冷轧与卷取电气自动化控制的实践

冷轧与卷取电气自动化控制的实践

1在国内的控制电气自动化系统的应用情况西铜公司板带车间的1台初级机械系统采用原苏联交磁积大系统，原台机器为2950吨。无法购买必要的系统维护维护所需的备品，能源消耗远远超过同行的标准。根据该项目电气自动化系统的技术要求,我公司先后参考了“包钢带钢厂冷轧连续纵剪电气自动化系统”,“上海三冷带连续酸洗冷轧机及四辊冷轧机电气自动化系统”,“上钢五厂带钢厂四辊冷轧机恒张力控制电气自动化系统”,“凌钢冷带厂四辊冷轧机恒张力控制电气自动化系统”,“泰安山口冷轧带钢厂四连轧电气自动化系统”等相关项目,特制定出本技术方案。目前国内的电控系统在诸多大中型冶金企业的实际应用中被证明是成功的,并通过了国内自控领域专家的鉴定。经过对冷轧机及卷取机恒张力控制实际应用的锻炼与考验,我们公司必将对工艺要求有更加清晰的认识、对冷轧与卷取电气自动化控制积累丰富的经验。2带材卷取机+压延机许多带材类的生产线中,有各种开卷机和卷取机,为使带材卷得紧而齐并改善产品质量(例如带材表面平整、厚度均匀等),均需卷取机(开卷机)与压延机(或张力辊)之间维持张力恒定。张力控制方法可分为间接法和直接法两类。目前绝大多数张力控制系统均采用间接法。2.1卷径d的测量图1为卷取机传动机构示意图,电动机的转矩为:Mo=KmΦIa=TD2i+Mo±Md(kg⋅f⋅m)Μo=ΚmΦΙa=ΤD2i+Μo±Μd(kg⋅f⋅m)式中:Mo-空载转矩,kg·f·m;T-张力,kg·f;Φ-电动机磁通,Mx;Md-动态转矩,kg·f·m;D-带卷直径,m;Ia-电动机电枢电流,A;i-减速比,Km-电动机的结构常数,kg·f·m。在恒速卷取(Md=0)并忽略Mo的情况下,张力为:T=2KmiΦIaD=KIΦIaDΦΙaD=ΚΙΦΙaD由上式可见,要维持张力恒定有两种方法:⑴维持Ia=常数和ΦD=ΦD=常数。⑵使Ia正比于DΦDΦ。2.1.1维持Ia恒定和ΦDΦD恒定通常控制系统由下述两个独立的部分组成:⑴电枢电流控制部分:维持Ia=常数,靠调节电动机电枢电压来控制;⑵磁场控制部分:维持ΦD=ΦD=常数(使Φ正比于D的变化),靠调节电动机励磁电流来控制。上述两部分中,电枢电流控制部分是主要的。因为电枢回路电阻小,电枢电压或电势(转速)的微小变化都会引起Ia的很大变化,因此它调节灵敏而反应快。磁场控制部分仅在卷径变化时才起作用,变化较慢。这种控制方法的优点是直观,Ia∝T;Φ∝D。其缺点是:⑴电动机转矩利用不充分,不论高速还是低速,只要不在最大卷径,电动机就弱磁工作;⑵由于Φ∝D,所以电动机弱磁倍数等于卷径变化倍数,当卷径变化倍数大时,要求电动机弱磁倍数也大,使电动机体积增大;⑶这种控制方法要求按最高工作速度Vmax和最大张力Tmax的乘积来选择电动机的功率(PDM=Tmax×Vmax)。而实际上两者并不同时出现,一般高速时带薄,要求张力小,因此电动机的功率不能充分利用。2.1.2使Ia正比于ΦDΦD这种方法又称最大转矩法,目的是合理使用电动机的功率。这种系统和通常的非独立控制调速系统一样,基速以下,电动机满磁工作。在基速以上靠电枢电压U(或电势E)再通过ΦGT使电动机弱磁工作。所不同的是在正常卷取工作时转速调节器ST饱和,其输出Ig等于限幅值,而这个限幅值的大小是通过除法器给出并与DΦDΦ成正比的值。