硅钢连退机组自动化控制系统

硅钢连退机组自动化控制系统
朱保汉
（中冶南方工程技术有限公司原武汉钢铁设计研究总院武汉）
摘要：本文主要介绍了鞍钢冷轧硅钢处理线的自动控制系统，并对控制系统功能进行了描述。

关键字：SCAL；自动化；PLC； HMI；工业以太网；WinCC；STEP 7
Abastract：The paper introduce the automatic control system of Angang cold roll Silicon process line . Describing Control system function. Keywords：SCAL；Automation；PLC； HMI； Industrial Ethernet； WinCC ；
STEP7
0．前言
为满足国内市场对冷轧硅钢的需求，鞍钢决定新建一冷轧硅钢厂，年产80万t中低牌号无取向硅钢，其中包括1条酸洗连轧机组（PL-TCM）、4条硅钢连续退火及涂层机组（SACL）、2条重卷机组和2条包装机组。

其中NO.1电工钢（硅钢）连续退火涂层机组（NO.1 SACL）是其中第一条电工钢连续退火涂层机组，该机组是国内第一条全部由国内设计、制造及软件编程调试的SACL机组。

鞍钢SACL机组是由武汉院总承包，进行工艺设计、非标设备设计和自动化系统设计及软件编程调试，该处理线采用了先进的自动化控制系统。

1．设备描述
SACL机组的工艺组成为：入口段（包括焊机）、入口活套、碱洗段（包括碱液混合系统、碱液喷洗系统、碱液刷洗系统、高压水喷洗系统、水刷洗系统、热水喷洗系统）、退火炉段（包括PH炉、NOF炉、RTF炉、SF炉、RJC炉）、涂层段、干燥段（DF-DS/BS炉、AJC炉）、出口活套、出口段。

SACL机组的工艺概貌如下：
机组主要技术参数如下：
生产品种：中、低牌号无取向电工钢
生产能力： 22.8万 t/a
产品：冷轧硅钢带卷
原料
钢卷外径： max.：2000mm
min.：800mm
钢卷内径： 610mm
钢卷重量： max.：25000kg
带钢宽度： max.：1250mm
min.：750mm
带钢厚度： max.：0.65mm
min.：0.35mm
机组速度
入口段：
线速度 max.：240m/min
加速度 ~20m/sec2正常启/停
~40m/sec2快停
穿带速度 25m/min
工艺段：
线速度 max.：180m/min
加速度 ~10m/sec2正常启/停
~20m/sec2快停
出口段：
线速度 max.：240m/min
加速度 ~20m/sec2正常启/停
~40m/sec2快停
穿带速度 25m/min
紧急停车时间：由最高速度到停止时间 ~6s
2．电气传动和控制系统
电气传动和控制系统是工厂自动化综合控制系统的一部份，由可编程控制器（PLC）和全数字式调节系统所构成，它根据过程计算机（L2）的控制指令及设定参数来完成自动化控制
功能。

SACL机组采用了SIEMENS公司先进的技术和设备以及开放性的网络系统构成了生
产线的自动化控制系统。

2．1．电气传动系统
SACL机组的交流调速传动系统采用SIEMENS 公司SIMOVERT传动装置， SIMOVERT MASTER DRIVES是全数字矢量控制变频调速装置，此装置是带微处理器的全数字控制系
统，其主要特点是控制任务靠软件或工艺控制板（T400）来实现，有极强的自诊断功能和最
佳控制参数计算功能等。

SIMOVERT传动装置，电源由IGBT变频器供电。

该传动装置除了常规的电流和速
度控制外，还具有以下功能：
开卷机/卷取机转矩控制；
张力辊负荷平衡控制；
直接张力活套控制；
活套小车位置控制；
带钢长度计算、套料计算、断带检测以及活套小车同步运行控制等。

为确保高效率，SIMOVERT MASTER DRIVES传动装置采用低功耗的IGBT功率元件。

传动装置采用6SE70系列，控制方式为矢量控制。

CUVC系统单元电子板包括SIMOVERT VC（矢量控制）控制功能和闭环控制功能，如转速、转矩、频率或V/f性能控制。

微处理器矢量控制都包括在所有SIMOVERT主传动变频器中。

这对于满足AC感应电机传动要求无疑是最佳方法。

T400是用于SIMOVERT MASTER DRIVES逆变器工艺控制板。

它用来扩展传动系统单元的工艺控制功能。

SACL机组全线共有14台电机通过SIEMENS公司的T-400工艺板控制，其中包括开卷机、卷取机、活套等。

恒速传动采用MCC柜控制，并通过MCC柜的远程I/O站与基础自动化系统通讯，节省了大量控制电缆，提高了系统的可靠性，简化了工程设计。

2．2．自动化控制系统
SACL机组的自动化系统分为两级，即基础自动化级（L1）和过程控制计算机级（L2）。

其中基础自动化级包括电气自动化和仪表自动化，电气自动化采用PLC系统用于完成主令控制、顺控、钢卷及带钢跟踪的一级工艺控制；仪表自动化系统采用DCS系统用于完成碱液段、退火段能源介质控制及特殊仪表和成套设备(如CPC/EPC、APC、测厚仪、铁损仪等)的通讯处理。

