熱平整分切機組自動化控制系統

董國龍，趙 波

1.牡丹江恒豐紙業股份有限公司工程師，黑龍江 牡丹江 157013

2.牡丹江恒豐紙業股份有限公司助理工程師，黑龍江 牡丹江 157013

熱平整分切機組是熱連軋生產線后續的精整加工作業線。用來在常溫狀態下，將熱軋后的優質碳素結構鋼及低合金高強度鋼鋼卷進行平整或矯直重卷，以提高板材的表面質量及機械性能，或矯正帶鋼卷曲應力和翹曲并分成小卷。

1 工藝控制

1.1 主要設備組成

平整分切機組由入口鋼卷運輸機、上卷小車、開卷機、矯直機、入口側導裝置、平整機、液壓分切剪、料頭處理及取樣裝置、檢查臺、出口側導裝置、出口張力輥、卷取機、卸卷小車、出口鋼卷運輸機等設備組成。

1.2 工藝控制流程

機組設備在操作上分為手動及自動控制。手動控制時，在操作臺上人為給定及控制各設備的單動及聯動；自動控制時是根據HMI中錄入的平整規程設定表自動控制設備聯動。

入口鋼卷運輸機將鋼卷通過步進的方式，從1#卷位運到6#卷位并將帶卷旋轉至與卷筒同向。上卷小車將鋼卷送往開卷機，對中后，帶卷上到開卷機卷筒中心，帶頭經過入口導板臺及入口偏導輥進入矯直機。液壓剪入口光電開關檢得帶頭，液壓剪夾送輥落下，手動控制剪切帶頭。

剪切過的帶鋼頭部送過檢查臺至出口側導裝置，由出口側導裝置對中后進入張力裝置；上偏導輥壓下，將帶材頭部通過出口導板臺導入至卷取機鉗口處；卷筒鉗口咬住鋼板后，卷筒漲徑，出口導板擺下。卷取機鉗口夾住帶材卷取兩至三圈后停止、穿帶結束。

機組選擇聯合工作方式。全部輔助設備手動或自動回位。

待聯合啟動條件具備后，平整機AGC系統投入，平整機由位置閉環切換到壓力閉環，在HMI畫面選擇延伸率自動控制是否投入；待平整力建立后，按下“建張”按鈕，機組自動建張，CPC對中裝置投入自動工作，由對中液壓缸給予糾正；機組聯合啟動并升速到設定速度。在平整過程中，根據板形的情況調整彎輥力及軋輥傾斜。在平整結束前，平整機由壓力控制自動切換為位置控制。

當卷取一定帶卷后，可以進行手動分切，或按設定條件自動停車分切。注意：必須將機組工作方式開關打至分切方式，停車并撤張后，方可剪切。

分切后，重復前述穿帶、建張、升速啟動過程。降速甩尾時，機組自動減速停車。當帶尾轉到設定位置后，卷取機停車，自動或手動卸卷。出口鋼卷運輸機通過步進方式將鋼卷向后運送并旋轉方向。運送過程中完成稱重、打捆和打印。最后由成品庫吊車吊運入庫。

2 自動化控制系統

熱平整分切機組自動化控制系統采用高性能工業控制計算機及可編程序控制器（PLC)，自動化系統為分布式網絡結構。

整個自動化系統由三層通訊網絡構成（見圖1）。

（1）信息控制網

PLC與AGC控制系統、HMI之間通訊采用工業以太網 (EtherNET/IP)網絡通訊架構。其中，EtherNET/IP是一個既可以進行控制操作又可以實現數據傳遞的網絡，能夠充分保證控制設備之間信息的實時交換。通過工業以太網，HMI將機組工藝參數設定值和對電氣設備的控制指令傳送到PLC，再將各設備的實時狀態、工藝數據實際值、電氣參數及故障信息，由PLC及AGC系統采集并傳送給HMI。

（2）現場總線層

PLC系統與遠程I/O站之間采用ControlNet通訊網絡架構，ControlNet是基于有效的Producer/Consumer模式，既可以進行信息傳遞還可以實現對系統的控制。作為控制器與I/O設備之間的高速連接，其最大通訊速率可達5 Mbps。采用這種現場總線可以節約大量的控制電纜，縮短現場安裝調試時間，便于調試與維護；

PLC系統與交流變頻調速裝置之間采用的是PROFIBUS DP通訊網絡架構。通過PROFIBUS DP網，自動化系統向傳動系統發送控制字與給定值，傳動系統向自動化系統回傳狀態字及實際值。PROFIBUS DP網的通訊速率最大為12 Mbps。

