550mm可逆軋機電氣控制系統(tǒng)改造應(yīng)用

王金剛 ， 陳登峰 ，史智峰

（1.西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西部金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710201；3.西安諾博爾稀貴金屬材料有限公司，陜西 西安 710201）

1 引言

西部金屬材料股份有限公司的550mm可逆軋機，主要用于軋制鉭、鈮、鉿、銀及其他稀有金屬板材,產(chǎn)品主要應(yīng)用于航空、航天、兵器、海洋等領(lǐng)域。該軋機于2002年投入使用，已經(jīng)服役十幾年，為公司創(chuàng)造了豐厚的效益。隨著市場的發(fā)展，新技術(shù)的出現(xiàn)，以及客戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，就對軋機的加工精度和性能提出了更高的要求。近年來，軋機電氣元件的老化、通訊速度慢、系統(tǒng)穩(wěn)定性差、故障率高、維護困難等問題嚴(yán)重影響了軋機的正常生產(chǎn)。為此，對該軋機的傳動控制系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)以及厚度控制系統(tǒng)進行改造，以期提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2 系統(tǒng)配置與功能

改造前軋機電氣控制系統(tǒng)采用傳動控制系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)、厚度控制系統(tǒng)、通過PROFIBUS總線通訊連接的方式協(xié)調(diào)整合。這種方法額外增加了通訊信息量，降低系統(tǒng)響應(yīng)速率，為系統(tǒng)埋下較多的通訊故障隱患，同時浪費硬件資源，導(dǎo)致不必要的設(shè)備造價及維護成本上升。

以下介紹軋機改造后的傳動控制系統(tǒng)、自動化控制及厚度控制系統(tǒng)配置與功能。

2.1 傳動控制系統(tǒng)

2.1.1 傳動控制系統(tǒng)配置

改造后的傳動控制系統(tǒng)主電機采用一臺396kW、990A、333r/min的電機，左右輥道電機采用兩臺3．7kW、12A、1320 r/min的電機，壓下采用直流電動機一臺705kW、21A、900r/min的電機。

傳動控制部分由主軋機上、下軋輥電動機直流傳動控制系統(tǒng)，左、右輥道電機，操作側(cè)，傳動側(cè)壓下電動機直流傳動控制系統(tǒng)組成。主軋機上、下軋輥控制采用SIEMENS 6RA70系列全數(shù)字調(diào)速裝置，主從控制，調(diào)速范圍可做到100倍以上，裝置具有自動優(yōu)化功能，通過自動優(yōu)化功能的運行使主傳動在整個調(diào)速范圍內(nèi)達到較高的速度控制精度,空載穩(wěn)速控制精度在±0．1%以內(nèi)。模塊化結(jié)構(gòu)，配有CBP2通訊板與PLC進行通訊，采用光電編碼器反饋速度。主回路采用2000A三相橋式整流，整流變壓器進線。基速以下恒磁調(diào)速，基速以上弱磁調(diào)速，交流側(cè)設(shè)有過壓吸收、直流側(cè)設(shè)有平波電抗器。

本次改造對傳動系統(tǒng)中的調(diào)速器的性能和參數(shù)和工作方式做調(diào)整。改造前軋機由于在軋制過程的初始幾個道次，軋制力矩較大，系統(tǒng)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；后幾個道次，力矩減小，軋速提高，系統(tǒng)屬恒功率調(diào)速。所以電氣傳動采用調(diào)壓調(diào)磁的非獨立弱磁系統(tǒng)，電機在基速以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在基速以上為恒功率調(diào)速。在后幾個道次運行時，軋制力矩逐漸變小，電動機電流有可能發(fā)生斷續(xù)，控制對象的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，造成機械特性變軟，速度出現(xiàn)波動，控制精度下降。對此，系統(tǒng)具有電流斷續(xù)自適應(yīng)功能，可以有效地解決在電流斷續(xù)時的動靜態(tài)性能問題，從而保證了在整個調(diào)速范圍內(nèi)的運行特性。

