西昌鋼釩公司2030冷軋連退工程項目產(chǎn)品以汽車板為主，設(shè)計年生產(chǎn)規(guī)模為94萬t，主要品種包含低碳鋼、沖壓用鋼、深沖鋼、超深沖鋼、烘烤硬化鋼、高強度鋼、TRIP和雙相鋼等。產(chǎn)品厚度規(guī)格為0.35～2mm，寬度規(guī)格為870～1870mm。

　　摘要：介紹了西門子S7-400控制系統(tǒng)在攀鋼西昌鋼釩1#連退機組的設(shè)計和應(yīng)用。重點闡述了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計論文,基礎(chǔ)自動化,連退,過程數(shù)據(jù)收集

　　0引言

　　該機組按冷軋?zhí)幚砭�常規(guī)劃分方式分成入口段、中央段及出口段。

　　1控制系統(tǒng)構(gòu)成

　　該機組的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)圖如圖1所示：

　　整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分為PLC系統(tǒng)、二級服務(wù)器及交換機、現(xiàn)場操作室HMI。相互間使用網(wǎng)絡(luò)連接。PLC系統(tǒng)設(shè)有6套S7400PLC，配置1套過程數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)（PDA）。每套PLC之間、PLC與過程計算機之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換。

　　基礎(chǔ)自動化主要進行電氣自動控制和儀表自動控制。根據(jù)12下達的生產(chǎn)計劃、設(shè)定值、操作工的操作指令、現(xiàn)場傳感器的檢測信號等控制現(xiàn)場設(shè)備運行，對各種工藝設(shè)備的過程信息進行檢測、收集、顯示、記錄以及數(shù)據(jù)的實時處理，實現(xiàn)各種工藝設(shè)備的運轉(zhuǎn)控制、動態(tài)調(diào)節(jié)以及工藝過程的自動調(diào)節(jié)控制，完成對生產(chǎn)過程的控制。同時PLC系統(tǒng)還要完成帶鋼跟蹤、實績數(shù)據(jù)的采集等工作。操作員也可以通過HMI修改L2的設(shè)定值。基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)采用西門子SimaticS7控制系統(tǒng)，完成機組的邏輯順控、協(xié)調(diào)控制、電機變速控制、自動化過程控制及數(shù)據(jù)收集。通過控制網(wǎng)交換信息，完成各控制器與HMI、變頻器間的信息傳遞。

　　基礎(chǔ)自動化PLC通過配有的HMI服務(wù)器和客戶機系統(tǒng)提供給操作者對生產(chǎn)線的監(jiān)控和操縱功能，對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種信息等根據(jù)分類進行管理，比如進行報警和警告。通常，在PLC系統(tǒng)中，操作幾乎都是通過HMI（人機接口）的顯示屏和鍵盤實現(xiàn)的。幾乎所有的操作和機組故障監(jiān)視都是操作員用操作模式選擇、開/關(guān)選擇、過程設(shè)定參數(shù)修改、故障復(fù)位等和監(jiān)視過程狀態(tài)、過程數(shù)據(jù)、設(shè)定參數(shù)、故障等實現(xiàn)。

　　在這些系統(tǒng)中，所有需要的畫面，都用操作模式、關(guān)聯(lián)開關(guān)、過程數(shù)據(jù)、故障報警等在液晶屏上顯示。操作員能用鼠標(biāo)和鍵盤在相關(guān)的部分操作，如模式選擇、順序流程啟動/停止、傳動系統(tǒng)啟動/停止等。畫面系統(tǒng)主要提供了下列的內(nèi)容：

　　生產(chǎn)線總覽，全線帶鋼跟蹤總覽，在屏幕上顯示重要操作數(shù)據(jù)。

　　焊縫跟蹤，顯示鋼卷焊逢的位置和狀態(tài)。

　　信息管理，監(jiān)視和分類從控制系統(tǒng)來的報警、瞥告、過程信息等。

　　儀表控制總覽，提供液壓等部分的儀表監(jiān)控。

　　輔助系統(tǒng)控制，提供輔助設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和啟動/停止控制。

　　配置的PDA過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過DP總線方式允許直接訪問S7的內(nèi)部變量，可以對基礎(chǔ)自動化中的運行數(shù)據(jù)進行高速在線數(shù)據(jù)的收集、監(jiān)視、事故記錄和數(shù)據(jù)的離線分析（數(shù)據(jù)采樣周期約為幾十ms），便于調(diào)試與維護人員實時分析或事后對生產(chǎn)線的各種情況做出分析。

　　由于本機組具有很高的處理速度，在高速處理線中，對帶鋼的穩(wěn)定運行傳動系統(tǒng)起著很重要的因素。因此，高精度和高響應(yīng)的控制系統(tǒng)需要應(yīng)用在機組傳動控制的傳動系統(tǒng)中。為此在機組傳動系統(tǒng)中采用了德國西門子AFE控制變頻器S-120和G-130系列。配合控制高性能變頻調(diào)速電機。

　　2控制系統(tǒng)完成的功能

　　自動控制功能為機組提供所需要的功能，如張力控制、邏輯順序、機組同步、調(diào)速電機控制、過程控制和數(shù)據(jù)收集。系統(tǒng)通過高速以太網(wǎng)通信。

　　自動控制系統(tǒng)總共設(shè)有6套S7400PLC，共分13塊CPU組成，為西門子S7-416-2CPU13塊，其中S7300F319-2DP1塊，其主要功能分擔(dān)如下。

　　PLC1：入口段，順序，鋼卷入口，線上協(xié)調(diào)，主斜坡發(fā)生器，帶鋼定位，張力控制，入口液壓.