（3）設備層

位置檢測光電編碼器經DeviceNet網絡架構與PLC相關設備進行傳感器設備級數據的高速訪問，AGC控制器與PLC之間也可以通過DeviceNet網絡通訊。

3 主要控制功能

3.1 工作方式的設置和選擇

（1）工作制選擇

“矯直方式” 矯直機投入工作，平整機不工作，矯直機與開卷機及卷取機建立張力，機組啟動后可以建張并升速。

“平整方式” 平整機投入工作，矯直機只參與頭部矯直，聯動時不工作，離合器脫開。平整機與開卷機及卷取機建立張力，機組啟動后可以建張并升速；

圖1 熱平整分切機組自動化控制系統網絡結構框圖

“檢修” 機組各單體設備在只有必要的安全聯鎖條件下操作；

“換輥” 機組進行換工作輥和支承輥的相關操作。與換輥相關的主機內操作必須在此狀態下進行。而與換輥不相干涉的設備可以正常操作。

（2）工作方式選擇

“穿帶” 可以手動進行各單體設備的單動調整及聯合點動穿帶；

“聯合” 機組處在聯合方式且聯動條件具備時，可以整體聯合啟動，并建張、升速。開始平整或分卷前必須保證各個相關設備處于聯動允許狀態；

“分切” 當卷取的帶鋼達到規定長度時，機組降速停止，去張。將選擇開關打到“分切”或“穿帶”方式后，才可以進行剪切分卷。在分切完成后，重新穿帶，矯直或平整。

（3）平整機AGC工作方式選擇

“壓靠” 平整機進行輥縫零點標定；

“位置方式” 平整機進行輥縫位置自動控制；“壓力方式” 平整機進行壓力自動控制。

3.2 自動控制功能

（1）自動上卷/卸卷

首先通過安裝在測徑推板上的編碼器測出來料鋼卷的初始卷徑，通過安裝在上卷小車升降裝置上的光電編碼器計算出鋼卷的高度中心；通過安裝在上卷小車行走裝置上的光電編碼器及光電管，完成帶材寬度測量及寬度中心的確定。根據測得的寬度中心和高度中心，PLC自動計算出上卷小車在垂直、水平方向的行進距離。再由脈沖編碼器自動控制使其準確停止在對中位置，完成高度及寬度的自動對中；

自動卸卷功能與上卷方式相同，都是通過計算并控制小車行走距離將帶卷自動卸到出口鋼卷運輸機鞍座上。自動卸卷開始時，卷取機壓輥抬起，緩沖輥退回，卷筒縮徑，活動支承打開，推板推出并與小車同步將鋼卷卸下，推板返回。小車完全移出卷取機后，小車上升到最高位，向出口步進梁卷位移動，當小車運動到步進梁1#卷位時，下降將鋼卷卸到出口步進梁上，并返回卷取機下方。

（2）帶卷自動分切

帶卷自動分切卷在HMI中設定，分三種方式：按重量分切、按長度（或卷徑）分切、平均分卷。

卷取的長度由下偏導輥上安裝的增量型脈沖編碼器通過高速計數計長計算。卷取的重量通過計算長度、輸入的帶寬及厚度計算。

按重量分卷時，PLC根據帶鋼的寬度、厚度和長度，實時計算出開卷機與卷取機上鋼卷的重量，當卷取機上鋼卷的重量達到設定的分切重量時，根據機組當前速度，PLC自動提前給出機組降速的命令，使機組自動降速，并準確停止，然后手動撤張，停車。切換到分切方式，開卷及卷取機的壓輥、緩沖輥落下，由液壓剪進行剪切；

按長度分卷是由PLC實時計算出開卷機與卷取機上鋼卷的長度進行分切；

平均分卷是由PLC根據來料的厚度和卷徑，自動計算出帶材的總長度，再根據設定的分切卷數，計算出平均每卷的長度，機組根據此長度值完成分切。

（3）自動位置控制 （APC）

機組中用到的自動位置控制有平整機壓下APC控制、自動上卸卷的小車位置控制、階梯墊自動位置控制、矯直機張力輥等的輥縫自動位置控制等等。

（4）自動降速甩尾

當卷取到帶尾時，機組自動計算開卷機剩余的帶卷長度，根據機組設定的加速度，提前減速到設定速度，當帶尾離開開卷機，到達平整機前時機組自動停車。為保證卷取的安全順利完成，減速點的準確計算非常重要。

減速點是以使帶尾離開開卷機時（留一定安全距離）降為目標速度為目的來計算的。

式中，S—帶鋼減速距離 (mm)；L—安全減速距離(mm)；Vt—帶鋼當前線速度 (mm/s)；Vo—常數，減速目標值 (m/s)；a—減速度 (m/s2)。

當計算的開卷機上帶長小于或等于減速距離時，系統立刻啟動減速甩尾程序，機組自動減速，開卷機壓輥落下、緩沖輥抬起，入口上偏導輥落下，壓住帶材。

4 結語

該熱平整分切機組自動化水平較高，其控制系統設計合理，功能完善，運行可靠，完全能夠滿足用戶的要求。