無縫鋼管生產線（PQF機組）自動化控制系統

伍家強

無縫鋼管生產線（PQF機組）自動化控制系統

伍家強

(天津鋼管集團股份有限公司,天津，300301)

介紹了天淮508無縫鋼管生產線控制系統。主要包括系統構成、系統配置、基礎自動化系統功能分擔、網絡通訊及過程計算機控制系統等內容。該系統采用三層的網絡結構，將全線各種基礎自動化的控制系統無縫的集成在一起，提高了無縫鋼管生產的自動化控制水平，提升了生產節奏。生產的穩定性和可靠性得到了有效保障。

無縫鋼管；控制系統；基礎自動化

1 前言

天淮議508無縫鋼管生產線是一條年產能力50萬t的熱軋管生產線，配備了當今國際上最先進的二輥斜軋錐形輥穿孔機、5機架三輥限動芯棒連軋管機、3機架三輥脫管機、12機架三輥定徑機，主要設備從德國SMS Meer公司引進。生產線具有世界先進的過程計算機控制系統，包括穿孔機工藝控制系統（CARTA-CTP）、定徑機工藝控制系統（CAR原TA-SM），連軋工藝參數設定及監控系統(PSS)，連軋自動輥縫控制系統(HCCS)，物料跟蹤系統(MTS)和在線檢測系統等工藝控制技術。同時，采用了超聲波探傷、漏磁探傷、測徑測厚等各種自動化檢測手段來提高鋼管質量。

天淮508無縫鋼管生產線根據工藝要求劃分為管坯區、環形加熱爐區（機電一體）、穿孔區、軋機區、定徑區、預精整1區、預精整2區、精整線等。其中管坯區、穿孔區、軋機區、定徑區、預精整1區，簡稱為熱區。

除機電一體設備外其余基礎自動化系統全套由ABB公司提供。預精整2區、精整線，簡稱為冷區。冷區中的矯直機、探傷機、再切鋸等為機電一體設備，其他連線設備的電控由中冶京誠提供。

天淮508無縫鋼管生產線控制系統具有較高的自動化程度，是基于廣義自動化概念的高效系統。操作人員能及時做出更好的決策，進而高質高效地完成生產任務。

2 系統構成

天淮508無縫鋼管生產線控制系統主要有以下幾部分組成：過程計算機控制系統、基礎自動化系統（包括HMI人機接口界面系統、PLC控制器，分布式I/O系統等）、網絡系統、傳動系統等。

網絡系統包括現場總線、控制網絡、內部以太網、工業以太網通過相互組合構成功能強大的自動化控制系統。

熱區基礎自動化系統有9套AC800 PEC控制器，分布式I/O系統分為S100本地I/O系統和S800遠程I/O系統；HMI系統采用人機界面軟件PG2，Server-Client結構；工程師站基于Control Build M軟件平臺進行編程調試。傳動系統主要采用ACS800交流變頻傳動裝置。

冷區基礎自動化系統有2套西門子S7-400控制器；分布式I/O系統為ET200M；HMI系統采用西門子工控軟件WinCC；工程師站基于西門子STEP7進行編程調試；傳動系統采用西門子G120的交流變頻傳動裝置；

各單機控制系統采用工業以太網、PROFIBUS以及點對點的方式與主線控制系統進行通訊。

3 網絡結構及系統配置

天淮508無縫管生產線控制系統配備三級自動化系統，構成并行運算、集中管理、分散控制、資源共享的分布式自動化控制系統。

控制系統組態圖如圖1。

圖1 控制系統組態圖

其中1級為現場總線級，用于和現場檢測元件（絕對值編碼器、位移傳感器等）、傳動系統、分布式I/O系統及第3方的液壓站、潤滑站進行通訊。

S100本地I/O系統用S100的IO框架連接電纜接到CI856通信模塊。S100 IO系統配有高速脈沖計數模板可以實現高頻脈沖處理，充分滿足了生產過程中對各種類型信號的檢測和控制的要求。S100 I/O系統主要應用于實時性要求比較高的控制，如位置控制、壓力控制及急停控制等；S800遠程I/O系統用PROFIBUS電纜接到CI854通信模塊，S800 I/O遠程系統主要用于信號位置比較集中且對時間實時性要求不高的場合。