通過參數(shù)設(shè)定，系統(tǒng)以設(shè)定的加減速曲線進行升降速運行。再有就是通過傳動裝置調(diào)試軟件反復(fù)對比傳動電機的起、停 、剎車曲線得出能最大發(fā)揮電機性能的工藝設(shè)定參數(shù)值。最終使傳動控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、效率高、節(jié)能等特點。圖1為傳動調(diào)試軟件生成的速度曲線圖。

2.1.2 傳動控制系統(tǒng)功能

傳動控制系統(tǒng)功能包括速度設(shè)定、速度監(jiān)控和速度反饋的處理、S曲線發(fā)生器、速度給定積分器。電流給定處理、電流調(diào)節(jié)器、磁場弱磁時的電樞電流調(diào)整、外部轉(zhuǎn)矩限幅控制。順序控制、遠(yuǎn)程/本地操作、緊急停車、動態(tài)制動控制。

圖1 傳動調(diào)試軟件生成的速度曲線圖

2.2 自動化控制系統(tǒng)

2.2.1 自動化控制系統(tǒng)配置

改造后的自動化控制系統(tǒng)中PLC采用西門子S7-400系列的414-2DP作為主控制單元，采用西門子S7-400系列的414-2DP作為主控制器，CPU414-2DP模塊可以滿足對程序容量和處理速度有較高要求的應(yīng)用，其中內(nèi)置PROFIBUS DP口，可以作為主站或者從站直接連接到PROFIBUS DP 現(xiàn)場總線。CPU執(zhí)行每條二進制指令時間僅為0．045μs，RAM為1MB，其程序和數(shù)據(jù)各使用512KB。采用分散配置遠(yuǎn)程I/O的控制方式使每個遠(yuǎn)程I/O控制單元都有明確的控制范圍，遠(yuǎn)程I/O模塊接收處理來自操作臺或機器操作箱上的操作控制指令并傳送至PLC，PLC根據(jù)操作指令及相應(yīng)的聯(lián)鎖條件對控制系統(tǒng)進行主令控制。接受來自數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的軋機工作參數(shù)，在工藝計算機顯示器上以畫面的形式集中顯示，取代操作臺上的各類儀表顯示。其在最大程度上減少了系統(tǒng)接線。新增工業(yè)以太網(wǎng)模塊CP443-1將其安裝在PLC機架上，增加工業(yè)以太網(wǎng)交換機使通訊模塊完成與遠(yuǎn)程I/O、直流傳動系統(tǒng)、工藝計算機等的通訊。用現(xiàn)場局域網(wǎng)將PLC、遠(yuǎn)程I/O、直流傳動調(diào)速裝置等連接在一起。

2.2.2 自動化控制系統(tǒng)功能

自動化控制系統(tǒng)主要功能是機組順序及工藝聯(lián)鎖控制，負(fù)責(zé)整個機組的工藝自動化操作，包括各系統(tǒng)的啟、停控制，相互間的連鎖，工作制的選擇，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)與傳動裝置和工藝計算機進行操作指令及工藝參數(shù)的傳送。泵站及交流系統(tǒng)控制是對PLC對稀油潤滑泵站與AGC液壓站、傳動泵站的控制，通過配置在操作臺內(nèi)的遠(yuǎn)程I/O模塊接收處理來自操作臺或機器操作箱上的操作控制指令并傳送至PLC，PLC根據(jù)操作指令及相應(yīng)的聯(lián)鎖條件對控制系統(tǒng)進行主令控制。

2.3 厚度控制系統(tǒng)

2.3.1 厚度控制系統(tǒng)配置

改造后的厚度控制系統(tǒng)采用上、下位兩級控制方案，是集軋機過程控制、過程管理、厚度控制和故障診斷為一體的控制系統(tǒng)。下位機由S7-414與FM458模塊組成；上位機由軋制過程管理計算機（工藝計算機）組成通訊網(wǎng)絡(luò)：上、下位機之間的數(shù)據(jù)通信采用工業(yè)以太網(wǎng)。圖2為計算機控制系統(tǒng)構(gòu)筑圖。

