板坯定位在馬鋼1580熱軋板坯庫中應用

金偉,李香梅

（安徽馬鋼自動化信息技術有限公司，安徽馬鞍山243002）

板坯定位在馬鋼1580熱軋板坯庫中應用

金偉,李香梅

（安徽馬鋼自動化信息技術有限公司，安徽馬鞍山243002）

介紹了馬鋼1580熱軋板坯庫區域中，電氣傳動系統、基礎自動化系統、工業網絡通訊軟硬件的基本配置；以及在沒有專門的實時測速裝置測量板坯的運行速度情況下，采用PLC程序設計結合冷金屬檢測器（CMD）信號、傳動裝置速度反饋為基準的板坯自動定位方案的實現方法。

板坯定位；自動化系統；PLC；CMD

1 引言

馬鞍山鋼鐵股份有限公司在2007年投產550萬t2250熱軋板卷生產線的基礎上，新建第3臺高效雙流板坯連鑄機（以下簡稱3#連鑄機），設計年產合格坯230萬t。

1580熱軋板坯庫以3#連鑄機和板坯物流控制為設計對象，同時將與原2250熱軋生產線板坯庫系統在物流管理和板坯跟蹤上實現無縫對接，形成一個完整的管理系統，從而在三條連鑄機和兩條熱軋生產線之間，根據生產計劃，實現準確可靠的板坯輥道運輸控制及板坯入庫、出庫及垛位管理。

1580板坯庫區域中，工藝及廠房布置決定了來自連鑄的板坯最多要經過5個旋轉輥道才能送至加熱爐前。板坯庫作為連鑄與熱軋工序的紐帶與緩沖，隨著熱軋廠生產的順利進行，產量不斷提高，對輥道上快速、準確的板坯定位也提出更高要求。

輥道電機使用傳統的V/f開環控制，沒有專門的實時測速裝置測量板坯的運行速度；基于上述條件，采用PLC程序設計結合冷金屬檢測裝置（CMD）信號、傳動裝置速度反饋為基準的定位方案。

2 系統配置

板坯庫系統全部由輥道構成，共配置5條線，分別為F線輥道6組（連接3#連鑄機），G線輥道4組（連接3#火焰清理機），K線輥道2組（連接加熱爐入爐輥道），M線輥道2組（連接加熱爐出爐輥道）以及貫通F、G、K、M輥道組的H線輥道18組；物流路徑交叉多、跨度長。

庫區輥道布置示意如圖1。

2.1 傳動系統配置

整條線輥道及旋轉電機（含加熱爐系統）共計606臺，總裝機容量9165 kW。根據工藝要求和傳動裝置數量多的特點，電氣傳動采用公用直流母線供電的變頻驅動方式。

傳動控制采用西門子的S120系統傳動系統，依據變壓器供電分為以下3個工藝段：a）變壓器4MCC-3裝機容量2500 KVA為2250工藝段；b）變壓器4MCC-2裝機容量2000 kVA為1580工藝段；c）變壓器4MCC-1裝機容量2000 kVA為加熱爐工藝段。

圖11580 熱軋板坯庫輥道布置示意

各工藝段均采用整流裝置并聯模式；母線側逆變單元的功率范圍在46～315 kW之間，共計：89臺逆變器。

各工藝段負載利用系數為0.6；采用能耗制動方式，制動系數取0.3；逆變單元選型原則以基準負載電流為準，300 s之內允許60 s的150%負載；每個工藝段設置一個受電柜為整流單元柜供電，各工藝段設置獨立的控制電源提供電機風機和抱閘電源。

2.2 基礎自動化系統配置

1580板坯庫基礎自動化系統主要由輥道PLC、輥道操作員站HMI、2250板坯庫操作員站HMI和全局系統工程師站構成。整個基礎自動化系統通過TCP/IP協議工業以太網通過光纖介質與連鑄系統、加熱爐系統和板坯庫管理系統進行通訊，實現數據交換和輥道操作控制，高速的網絡配置滿足了從連鑄到加熱爐以及庫管系統的快速高效的自動化運行。

系統選用SIEMENS S7 416系列PLC，遠程IO站及電氣傳動裝置采用基于PROFIBUS協議的現場總線實現內部通訊。操作實現三地模式：a）現場操作箱就地操作，適用于檢修、卡鋼等生產異常情況；b）操作臺配備SIEMENS KP32F HMI操作面板，操作員可根據生產情況靈活控制多組輥道前進、后退及旋轉；c）計算機操作員站使用SIEMES WinCC 7.0可實現多任務多人并行操作。

網絡拓撲如圖2。

2.3 冷金屬檢測器（CMD）

板坯庫輥道屬于開放式輥道，板坯理論溫度不低于800℃，現場使用的冷金屬傳感器是輥道自動化系統的重要配置部件，輥道的運行以及自動化運輸都將依靠該測點的檢測作為判斷依據。

整個系統共設計布置了冷金屬檢測器（CMD）83套，用于檢測板坯位置。在每組輥道的起始點、終止點及中間位置分別設置一套CMD，兩個檢測器的間距在4.5～10.5 m不等。

2.4 相關軟件

基礎自動化系統控制軟件選用SIEMENS Step7 5.5，人機界面（HMI）使用SIEMENS WinCC 7.0開發完成。板坯庫管理系統軟件為自主開發，基于Windows Server 2010操作系統平臺，使用Oracle 10G的數據庫，開發語言為C#4.0。與PLC通訊支持軟件包為Kepware OPC Server，防毒軟件為Trend服務版。