傳動系統主要采用ACS800公共直流母線的多傳動系統。ACS800是ABB最新一代全數字交流變頻器控制裝置。最大的優點就是采用了通用技術，其核心技術是最先進的直接轉矩控制（DTC）技術，最大限度地滿足控制精度和響應速度要求。模塊化的設計理念具有方便維護的特點，從而極大減少了生產停機時間。AC800PEC控制器與傳動系統NDBU-95模塊采用光纖連接，使用DDCS通訊協議的現場總線網絡交換信息。

2級為控制級，用于控制器與控制器、控制器與服務器、服務器與服務器、服務器與客戶機以及控制器與操作員站、工程師站之間的通訊。

AC800PEC是ABB最新的高端快速控制器，程序和數據存儲在閃存卡中，保存應用程序而無需電池備份。控制器采用高速低功耗CPU，可以支持高達16個控制任務。每個控制任務可以有不同的優先級，可以設置相應的周期時間，從而合理分配CPU負荷，實現邏輯功能的正確性能。代碼循環時間在Control Builder層最快可達1ms；在C-Code層最快可達100us;在VHDL層最快可達1us。在實際生產中，可根據實際設備控制需要，程序設置了不同級別周期任務。

AC800PEC控制器與AC800PEC控制器之間通訊是一種使用光纖介質連接的高性能通訊，具有快速和低負荷的特點，能滿足控制精度和快速響應的要求。所有AC800PEC控制器、服務器、工程師站、過程數據采集分析PDA系統都連接到基礎自動化控制系統中L1交換機上，實現基礎自動化系統內的所有通訊系統。基礎自動化系統中的服務器分為Do原main controller（用戶管理服務器）、Aspect Server (功能服務器)和Connectivity Server(數據服務器)。Domain controller主要承擔了管理用戶權限的功能；Aspect Server為兩臺互為冗余的服務器，主要承擔了信息及對象的管理和分配的功能；Connectivity Server為兩臺互為冗余的服務器，主要功能是用于實時數據采集，并為功能服務器的應用提供自動數據更新。過程數據采集分析PDA系統通過專用的光纖接口直接與AC800 PEC控制器進行通訊。

3級為過程級，工業以太網用于實現AC800PEC控制器與過程計算機控制系統、單機PLC控制系統進行通訊。通過GLOBAL交換機連接穿孔機工藝控制系統、定徑機工藝控制系統、連軋工藝參數設定及監控系統(PSS)、連軋自動輥縫控制系統(HCCS)、質量保證系統（QAS）、單機PLC控制系統等。

4 基礎自動化控制系統功能分擔

生產線每個子區域都設有獨立的基礎自動化控制系統。根據工藝時序和設備動作要求，基礎自動化控制系統配置相應的PLC控制器。

穿孔機區由有2個AC800 PEC控制器組成，第1個控制器完成穿孔機輸入輥道、主電機、導板、主機架等前臺設備控制（包括傳動接口，邏輯和順序控制，位置控制，速度控制，物料跟蹤、故障信息處理、軋制表傳送、工藝計算機通訊接口、HMI系統通訊接口等功能）；第2個控制器完成穿孔機輸出輥道、三輥定心、升降輥道、止推小車等后臺設備控制（包括傳動接口，邏輯和順序控制，位置控制，速度控制，物料跟蹤、故障信息處理、HMI系統通訊接口等功能）。

軋機區由4個AC800 PEC控制器組成，第1個控制器完成限動、毛管支撐輥、芯棒支撐輥、夾送輥、軋機輸出輥道等設備控制（包括傳動接口、邏輯和順序控制、位置控制、速度控制、故障信息處理、HMI接口通訊等功能）；第2個控制器完成芯棒循環的設備控制（包括傳動接口、邏輯和順序控制、位置控制、速度控制、故障信息處理、HMI系統通訊接口等功能）；第3個控制器完成PQF軋機及脫管機的主機架控制（包括沖擊速降補償控制、傳動接口、邏輯和順序控制、位置控制、速度控制、故障信息處理、HMI接口通訊等功能）；第4個控制器完成通訊及換輥的控制（包括軋機和脫管機換輥邏輯和順序控制、與HCCS接口、與工藝計算機的接口、物料跟蹤等功能）。

