簡述無縫鋼管PQF連軋生產線工藝與相關電氣自動化控制系統

張大智

【摘 要】本文介紹了鋼管生產線工藝與之相關的電氣控制系統。主要包括工藝生產線，基礎自動化系統和傳動系統的相關知識。

【關鍵詞】無縫鋼管；工藝知識，傳動系統；基礎自動化系統

1、引言

從鞍鋼生產第一條無縫鋼管至今已經60年，在這六十年里鋼管行業飛速發展，其中PQF連軋管機組代表了當今軋管機組工藝設計和制造的最新發展水平，該機型軋制的鋼管壁厚精度及生產效率優于其他類型的連軋管機組。結合PQF三輥式限動連軋管機組的生產實踐和工藝特點，對三輥式連軋管生產工藝優勢及設備特點進行闡述。

2、工藝簡述

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。預精整2區、精整線，簡稱為冷區。冷區中的矯直機、探傷機、再切鋸等較多情況為機電一體化設備

在線工藝檢測工序

在熱軋生產線上設有以下工藝檢測工序：

管坯切割前的稱重和長度檢測

管坯入爐前的稱重

穿孔前的管坯溫度檢測

穿孔后毛管那表面溫度測量

穿孔機的軋制功率、軋制力、軋制速度測量

連軋前毛管溫度測量

連軋后荒管溫度測量

連軋機的軋制功率、軋制力、軋制速度測量

連軋機芯棒表面溫度測量

芯棒限動力和速度測量

脫管機的軋制功率和軋制速度測量

脫管機荒管出口速度和長度測量

脫管機后熱態荒管壁厚測量

定徑機軋制功率和軋制速度測量

定徑后的鋼管直徑和長度測量

定徑后的鋼管溫度測量

無損探傷后的鋼管壁厚測量

鋼管修磨線上壁厚的測量

收集臺架上鋼管重量稱量

3、基礎自動化控制系統

無縫鋼管PQF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。無縫管PQF生產線控制系統一般分為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。

針對各區域，操作方式設手動、半自動和自動三種方式：

手動方式：操作員通過操作臺、箱上的操作元件對單體設備運轉進行的分項操作。主要用于調試、機械維修或故障時的緊急操作。手動方式時只考慮相關的機械安全連鎖

半自動方式：在滿足聯鎖條件的前提下，部分單體設備（如毛管運輸小車）或局部區域（穿孔機后臺設備）自動地完成一個周期的順序運行。運行的啟動指令由人工給出。半自動方式時需考慮所有連鎖及運行條件，尤其需考慮安全和節奏。

自動方式：在滿足聯鎖條件的前提下，根據生產工藝，系統自動地控制各機械設備的運行，完成各工作順序、設備之間的聯鎖等。

控制系統通訊層級區分如下：

1級現場總線級，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。

Profibus總線主要用于和現場檢測元件（絕對值編碼器、位移傳感器等）及第3方的液壓站、潤滑站、各單機控制系統進行通訊；分布式I/O系統分為S100本地I/O系統和S800遠程I/O系統。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。

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。

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、傳動系統

大部分生產線主要采用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或ModuleBus通訊協議的現場總線網絡交換信息。

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。

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Domain 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。

生產線中壓傳動系統一般采用交流變頻電機，主動前端型中壓變頻器（IEGT）用于穿孔機主傳動同步電機，其它交流主傳動變頻裝置采用公共直流母線傳動形式，穿孔機主傳動電機選擇適用于工業重載應用的同步電機，由中壓變頻器驅動的變頻電機需要按照變頻器的要求特殊制造，軸承溫度監視和定子繞組測溫元件鑲嵌在電機繞組和軸承內。電機的制造必須符合IEC和GB標準。電機將按照與水平中心線成15°夾角進行安裝，上輥和下輥電機應可以互換，也就是電機制造滿足上下安裝角15°的要求。由于安裝要求，電機的冷卻器必須安裝在電機的頂部。