3 板坯自動定位方案

3.1 概述

圖1中所示旋轉輥道如H4等，其有效長度僅為10.5 m；而來自連鑄機的板坯50%以上的長度接近旋轉輥道有效長度。板坯自動定位不準確將直接導致板坯在輥道上旋轉時會刮蹭側擋板，造成安全隱患、影響生產節奏。

圖21580 熱軋板坯庫網絡拓撲

傳統定位方案中，在需要板坯精確定位的應用場合都會設置能夠準確測算板坯運行速度的實時測速裝置，如安裝有高分辨率編碼器的測速輥。本文中所涉及的所有輥道并未安裝此類設備，同時傳動的速度反饋并不精確，不能單以此作為板坯位置的計算依據。由于現場每組輥道均設置了3套冷金屬檢測器（CMD）用來判斷板坯位置；但因檢測器間距過大（4.5～10.5 m），也不能獨自作為板坯定位依據。

基于上述條件，經過反復計算和試驗，采用PLC程序設計結合冷金屬檢測裝置（CMD）信號、傳動裝置速度反饋為基準的板坯自動定位方案。

3.2 定位原理

3.2.1 速度反饋修正Vaf

傳動系統采用了V/f開環控制；速度給定Vs，它的速度反饋Va并不準確，因此需要對速度Va進行修正（Vaf）。每組輥道設置3套冷金屬檢測器（CMD），分別定義為C1(輥道起始點CMD)、C2（輥道中間位CMD）、C3（輥道終點CMD），修正后的速度反饋Vaf計算公式如下：

其中：Va變頻器速度反饋,（m/s）；

Vaf為修正后的變頻器速度反饋,（m/s）；

t為PLC掃描周期時間，（s）；

n為板坯頭部經過C1到達C2時，PLC掃描周期計數；

S1為C1與C2的間距；

fx設為速度修正系數。

上面的式子簡化為：

板坯勻速前進時的位移Sa可以表示為：

其中:Vaf為修正后的速度反饋；

t為PLC掃描周期時間，（s）；

Na為板坯勻速前進時，板坯頭部經過輥道上任意兩點間PLC掃描周期計數。

3.2.2 勻變速距離計算

板坯由給定速度Vs到V0期間的位移（勻變速距離），這個階段板坯運動可以看作是勻變速過程。在S120傳動上有斜坡加、減速時間的設定，其加減速斜率kx是固定的。板坯從給定速度Vs，在速度斜率kx下到速度V0時發生的位移可以描述為：

結合上面的速度修正系數后，實際的勻變速距離計算公式：

其中：kx=Vmax衣tdec

Vmax為電機最高轉速時對應的輥道線速度；tdec為斜坡時間設定；

Vs為當前變頻器速度反饋；

V0為變頻器速度設定；

Vs≠V0；

fx為速度修正系數，詳見式(2)。

3.3 定位方案

涉及到定位的基本條件有兩個：1）板坯在勻速運動時的位移Sa；2）板坯變速（包括加速和減速）過程中的位移SS。基于這兩個條件給出的板坯在輥道上運動時產生的位移Sdist計算公式：

當位移Sdist大于板坯長度Lroll且小于輥道長度Lslab時，定位是滿足要求的。

3.3.1 計算速度修正系數fx

當PLC系統檢測到C1點的冷金屬檢測器有鋼信號上升沿FP1時，開始計算板坯位移SC1-C2；在板坯頭部經過C2點觸發第二個上升FP2沿時結束位移計算，并以此確定速度修正系數fx。

默認情況下，板坯從C1運動到C2期間會保持勻速運動。但現場拍下急停或其他意外情況發生也會導致板坯在C1與C2點間停止，綜合上述情況位移SC1-C2的計算公式描述如下：

其他參數說明詳見式(1)和(2)。

3.3.2 計算停止位置

板坯在輥道上停止時的理想定位是兩者的中心線重合。當PLC檢測到FP2的同時，開始計算板坯的中心線與輥道中心線的差值，以此確定板坯停止的位置。換算后，表達式如下：

其中：Sa參考式(4)中定義；

SS0參考式(6)中的定義，此時V0=0；

Lroll為輥道組的長度；

Lslab為板坯長度。

4 結束語

馬鋼1580熱軋板坯庫的板坯定位方案經過半年的生產運行考驗，驗證了方案的可行性。數據統計表明，定位誤差在以內；定位失敗率控制在3‰以下，完全滿足生產需求。相較于傳統的定位方式，新方案節約了硬件、人工維護成本，大大減少了因傳動系統頻繁制動造成能源消耗，為公司節能增效提供有力支持。

[1]謝斌,張晨.2250熱軋板坯庫自動化控制系統[J].冶金動力,2010(2).

Application of Slab Positioning System in the Storage yard of MaSteel 1580 Hot-rolled Slabs

JIN Wei,LI Xiangmei
（The Automation and Information technology Co.,Ltd.of Masteel,Maanshan,Anhui 243002,China）

The basic configuration of electrical drive system,basic automation system and industrial network communication software and hardware in the storage yard of Masteel 1580 hot-rolled slabs is introduced.In the absence of a dedicated real-time speed measuring device to measure the running speed of slabs,a slab automatic positioning system by using PLC program design combined with cold metal detector(CMD)signal and transmission speed feedback was accomplished.

slab positioning;automation system;PLC;CMD

TG335

B

1006-6764（2014）09-0068-04

201405-21

金偉(1981-)，男，漢，安徽馬鞍山人，在讀工程碩士，助理工程師，從事計算機控制及相關技術研究開發工作。