SIMATIC TDC控制系統在短行程控制中的應用

郭彩霞,程耕國

(1.冶金自動化與檢測技術教育部工程研究中心,湖北 武漢 430081;2.武漢科技大學信息科學與工程學院,湖北 武漢 430081)

隨著國內工業自動化和信息技術應用水平的提高,對數據的大規模應用、采集、遙控處理及管理數據的生成有特殊的設計需求,高水平控制需求逐漸形成。為了滿足工控市場對高性能自動化產品的需求,西門子推出了新一代多處理器自動化系統SIMATIC TDC(technology and drive control,簡稱工藝與傳動控制)控制系統。此控制系統性能允許大型系統的開環控制和監視、閉環控制和計算、信號傳送和記錄及通訊[1],已在金屬冶煉、能源及輸配電領域有廣泛的應用。

在熱連軋粗軋軋制中,帶鋼要經過立輥和水平輥的軋制,通過立輥的大側壓實現對帶鋼寬度的控制。大側壓時,由于帶鋼頭尾部處于無應力狀態,沒有一個力矩能回牽軋件以保持軋件與軋輥的接觸,立軋后這部分金屬向中間非均勻流動、延伸,從而造成失寬。在進入精軋機組前必須切除帶鋼的失寬部分,從而造成切頭切尾損失,降低了帶鋼的成材率[2]。

針對帶鋼頭尾部失寬,可采用短行程控制(short-stroke control,簡稱SSC),SSC主要采用了西門子SIMATIC TDC液壓控制系統。本文將重點介紹SSC控制的原理及該TDC系統的通訊方式、軟件編程以及投入SSC控制系統后的應用效果。

1 短行程控制原理

短行程控制是在立輥大側壓下用于克服帶鋼頭尾部所產生的失寬、提高帶鋼成材率的一項先進技術,它直接關系到板坯切頭切尾的長度,從而影響帶剛的成材率以及經濟效益。其基本思想是:根據帶鋼頭尾部失寬的輪廓曲線,以修正側壓變形量,即當立輥軋機咬鋼時,輥縫比正常軋制時增大,然后隨著板坯頭部的繼續深入,輥縫逐漸地減小。當板坯的尾部到達時,輥縫隨著板坯尾部漸漸離開立輥軋機逐漸增大。再經過水平輥軋制后,使頭尾部的失寬量減小到最低限度[3],從而達到減少切頭切尾的損失,提高主軋線的帶鋼成材率的目的。

短行程控制時,立輥的開口度值的變化是一個多邊形,見圖1,叫做短行程的控制模式。

圖1 短行程控制原理圖Fig.1 T he principle of SSC

圖1中,X1～X4為SSC的距離(從板坯的頭部或尾部計算),mm;Y1～Y4為SSC的控制量,即立輥軋機的開口度,mm。SSC根據對帶鋼的頭部和尾部位置以及帶鋼長度的跟蹤來設定立輥的開口度。

2 SIMATIC TDC控制系統

2.1 系統硬件組態

SIMATIC TDC控制系統主要用于中高速閉環控制和同步化處理,是一種可隨意編程和設計,并支持多處理器的全數字模塊化控制系統,其性能可以在使用全集成自動化系列技術和驅動系統的同時,大大降低成本,提高生產效率和競爭能力。其主要特點是:中央處理器使用64位技術,在一個機架內可以并行運行20個RISC CPU,具有極快的響應時間(采樣時間100 μ s);模塊化的系統結構,硬件可擴展;軟件使用STEP7組態工具進行圖形化組態,用西門子CFC和SFC軟件編程。

粗軋TDC系統的硬件配置組態共使用2塊CPU551模板。第1塊主要負責通信以及AGC(自動厚度控制)、APC(自動位置控制);第2塊CPU主要負責AWC(自動寬度控制)、SSC(短行程控制)、PDA(數據實時跟蹤)。每一塊CPU模板各配1塊程序存儲器模塊MC521,用于存儲程序和硬件組態。為了連接現場I/O信號,配置了2塊SM500模板。另外,還有1塊用于MPI與PROFIBUS DP通訊的CP50M1模板,以及用于以太網通訊的CP51M1模板。

2.2 系統通訊

為滿足現場快速控制、高速通訊的要求,本項目TDC系統采用了以下通訊方式。通過TCP/IP通訊模式接受二級下達的軋制參數,包括理論軋制壓力、軋制速度、出入口側導板的位置值、立輥開口度值、軋制道次值以及自動寬度控制、短行程控制參數值的設定等,同時將各軋輥實際軋制力反饋值、立輥開口度的修正值傳遞給二級工藝模型計算機。在完成此項功能的硬件上插入CP51M1模板并使用ST EP7組態工具進行圖形化組態,在軟件方面,CFC程序調用@local功能塊對應組態,用于初始化和監控工業以太網通訊。使用CTV-P和CRV-P以及DRD-B和DWD-B功能塊實現與連接的CPU間的數據傳輸。