相關參數與要求：

絕緣等級：F

允許溫升（額定負荷）：B

負載周期和過載周期：按照馬達表要求

防護等級：IP55

結構形式：按照馬達表要求

冷卻系統：進水溫度必須小于33℃。

軸承要求：傳動側采用絕緣軸承，非傳動側軸伸用于連接脈沖編碼器。

電機附件：定子和軸承溫度檢測，電機加熱器，脈沖編碼器等。

每套傳動包括如下控制單元：

ARU，主動前端整流單元，不僅可以提供整流能量，也可以提供回饋能量，始終保持直流母線電壓穩定，電壓外環電流內環的矢量控制模式，保證了整流器正弦波電流的輸出。

CBU- 電容單元；

EXU-勵磁單元 由三相橋式可控硅整流橋構成，帶有脈沖放大電路，為同步電機提供勵磁

INU- 逆變單元，采用PWM技術把直流變成可調壓調頻的交流來驅動電機

COU- 傳動系統控制單元 微處理器能實現所有開閉環功能以及通訊和監控功能

WCU-冷卻水系統

低壓傳動系統：

PQF軋機，頂桿小車，脫管機，定徑機，限動裝置等主傳動電機的功率范圍：350～1000KW， 并給出了最小工作速度，基速，最高速。電機的基本要求如下：適于工業重載應用的密閉鼠籠電機，電機的制造必須符合IEC和GB標準。電機額定電壓AC690V（頂桿小車380V），軸承采用干油潤滑。

所有低壓主電機應用于IGBT-PWM（脈寬調制）逆變器或變頻器，主要包括以下數據：

絕緣等級：F

允許溫升（額定負荷）：B

負載周期和過載周期：按照馬達表要求（S9）

防護等級：IP54

結構形式：按照馬達表要求

冷卻系統：按照馬達表要求采用強迫風冷或水冷，如果使用ICW37A86形式，進水溫度必須小于33℃。

電壓上升率dU/dt大于5kV/？滋s

軸承要求：傳動側采用絕緣軸承，非傳動側軸伸用于連接脈沖編碼器。

電機附件：定子和軸承溫度檢測（PT100或類似），電機加熱器。

全部低壓調速傳動設備均采用電壓源型脈寬調制交-直-交變頻調速裝置，傳動系統通常情況采用ABB、ANSALDO公司產品。下面為ACS800基本技術說明，

結合工藝要求和設備運轉情況，對整流變壓器、整流單元、逆變器進行分組和容量選擇，做到滿足工藝要求，且電氣設備投資最節省。綜合車間設備布置和電氣室設備布置及傳動裝置分組情況，車間內的主傳動設備分為7段直流母線供電，全部傳動采用AC690V。頂桿小車電機采用AC380V整流單元按照區域設備分組的原則進行分配，盡量將同一區域設備劃分到同一組公共直流母線，同時考慮基礎自動化PLC控制區域的劃分，合理分配整流單元所帶負載，能減少設備數量，減少投資。整流或整流回饋單元對電網側功率因數約0.93～0.96，效率為0.99。

（1）整流單元（TSU）

整流單元具有再生制動功能并且功率因數接近0.9。

對于不平衡的電壓驟降可達20%。（不平衡即1相或2相電壓驟降）

交流電壓 525-690V

交流聯接設備-主電路

<850kVA 開關熔斷器和接觸器

>850kVA（500V） 空氣斷路器

>1400kVA（690V） 空氣斷路器

（2）交流逆變器（INU）

逆變器的主要技術指標：

電機控制軟件：ABB的直接轉矩控制（DTC）

頻率控制：0-±300HZ，0-±100HZ（使用du/dt濾波器）

頻率分辨率：0.01HZ

開關頻率：3kHZ

轉矩控制：轉矩階躍上升時間<5ms（在額定轉矩下）

非線性：開環 ±4%（在額定轉矩下）

閉環 ±1%（在額定轉矩下）

速度控制：靜態精度：開環 ±10%（電機滑差）

閉環 ±1%（額定速度）

動態精度：開環 0.3-0.4%s（100%轉矩階躍）

閉環 0.1-0.2%s（100%轉矩階躍）

在直流母線至每個逆變器之間接快速熔斷器（開關熔斷器單元）。

5、結束語

針對現階段國內市場情況分析，鋼管產業集中度不高，主要分布在天津，上海，包頭，湖北等地。無縫管、焊管行業排名前10的企業產量之和，占全國相關總產量比例分別為36%和20%，遠低于全國鋼鐵行業平均水平。從現有的數據看應該鼓勵有條件的企業創新重組模式，提高行業的產業集中度，改變單純依靠新建規模擴張企業的發展方式。合理調整產業布局結構，提高工藝與之配套的電控系統建設水平，增強企業的抗風險能力。這樣中國的企業的才能做大而且做強，屹立于世界鋼鐵企業強國之林。

【參考文獻】

[1]嚴澤生.現代熱連軋無縫鋼管生產[M].冶金工業出版社，2009.