进行检测、调试、维护等。

4 轧线控制系统功能主要控制功能归纳为：友好的人机接口界面；主轧机设定系统；轧机速度设定，区域起动、停车；轧制程序表存储；轧机级联调速系统；机架间控制的手动修正；微张力控制；自动活套控制；轧件跟踪和自动碎断控制；轧件冷却控制；辅传动设定；飞剪周期控制；轧件切头、切尾控制；热金属探测器测试（HMD test）；吐丝机前夹送辊控制；吐丝机控制；散冷线上盘卷头部定位控制；轧机主轴定位控制；模拟测量信号的实时趋势曲线记录；轧线总览图；机架换辊图；模拟过钢；联锁和顺序控制；事件记录和报警列表。

5 轧线控制系统运行分析目前，邢钢4套ABB轧线控制系统均稳定、可靠、运行良好，飞剪、活套、微张力控制均满足工艺要求，传动控制精度见图3。

图3中，SA为稳态精度，最大速度的土0.01％；RA为速度跌落影响面积（即时间积分，％/s）；IC为速度跌落范围（％）；T为速度跌落时间（s）；△TQ为100％额定转矩。

主传动：SA≤±0.01％ of max．speed，RA≤0.25％/s。

辅传动：SA≤±0.01％ of max．speed with tacho。