定徑區有1個AC800PEC控制器，完成定徑入口、主機架、定徑機出口、1#冷床、2#冷床、回轉臂等設備控制（包括傳動接口，邏輯和順序控制，位置控制，速度控制，物料跟蹤、故障信息處理、HMI接口通訊等功能）。

其它各區域（管坯區、預精整1區）各有1個AC800 PEC控制器，完成區域設備的邏輯與順序控制、速度控制、位置控制、錯誤信息處理、HMI接口通訊等功能。

預精整2區和精整線各采用1個西門子S7-400的CPU，型號為CPU414-2。完成區域設備的邏輯與順序控制、速度控制、位置控制、錯誤信息處理、HMI接口通訊、與其它機電一體設備接口等功能。

5 過程計算機控制系統

穿孔機工藝控制系統（CARTA-CTP）對穿孔機進行工藝及孔型設計、工具管理、過程管理。可以幫助工藝人員進行工具設計數據的管理和優化，為實現系統管理提供了方便。連軋自動輥縫控制系統（HCCS）將工藝、機械、液壓與自動化有機接合起來，達到在任何工作條件下最好的性能和最好的鋼管質量，它能實現輥縫在軋鋼過程中的自動調整，每個機架對應每一個輥都有一個單獨的液壓缸控制，每一個液壓缸都帶有一個伺服閥，能夠實現液壓缸快速而準確定位。軋機參數設定及監控系統（PSS）能夠實現工藝參數的設定和生產工藝的過程控制。它可以采集包括電機速度、扭矩、電流等工藝數據，并且可以實時地保存各種采集的數據，來幫助對軋制過程進行分析；定徑機工藝控制系統（CARTA-SM）具有工藝設計、孔型設計和機架管理功能，它是設計、優化、管理軋輥孔型和軋制過程數據的輔助工具；熱軋線上配備了質量保證系統（QAS）。在線檢測的具體內容有管坯稱重、環形爐出口測溫，穿孔后測徑測長、芯棒潤滑前測溫、連軋入口測溫、連軋后測厚測長測溫、定徑機前測溫，定徑機后測長測溫等，通過物料跟蹤功能將這些數據分別送到各操作計算機終端和HCCS，CARTA、PSS等系統，及時提供工藝分析，提高鋼管軋制精度。

6 結束語

天淮508無縫鋼管生產線控制系統在投入生產運行后，運行可靠穩定，自動化程度高，軋制產品符合工藝標準，并且可以根據生產要求靈活的對該系統進行功能擴展。實際生產表明本系統完全滿足生產控制工藝要求和實際生產操作的需要，對同類工程具有較強的指導意義。

[1]李建軍，余志偉，王歌，劉占國.Industrial 800XA系統在無縫鋼管生產中的應用[J].中國儀器儀表，2009(7).

[2]李長江.衡陽鋼管椎340連軋管機組電氣傳動和自動化系統特點[J].電氣傳動，2006(6).

The Automation Control System of the Seamless Pipe Production Line(PQF Unit)

Wu Jiaqiang
(Tianjin Pipe(Group)Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

The control system of the 508 seamless pipe production line of Tianjin Pipe (Group)Corporation(TPCO)is introduced,including system construction and configuration, function sharing of basic automation system,network communication and control system of process computers.The system uses a three-layer network structure to seamlessly integrate various basic automation control systems of the entire line,improving the automation control level of the production line,increasing production rhythm and effectively ensuring production stability and reliability.

seamless pipe;control system;basic automation

TP273

B

1006-6764（2013）10-0060-04

2013-05-22

伍家強（1962-），男，大學本科，高級工程師，現從事生產經營管理工作。