用LT维持Ia=Ig∝DΦΙa=Ιg∝DΦ,从而实现恒张力控制。与前述一致,转速调节器ST在正常张力控制过程中不起作用(其输出饱和),它仅用于实现冲动工作和限制断带后的转速上升。这种系统无论卷径大小,基速以下电动机均满磁工作,这样可以合理利用电动机的功率。由于弱磁倍数与卷径D无关,因而可选用弱磁倍数小的标准系列电动机。其缺点是,电枢电流与张力无对应关系,若无张力计指示,操作人员难以知道突时张力究竟是多少。在某些小功率的简单系统中,往往希望电动机恒励磁工作,省去调磁部分。由于Φ=常数,所以只要使Ia∝D,便可控制张力恒定。2.1.3卷径的测量由于间接法是一种张力开环扰动补偿方法,其构成原则是使电动机参量(Ia和Φ)变化与张力各扰动量相补偿,影响张力扰动的主要有:⑴带卷线速度v的变化;⑵带卷直径D的变化;⑶机械传动系统转动惯量的变化;⑷机械损耗的变化。因此,张力控制的精度取决于电流调节系统和磁场调节系统对上述各扰动量的补偿程度,同时还取决于DΦDΦ环节。而DΦDΦ环节的构成又决定于卷径D的测量和磁通Φ的取得。卷径D的测量是卷取机张力控制系统中的一个特殊技术问题。可用直接测量方法,利用压在带卷上的滚轮带动位置传感器,发出一个与带卷直径成线性关系的控制信号;也可采用间接测量方法,故可通过测量卷取线速度v和卷取机转速n,通过除法器取其比值。对于间接测量方法,简单地用除法器来完成上述运算还不行。因为在停车时,v=0,n=0,除法器不能工作,这就需要对vnvn的数值进行记忆。于是根据不同的记忆方法,又有四种间接测量带卷直径的方法:⑴用电动变阻器应用记忆;⑵用积分器保持特性进行记忆;⑶用计数器记忆;⑷位置式数字卷径记忆。2.1.4动态补偿和空载补偿以上都是忽略了动态转矩Md和空载转矩Mo的影响。恒速卷取及大张力工作的情况下这些影响较小,可以忽略。但在加减速过程和小张力卷取时就需要采取相应的补偿措施,即加入动态转矩补偿或空载转矩补偿。⑴电动机的动态转矩为:Md=GD1375⋅dndt=K2⋅GD2D⋅dvdt=f(D)dvdtΜd=GD1375⋅dndt=Κ2⋅GD2D⋅dvdt=f(D)dvdt式中的卷取机转动惯量GD2也是随卷径D而变化的量,由于Md=KmΦId,故:电动机的动态电流为:Id=MdKmΦ=f(D)KmΦ⋅dvdtΙd=ΜdΚmΦ=f(D)ΚmΦ⋅dvdt动态补偿大都作用于电流调节器。通常是在给定电流信号Ig上,附加一个与f(D)KmΦ⋅dvdtf(D)ΚmΦ⋅dvdt成比例的动态分量Igd来实现,它是通过用函数发生器和乘法器进行一系列运算而获得,结构较复杂。⑵电动机的空载转矩补偿也是作用于电流调节器,在给定电流信号Ig上通过附加一个空载电流分量Igo来实现,但实际的空载电流大都是随电动机转速n的变化而变化,用一个恒定量或一个与速度成线性的量来补偿的方法都是粗略的。2.2张力及张力控制张力控制中常用的直接法有两种:⑴利用张力计测量实际的张力,并作为张力反馈信号以控制张力恒定;⑵利用活套建立张力,由活套位置检测器给出信号,改变卷取机的速度,维持活套大小不变,也即控制了张力恒定。直接控制法优点是控制系统简单,避免了卷径变化、速度变化及空载转矩等对张力的影响,精度较高。