　　PLC2：工藝段，順序，線上協(xié)調(diào)，主斜坡發(fā)生器，帶鋼定位，張力控制，

　　PLC3：原料跟蹤-數(shù)據(jù)處理，清洗段和平整機的檢測和控制系統(tǒng)

　　PLC4：出口段，順序，鋼卷出口，線上協(xié)調(diào)，主斜坡發(fā)生器，帶鋼定位，張力控制，出口液壓

　　PLC5：平整機，軋輥換輥，液壓

　　2.1順序控制系統(tǒng)

　　順控CPU是基礎(chǔ)自動控制中最基層的控制器，主要完成順序控制和具體設(shè)備的動作。順控的控制對象為與生產(chǎn)線的速度、張力無關(guān)的設(shè)備，例如：換向閥、比例閥、MCC、非線上的變速電機。如夾送輥、壓輥的打開/關(guān)閉，入出口的小車、步進梁、圓盤剪、助卷皮帶等動步的順序控制（自動步清單，參考各段順控系統(tǒng)說明），以及液壓站、潤滑系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)等MCC的控制，根據(jù)現(xiàn)場狀態(tài)，將來自操作臺或由LCO發(fā)來的命令結(jié)合安全聯(lián)鎖信號后，對現(xiàn)場具體設(shè)備發(fā)出動作命令，同時監(jiān)視其反饋信號，并在HM1畫面上顯示。

　　現(xiàn)場所有的ET200站都連接到各段的順控CPU，信號由該CPU傳輸給LCO、MTR。

　　順控CPU還擔(dān)負除張力計外所有第3方單體設(shè)備接口的任務(wù)，它將第3方設(shè)備的信號傳遞給LCO、MRG、MTR、L2。

　　2.2主線控制系統(tǒng)

　　主控系統(tǒng)完成兩方面的工作，一種是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（LCO），另一種是主令速度生成系統(tǒng)（MRG）。

　　在機組的每一個控制區(qū)域，主控系統(tǒng)執(zhí)行的是一種相對高級的控制功能，主要負責(zé)所有帶鋼傳輸設(shè)備的分配和協(xié)調(diào)，以確保一個最優(yōu)化的帶鋼移動控制。

　　根據(jù)不同的操作模式，設(shè)定值的分配和機組的操作將分別通過過程控制計算機（12）、HM1或通過操作臺/盤/箱完成。

　　主控系統(tǒng)的主要功能包括：操作模式處理、速度控制、點動控制、傳動控制、定位控制、張力控制、通信。（1）機組協(xié)調(diào)控制LCO

　　LCO是人與機器之間的接口，它接收機組操作員的指令，協(xié)調(diào)機組的運行，并向MRG下達設(shè)定值。LCO的主要功能包括：操作模式處理；機組運行的啟動和運行等聯(lián)鎖條件的檢查和確認；操作指令及設(shè)定值的選擇和下達（到MRG），包括速度、加速度、張力、定位等；生產(chǎn)線輔助傳動（壓輥、穿帶設(shè)備、矯直機等）控制命令的產(chǎn)生；穿帶、甩尾、定位等自動順序控制；傳動的接通、關(guān)斷控制及狀態(tài)監(jiān)視；成組點動操作；單獨點動操作；帶鋼位置的監(jiān)視；HMI和操作臺接口；與其他設(shè)備的接口處理。

　�。�2）機組的斜坡生成MRGMRG稱為主令速度生成系統(tǒng)。MRG執(zhí)行LCO（生產(chǎn)線協(xié)調(diào)控制）的命令和設(shè)定值，并將設(shè)定值經(jīng)過處理后，發(fā)送給相關(guān)的傳動，完成帶鋼傳送設(shè)備（一般是指傳動）的控制。

　　MRG的主要功能包括：速度和加速度斜坡的產(chǎn)生；根據(jù)LCO的設(shè)定，進行帶鋼尾部的自動減速；根據(jù)LCO的定位設(shè)定，進行帶鋼的自動定位；張力的斜坡處理以及開卷機、卷取機、活套、張緊輥等的張力控制；帶鋼的斷帶檢測；活套的自動位置控制；傳動控制及通信處理。