本項目的液壓控制系統由于TDC本身具備模塊化結構,因此使其可以通過SM500信號模板(I/O)及信號轉換裝置直接與外設進行數據交換。SM500模板是用于連接分布式I/O的,除具有16點二進制輸入/輸出以外,還具有8點模擬量輸入/輸出以及4點積分型模擬量輸入,還可連接4個絕對值編碼器和4個增量位置編碼器。短行程液壓控制系統是典型的液壓位置伺服系統,其原理是:帶鋼測寬儀測定板坯的寬度變化,將該測定值反饋給過程機與給定值進行比較,比較結果作為PI控制器的輸入,驅動控制放大器和伺服閥控制流量的輸出,從而控制液壓缸的位移和軋制力的輸出,實現對軋機立輥開口度的控制[4]。在本系統中應用SM500模板傳遞以下幾組信號:電磁閥和鎖定閥的控制開關量輸出,熱金屬檢測儀的位置編碼器輸入,液壓缸位移值及軋制力值的輸出,伺服閥的開口度控制量輸出等。

2.3 SSC控制的軟件編程

1)以E2立輥處的頭部短行程控制為例。因偶道次軋制沒有改變帶鋼的寬度,所以SSC控制只對E2立輥處的奇道次軋制有效,故需對軋制道次進行判斷。

2)在E2輥道前方3.58 m處放置一熱金屬檢測儀跟蹤帶鋼的頭尾部,隨著帶鋼的軋制,當帶鋼頭部到達立輥前的熱金屬檢測儀時,熱金屬檢測儀啟動,跟蹤帶鋼頭部,并根據帶鋼線速度(mm/ms)計算帶鋼頭部離E2立輥的距離。

3)帶鋼頭部立輥開口度修正值的計算。取同一規格尺寸的板坯,把板坯頭部分為幾個區間,計算出每一區間內板坯寬度的平均失寬值,以及整個板坯頭部的平均失寬值,即為SSC修正值。計算方法如下[5]:首先,為了剔除實測數據中的異常數據,對采樣到的寬度偏差值進行平滑處理。

式中:ΔRW(i)為采樣到的粗軋出口寬度偏差值,mm;S為板坯頭部非穩定部分的結束點;NH為板坯頭部穩定部分的結束點;i為采樣數據的序號。

然后,計算寬度偏差值的平均值

式中:ΔRWAV為寬度偏差的平均值,mm;NE為異常數據的個數。

4)立輥開口度補償。根據帶鋼頭部離E2立輥的距離,判斷帶鋼位于板坯的哪個區間,再參照帶鋼頭部SSC控制的對應修正量對立輥開口度做相應值的調節。并對SSC寬度修正量設定上下極限值,當失寬量超出極限值,即以極限值進行補償。圖2為開口度值的補償程序。

圖2 開口度值的補償程序Fig.2 The compensation program of opening deg ree value

3 SSC控制投入效果實驗評估

選取了同爐號、同鋼種、同減寬量、同板坯規格和成品規格的連續6塊鋼對E2 SSC投入的效果進行評估。SSC控制與帶鋼軋制力、帶鋼寬度的關系曲線如圖3所示。

圖3 SSC控制與帶鋼軋制力、帶鋼寬度的關系曲線Fig.3 The curves of SSC,strip rolling force and strip width

在軋制過程中,當軋輥咬鋼時,軋制壓力立即增大,帶鋼寬度立即有偏差,這時TDC SSC控制系統立即響應,對立輥開口度值進行相應的修正,在經短暫(＜5 ms)的波動后,寬度曲線趨于穩定。在拋鋼階段,同樣由于軋制壓力的急劇變化,寬度又有波動,SSC控制系統也會快速響應。此曲線表明,TDC SSC控制系統有效地對帶鋼頭尾部失寬進行修正。

表1為針對6塊鋼進行E2 SSC的切除和投入的統計結果。

表1 E2 SSC的切除和投入的統計結果Tab.1 E2 SSC excision and input statistical results

圖4、圖5是這一批次投入和切除E2 SSC的板坯頭部/尾部寬度與全長平均寬度比較的比對結果。

圖4 頭部寬度比對結果Fig.4 The ratio results of head width

圖5 尾部寬度比對結果Fig.5 The ratio results of tail width

從圖4、圖5的結果來看其曲線都是上升趨勢。這說明投入E2 SSC后,進入精軋前的帶鋼頭部寬度和全長平均寬度的差值在減小,E2 SSC功能對帶鋼頭、尾部寬度偏窄的問題有明顯的改善作用。

4 結論

基于SIMATIC TDC的SSC控制系統,硬件配置先進,軟件控制功能完善,具有穩定可靠的技術性能,其主傳動系統控制響應大大提高,并且能夠對帶鋼頭尾部失寬進行快速、有效地修正,對提高帶鋼的成材率和工廠的經濟效益有積極的意義。

[1]鮑伯祥,陸章杰,王世寧.西門子 TDC編程及應用指南[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[2]吳建峰.寶鋼2050熱軋短行程控制模型研究[J].冶金自動化,2003(6):18-23.

[3]劉太中,周旭東,劉相華,等.熱連軋粗軋短行程控制全程優化[J].鋼鐵研究學報,2002,14(4):52-55.

[4]陳章位,陳為國.熱軋立輥短行程液壓控制系統特性研究[J].鋼鐵,2003,38(9):62-66.

[5]劉 玠,孫一康.熱軋生產自動化技術[M].北京:冶金工業出版社,2006.