过程控制计算机级实现对带钢和机组设备的各种参数有长时间的连续记忆功能，对动态过程的干扰量有快速反应的能力。

一方面利用工艺规范和数学模型进行多参数的设定计算，向控制设备下达设定值；另一方面通过测量值收集和分析，执行控制参数的自适应和自学习功能，提高设定值的准确性，实现再控制过程，达到控制目标的最佳化。

自动化控制系统由上位监控计算机、PLC可编程控制器、交流变频调速装置、网络、现场检测设备、现场控制设备等组成。

其中下位机系统使用SIEMENS S7-400 PLC完成现场监测、数据处理；上位机系统采用工业PC机实现对现场数据可视化的监控。

自动化系统网络配置图如下：
3．基础自动化系统
基础自动化系统的主要任务是：与传动、工艺功能和仪表相关的过程控制；设定值和实际值处理；从入口到出口钢卷运输的自动顺序控制；带钢跟踪；工艺参数控制，如张力等；过程监控（HMI）。

SACL机组基础自动化系统由可编程控制器（PLC）和集散控制系统（DCS）共同组成一级自动化系统。

各PLC和DCS都完成相对单独的控制功能。

HMI监控系统通过工业以太网与PLC控制单元和DCS控制单元通信。

每个PLC控制单元通过PROFIBUS-DP现场总线与传动装置、R I/O站和编码器等现场电气设备相连，完成检测和控制功能。

自动化控制单元接收过程计算机和操作工通过HMI监控画面输入的数据，过程信息、机组状态和各种测量值以
符号形式、数值、棒图和图表的形式在HMI画面上显示。

西门子S7-400 PLC与横河DCS 之间通过Modbus点对点通讯。

3．1．PLC控制系统
SACL机组的工艺电气自动化控制系统以采用SIEMENS公司的SIMATIC S7系列PLC 为基础，硬件全部采用标准部件或模块，如机柜、供电装置、CPU、通讯处理器（CP）、功能模块、数字I/O模块等。

S7-400 PLC完成现场监测、数据处理；S7-300 故障安全型PLC用来实现机组急停功能控制，该系统PLC控制器模块配置如下：
PLC1：PS 407 20A 1块
CPU 416-2 3块
DI 1块
COUNTER 4块
CP 443-5 2块
CP 443-1 IT 1块
PLC2：PS 407 20A 1块
CPU 416-2 2块
DI 1块
DO 1块
CP 443-5 9块
CP 443-1 IT 1块
PLC3：PS 407 10A 1块
CPU 416-2 2块
COUNTER 4块
CP 443-5 2块
CP 443-1 IT 1块
PLC4：PS 407 10A 1块
CPU 416-2 1块
CP 441-2 1块
CP 443-5 3块
CP 443-1 IT 1块
PLC5：CPU 315F-2 1块
IM365 1对
DI 6块
DO 4块
CP 343-1 1块
其中每个CPU完成的功能见下表：
PLC序号功能 CPU数量
1 入口段顺序控制 (S7-400)
入口段主令控制 (S7-400)
跟踪控制(S7-400)
1
1
1
2
工艺段顺序控制 (S7-400)
工艺段主令控制 (S7-400) 1 1
3
出口段顺序控制 (S7-400)
出口段主令控制 (S7-400) 1 1
4 介质部分控制 (S7-400) 1
5 急停控制 (S7-300F) 1 3．2．HMI监控系统
HMI人机接口系统作为基础自动化系统重要组成部分，用于控制系统的各种数据的设定、显示、故障报警，以及相应操作和设备的在线调试及维护，发挥越来越重要的作用。