　　2.3系統(tǒng)設(shè)計要點

　　由于連退機組在正常生產(chǎn)運行時，中央段（爐段）對帶鋼做退火的加熱段溫度極高，其帶溫可達到soot以上，并且退火爐升降溫時間曲線長。而如果帶鋼過長時間處于高溫下，就容易發(fā)生高溫瓢曲，從而影響板形質(zhì)量甚至發(fā)生爐段斷帶。另一方面，帶鋼在加熱退火后變軟，表面有固熔碳和鐵粉析出，相對波動較大的張力也會對帶鋼表面質(zhì)量有影響，以及過大的波動導(dǎo)致帶鋼被拉斷而停機。因此連退機組的控制系統(tǒng)在設(shè)計時就需要考慮盡可能地保持機組的平穩(wěn)運行和張力穩(wěn)定。

　　提高機組自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性、容錯性，可以從多方面入手，例如合理的基礎(chǔ)自動化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、錯誤的傳感器信號反饋、主線普通變頻電機的故障（非張力輥）等。

　　目前業(yè)界基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)使用最為廣泛的就是分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為屏蔽雙絞線的西門子Profibus-DP電纜在現(xiàn)場應(yīng)用中還是很容易受到各種各樣的干擾影響，降低了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)首先通過在系統(tǒng)中使用光纖/DP轉(zhuǎn)換模塊，以光纖做長距離通信介質(zhì)替代DP電纜，縮短DP線長度，同時提高網(wǎng)絡(luò)速度，達到更加優(yōu)化的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，在現(xiàn)場安裝時期，通過嚴格監(jiān)控安裝質(zhì)量，使網(wǎng)絡(luò)獲得良好的屏蔽接地效果。再有，在現(xiàn)場調(diào)試階段，發(fā)現(xiàn)以DP作為接口的檢測元件，如位置傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器等，在自身受到輕度干擾時，會干擾到所在的整個網(wǎng)絡(luò)。于是經(jīng)過分析調(diào)整，將各PLC區(qū)域的類似元件進行整理，分區(qū)域匯總到獨立的網(wǎng)絡(luò)中，隔離與其他遠程站間的影響。通過以上幾步，在系統(tǒng)中有效減少了網(wǎng)絡(luò)線受到干擾的幾率。

　　對于入出口段最多的類似壓輥打開或關(guān)閉反饋等不影響機組運行和設(shè)備安全性的錯誤信號，在機組已處于正常運行時，則僅在HMI畫面上給出指向明確的報警。機組轉(zhuǎn)運帶鋼的傳動設(shè)備在正常運行時也會由于各種原因而導(dǎo)致出現(xiàn)故障，考慮到這種情況，在設(shè)計時除功率較大、較重要的傳動設(shè)備，如各張力輥、開卷機卷取機、活套卷揚電機等具有氣動或電動抱閘外，其余大量較次要的傳動設(shè)備并未設(shè)計帶有抱閘裝置。這樣當(dāng)這些設(shè)備在機組運行出現(xiàn)故障后，自動控制系統(tǒng)將僅給出報警，并自動把該傳動輥當(dāng)做機組無傳動的隨動輥繼續(xù)運行。

　　帶鋼的張力波動主要來自外部擾動以及對擾動的過度響應(yīng)，如機組的加減速、電機響應(yīng)的不匹配、張力調(diào)節(jié)器參數(shù)不合適等。

　　機組加減速的速度設(shè)定來自于主令速度斜坡發(fā)牛器MRG.采用對速度的S曲線算法.有效減小了加減速對張力的影響。

　　電機響應(yīng)的匹配基本上在現(xiàn)場調(diào)試期間加以完成。通行做法為：首先是做無負載的電機單體調(diào)試以測定電機基本參數(shù)；然后將輥子或機械設(shè)備與電機通過接手連接后運轉(zhuǎn)，調(diào)整傳動PI等參數(shù)，以獲得一個較好的電機階躍響應(yīng)曲線和穩(wěn)態(tài)曲線；接著借助實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（PDA）對同一區(qū)域電機還需做同步調(diào)整，以確保同區(qū)域的電機帶機械運轉(zhuǎn)時能夠在同一個設(shè)定值曲線下?lián)碛锌焖僖恢碌捻憫?yīng)曲線和穩(wěn)態(tài)曲線；在帶上帶鋼和穿帶冷負荷運行時，尚需再次在PDA的協(xié)助下對電機響應(yīng)做微調(diào)，以達到最終同區(qū)域的電機運行穩(wěn)定步調(diào)一致。

　　通過以上幾種措施，既有效減少了機組的停機時間，又獲得了較穩(wěn)定的運行張力曲線，保證了生產(chǎn)平穩(wěn)并提供設(shè)備維護人員修復(fù)時間。

　　3實施效果

　　西門子控制系統(tǒng)具有開放性好，工程技術(shù)人員易于掌握，具有良好的技術(shù)支持等優(yōu)點。本系統(tǒng)將于2014年6月投入生產(chǎn)。

　　參考文獻：寶鋼2030新增連退機組基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)

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