但是不易稳定,特别是对于张力计反馈的系统,在建立张力过程中,有时容易产生“反弹”现象,即加上张力给定后,开始带材还松弛,没有张力,卷取机加速,带材一拉紧,张力反馈突然投入,迫使电动机减速,带材又松开,张力反馈又消失,电动机又加速,如此反复,结果带材一紧一松来回反弹。因此,通常采用直接法的系统要设法先建立起张力,待建立稳定的张力后,再将张力闭环系统投入。有的张力控制系统采用直接和间接混合控制,在简单的间接张力控制系统基础上,再加上直接张力控制系统作为细调。本方案采用间接最大转矩法控制卷取机张力系统的基础上,附加直接张力控制系统作为细调,并通过西门子全数字调速装置6RA70来实现恒张力卷取,控制精度高,系统易于实现。我们用该设计方法应用于四辊可逆冷轧机组,一定会取得令人满意的控制效果。3该计划表明3.1操作要求⑴电机起停、运行逻辑控制。在主操作室对主辅传动电动机进行单机合分闸、起停车、正反爬行以及联合起停车、事故急停操作等;⑵卷取机的穿带上料、下料、正反向点动等逻辑控制;⑶卷取机与主轧机之间建张、恒张力卷取等控制;⑷左右卷取机的工作模式切换;⑸喂料与正常轧制速度切换、高速与低速切换;⑹速度与张力设定值的修改,实际速度、电流及张力的显示等;⑺断带防飞车保护;⑻与轧线液压润滑系统、电机冷却系统、主电机测温点以及水、气等联锁;⑼通过上位机对轧制数据进行修改、存储、显示及管理。主操作台设有上位机一台,按轧制程序表形式给出相关工艺和电气参数,如主轧机辊径、卷筒芯径、张力设定及速度设定等参数,显示直观,修改、存储简便。轧制不同品种,调用对应的轧制表。便于管理,经过摸索、修正,最终积累出适合于不同品种、不同轧制参数的完善轧制程序表。数据与故障信息采集及生产管理,模拟轧线控制系统状态信息画面监控,完成监控、维护及故障记录。3.2分布式通讯监控系统根据我们的经验,在该轧机轧线网络方案的选取上,采取最适合于工厂实时控制,并且在当今国内外应用率最高的PROFIBUS-DP网和西门子MPI网,组成两层分布式通讯网络系统,分别用于现场控制和过程管理与监控。整个自动化系统由三级控制系统和两层通讯网络构成。3.2.1三级权限管理系统三级控制系统由人机接口(HMI)、基础自动化系统(PLC)和调速传动控制系统(6RA70)构成,分别完成各自的控制功能。3.2.2工艺参数设定值和对设备的操作自动化系统通讯网络分为两层:第一层:人机接口与PLC之间及PLC彼此之间联成MPI网,实现彼此的信息交换。通过MPI网,把轧制工艺参数设定值和对电气设备的操作从人机接口传送到各PLC,把各设备的状态和工艺、电气参数及故障由PLC收集送到人机接口的CRT显示。PLC彼此之间也通过MPI网实现控制及数据的传送。第二层:PLC与各自的远程I/O站之间和调速传动之间采用ProfiBus-DP通讯网络,PLC把设定参数和控制指令传送到各调速传动系统,并收集各调速传动系统的状态和电气参数送到人机接口的CRT上显示。3.2.3基于序的监控配置1台笔记本电脑作为编程器,对程序进行修改与监控。编程软件采用STEP7,具有梯形图、语句表、功能框图等语言,功能强大、编程灵活方便。3.3ra60全数字直流生物本方案中直流传动系统全部采用西门子公司最新推出的6RA70全数字直流调速装置,已有多家公司在国内连轧生产线(马钢方坯、国丰带钢、包钢棒材等)成功应用,具有很高的调速品质和性能,是西门子公司推出的换代产品。3.4操作完成后全线的操作系统由操作员站、操作台和机旁操作箱构成。