SACL机组电气自动化系统设有1台HMI服务器，3台HMI操作站和1台工程师站。

选用
3COM SuperStack 3 4200系列的以太网交换机作为中心交换机，采用VLAN技术将端口划分成PC机网段和PLC网段。

PC机网段用以连接HMI服务器和HMI操作站，PLC网段用以连接PLC控制器。

监控系统软件采用SIEMENS WinCC V5.1平台；仪表自动化系统设有1台HMI 工程师站，2台HMI操作站。

3．3．工业以太网
目前的以太网交换机技术可以同时传输工业以太网（ISO）协议和TCP/IP协议。

HMI服务器与HMI操作站之间采用TCP/IP协议通讯；HMI服务器与PLC控制器之间采用工业以太网(ISO)协议通讯。

3．4．PROFIBUS-DP网络
按照欧洲标准EN50170的规定，PROFIBUS-DP确保与符合其它制造商标准部件连接的开放性。

系统自动检测某个站点是否已退出网络，某个新站点是否加入网络。

以下站点可以被连接：<1>主站点：PLC、工业PC机、编程器；<2>从站点：传动装置、传感器和执行机构、带PROFIBUS接口的编码器及其它外部系统（如CPC/EPC等）。

4．总体控制思想
SACL机组控制部分从软件功能划分由四个部分来完成，它们是带钢跟踪系统、主令控制系统、顺序控制系统和介质部分的风机、泵等控制。

为了达到控制稳定、操作可靠的目的，以下控制原则得到采用：<1>单体设备可通过HMI输入选定状态下设定为“准备就绪”；<2>故障要经确认后才能再次操作该设备；<3>通过HMI操作站获得实时诊断信息；<4>事故和急停方案。

4．1．带钢跟踪
SACL机组的带钢跟踪系统包括生产线上运行带钢的跟踪和入/出口的钢卷的跟踪。

在基础自动化级的带钢跟踪系统实现的功能是带钢跟踪和动作点。

跟踪功能缴活新的设定值并产生某个动作，如：切换到下卷带钢的新设定值。

跟踪功能也生成重要的触发事件（比如工艺
线上不同工序的张力设定值）并将其传送给主令控制系统。

跟踪信息除传送到L2级机外，还要传送到HMI服务器，并在HMI画面上显示当前生产线的物流状况。

4．2．主令控制
SACL机组的主令控制主要完成与生产线相关的传动设备的控制。

它在基础自动化控制系统中完成较高水平的控制，其中包括带钢的运行控制，传动的协调和线速度运算，与传动装置的控制信号预设定，以及在任意场合基于生产线操作模式变化的工艺控制。

为了确保带钢顺利运行，运行信号和数据一定要被：接收；处理；匹配；传输。

主令实现的功能：
联合点动
操作模式控制
线上传动控制
带钢位置控制
带钢张力控制
多处理器通讯
4．3．顺序控制
SACL机组的顺控功能是完成除了带钢线传动控制以外的所有运转控制。

例如入口步进梁钢卷运输部分控制、出口钢卷运输部分控制和废钢推移控制等等。

5．过程计算机控制
SACL机组的所有设定参数以带钢为单位从L2机获得。

某卷带钢在入口段一经确认，该卷带钢的设定参数就从二级传送给一级。

所有处于入口段（带钢确认点）和张力卷取机之间的带钢的设定值都存储在一个缓冲区里，根据跟踪系统说触发的带钢位置而相应调用。

参数设定值和实际值都在HMI画面上显示。

过程控制计算机为一级机提供来料钢卷的信息（包括钢卷ID号、钢卷种类、钢卷规格等数据）、机组各段张力的设定值、存储原料钢卷和成品钢卷各种数据信息以及带钢同步请求等功能。

二级计算机的主要功能是根据原料数据进行设定
值计算及设定值输出，进行生产信息管理、数据收集、过程跟踪等功能，为操作人员提供操作指导和打印各种生产管理报表。

L2机在与PLC控制器和DCS控制器之间的通讯都采用OPC方式进行通信的。

6．总结
SACL机组的自动化控制系统从硬件到软件都采用了SIEMNES先进的技术和设备，包括控制设备、现场总线和以太网网络技术以及软件控制思想，通过对先进设备和技术的整合使得整个自动化系统网络层次清晰，数据流向明确；整个网络按各自的分工进行工作，保证了整个自动化控制系统的安全、可靠、快速和协调的运行。

同时也带来如下收益：<1>通过张力、速度控制，保证了带钢的成材率和产品质量； <2>采集质量数据，全程跟踪工艺过程，使生产透明化； <3>优化生产和协调，提高了收得率；<4>诊断系统帮助减少维护工作量。

该系统已于2004年8月调试完毕，目前系统运行良好。

【参考文献】
SIEMENS System Manual
SIEMENS Technical Specification。