圖2 計算機控制系統(tǒng)構(gòu)筑圖

2.3.2 厚度控制系統(tǒng)功能

軋輥位置控制(輥縫控制)是AGC系統(tǒng)的基本內(nèi)環(huán)，它與其他AGC模式一起使用。空載大行程時，驅(qū)動壓下電機逼近目標(biāo)位置；接近目標(biāo)時壓下電機靜止，通過傳感器獲取的位置反饋信號與輥縫給定信號相比較，用兩者的差值來控制伺服閥，調(diào)整壓下油缸構(gòu)成位置閉環(huán)。

壓力控制是AGC系統(tǒng)的第二個基本內(nèi)環(huán)，它也需與其他AGC模式一起使用。安裝于壓下油缸上的壓力傳感器檢測油缸內(nèi)的壓力，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到軋機軋制力反饋信號，這個信號和一個壓力給定信號相比較，用兩者的差值來控制伺服閥，調(diào)整壓下油缸構(gòu)成壓力閉環(huán)。壓力控制主要用于軋機預(yù)壓靠調(diào)零、軋機調(diào)試及故障診斷。圖3為液壓AGC系統(tǒng)。

圖3 液壓AGC系統(tǒng)

數(shù)據(jù)顯示及操作控制，在工藝計算機上可實時顯示軋機的各種參數(shù)變化曲線，并可在軋制過程中修改軋制相關(guān)的設(shè)定參數(shù)。工藝計算機選用功能強大的箱式工控機，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，安全可靠，可在高達55℃的環(huán)境溫度下全天24小時連續(xù)運行。全封閉無風(fēng)扇外殼散熱設(shè)計，避免了灰塵以及散熱風(fēng)扇等機械部件污染老化所帶來的故障問題。采用固態(tài)硬盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械磁盤陣列式硬盤，從根本上避免了磁盤劃傷等造成的系統(tǒng)故障及設(shè)備損壞。同時，將工藝計算機軟件進行更新，使其具備機組數(shù)據(jù)與狀態(tài)監(jiān)視、各類參數(shù)設(shè)定以及各直流機電流和轉(zhuǎn)速、壓下電機和AGC油缸位置顯示、伺服閥開口度大小、操作側(cè)和傳動側(cè)油壓大小、工藝數(shù)據(jù)管理、過程控制與管理、故障報警（提供了大量的系統(tǒng)保護和檢測手段，可以幫助現(xiàn)場技術(shù)人員快速查找系統(tǒng)中可能發(fā)生的各種故障，快速排除）與記錄軋機生產(chǎn)數(shù)據(jù)與操作情況記錄同時生成自動報表（實時記錄每道次軋制情況，包括輥縫、軋制力、軋制速度、人工操作），便于日后查看、打印等功能。在工藝計算機上還可實時顯示軋機的各種參數(shù)變化曲線，并可在軋制過程中修改軋制相關(guān)的設(shè)定參數(shù)。工藝計算機除具有厚度控制系統(tǒng)中的軋機過程控制、過程管理等功能外，還具備機組狀態(tài)、數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障報警等功能。圖4為工藝計算機主界面畫面。

圖4 工藝計算機主界面畫面

自動報表產(chǎn)生，實時記錄每道次軋制情況，包括輥縫、軋制力、軋制速度、人工操作等。生成數(shù)據(jù)文件，并可轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)報表便于日后查看、打印。故障診斷系統(tǒng)提供了大量的系統(tǒng)保護和檢測手段，可以幫助現(xiàn)場技術(shù)人員快速查找系統(tǒng)中可能發(fā)生的各種故障，快速排除。

3 結(jié)語

通過改造，550mm軋機的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高，此外故障率更低，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，人機界面更加方便操作和日常維護。

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