3.4.1液压系统故障在设备起动/动作和轧制之前,要检查影响其运行的有关条件,包括:查润滑系统。为保护主电机和机械设备,润滑系统必须正常工作。当润滑系统发生故障时,给出报警信号,并经过延时后,自动停止所有相关设备的运行。查液压系统。液压系统故障将使相关设备不能正常动作。当液压系统发生故障时,要封锁相关设备的动作,保持当前状态。查调速传动系统严重故障。当发生下列故障时,要立即切断电机的电源:6RA70全数字控制装置故障;晶闸管快熔断等。当发生上述故障时,要紧急停止相关区域内各设备的运行,防止损坏轧机设备。查调速传动系统起动和运行条件。当发生下列故障时,电机将不能起动和运行:通风故障;超温;润滑、液压故障等;电压联锁等。如果电机已经运行,给出报警信号,并当轧件出了轧机后,电机停止运行。3.4.2急停启动后,电机产生相应动作急停是一种安全性操作,用于安全性和有可能损坏设备的场合。急停一启动,将不能被中断。急停启动后,将产生下列动作:有关的轧机传动系统以特有的急停给定积分停止电机运行。对于电磁阀:由PLC顺序地停止运动,但不分断液压泵交流电机的供电。3.5技术特点3.5.1模拟系统到数字系统的台阶系统是由具有处理现场总线特性的PROFIBUS网络组成的集散控制系统(DCS),跨跃了从模拟系统到数字系统的台阶,不同于以往的集中控制系统或以前的对等网络或主从网络,现场信号被智能的电气终端(例如:6RA70装置)自动进行处理,而不必请求主站干预,但受到主站的宏观控制,这样主站可节省大量时间处理更多、更紧要的任务(例如套高闭环计算、微张力计算等)。3.5.2自身的原因调节柜统一采用西门子6RA70全数字直流调速装置,具有很高的可靠性。⑴接口能力强。开关量输入、输出,模拟量输入、输出具有测速机和编码器两种测速反馈。具有单独上网能力。⑵保护性能强。6RA70本身具有故障标号,运行中检查的故障多,故障分类清楚,故障提示信息多,便于故障处理。保护的灵敏度、动作的可靠性都是目前最好的。主要保护有:过流、过压、过速、失磁、断电、测速机断线、堵转、电机过热、功率柜过载等。⑶软件性能优越。本身具有操作面板,同时,提供一套完备的软件包,可在微机上调试编程诊断。本身具有软件保护设置以保证软件的安全;具有四种自动优化功能,使调试时间缩短,在轧机控制中有很高的精度。⑷可靠性高,故障率低,并在国内具有强大的技术服务和销售网。3.5.3使用网络可以提高可靠性和耐受攻击性，从而降低设备成本由于采用集散控制模式,大大减少了控制电缆的数量,使总投资降低。3.5.4监控高效的监控主机以及实现高效的节省成本CPU315-2DP是S7系列PLCwithDPport系列中较快的CPU,由于使用了处理现场总线技术的PROFIBUS网,大量信号在现场已被处理完毕,所以使用该系列CPU即可完成具有如此庞大运算任务的工程,为厂家节省成本。另外,PROFIBUS网络的短小桢结构可以使得网络通讯速度最高。3.5.5大量联网点线网络故障下的故障,有利于网络运行网络传输是将大量的“信息”编码传送,从而取代电气终端间的电气连线(例如操作台到可控硅室等大量的、远距离的、点对点连线),这不仅节省了导线,而且使节点端子减少,从而降低了故障率,减少了检修工作量。网络上某一站点故障或检修,不影响整个网络的运行。数字系统与模拟系统的一大差别就是不会产生