基于PLC的酸洗線控制系統設計

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢 430000）

隨著我國制造業產業升級，全連續式酸洗線已經取代了傳統半連續式酸洗線[1]，全連續式生產線要求帶鋼在酸洗過程中保持一定的張力和匹配的速度，從而使帶鋼在設定的工作區域內運行實現高效酸洗和整齊卷取。同時為了保證機組安全、平穩運行，需要設置友好的實時監測畫面，因此從測、控兩方面出發去研究酸洗線生產效率具有重要意義。

在全連續式酸洗線中，帶鋼在酸洗線上通過各工位主傳動電機和夾送輥的帶動向前運動、酸洗，進入卷取機后和五輥張力輥形成一定的張力實現緊密卷取。若各工位電機速度不一致，鋼帶會褶皺或斷帶，若卷取機與張力輥之間張力不恒定，鋼帶卷會松緊不一或剛帶跑偏。因此酸洗線中各工位電機的速度匹配和五輥張力輥與卷取機的張力恒定是控制系統的核心。本文立足于巴基斯坦某企業的全連續式酸洗線項目，分析了酸洗線的速度控制、張力控制，建立了張力輥數學模型精確計算設定張力值控制包角的大小實現張力輥的張力控制，采用了轉矩限幅的雙閉環控制實現卷取機的張力控制[2]。對酸洗線安全高效生產具有重要意義。

1 酸洗線控制系統的工藝流程

全連續式酸洗線工藝流程可將全段分為入口段、工藝段、出口段三部分。如圖1所示為酸洗線工藝流程。

圖1 酸洗線工藝流程Fig.1 Process flow chart of pickling line

如圖所示，帶鋼卷上到開卷機，兩臺循3夾送輥的轉動將帶鋼送到九輥矯直機，矯直機對帶鋼進行矯直并夾送至1#對中裝置進行對中，使帶鋼在工作區域內，對中完成后帶頭液壓剪剪齊帶頭方便焊接處跟前面帶鋼的帶尾進行焊接，入口轉向輥將帶鋼送至焊接處，2#對中裝置對中，對中完成后進行焊接。帶尾離開開卷機后將帶尾剪切并送至激光焊機處，同時另一開卷機進行開卷工作，等帶頭到達焊接處后帶頭帶尾就可以進行焊接操作了。焊縫退火后啟動自動定位使焊縫運動到月牙剪處進行切邊處理，之后帶鋼進入工藝段酸洗槽進行酸洗，然后進入出口段，如圖2所示。

圖2 酸洗線出口段Fig.2 Pickling line outlet section

出口1#夾送輥將從工藝段過來的帶鋼夾送至坑式活套，坑式活套可以存儲一定的帶鋼防止出口段停車時前面工序關聯停車，保證機組運行的連續性，活套坑上方有測距儀可以實時檢測并控制坑內帶鋼量[3]。帶鋼自活套出來后經過糾偏由2#夾送輥送至圓盤剪，圓盤剪可根據設定的寬度對帶鋼切邊，并由廢邊卷取機將廢邊回收，之后帶鋼進入五輥張力輥，在這里進行張力調節，操作人員可以在上位機畫面或本地操作箱上調節張力。帶鋼經由平整機平整提高力學性能后送至卷取機收取，這就是連續式酸洗線的全部工藝流程。

2 機組張力系統分析

2.1 速度控制

連續式酸洗線入口段、工藝段、出口段3個工作段的機組運行速度必須互相在一個工作速度內，只有這樣才能更好地保障帶鋼的張力控制，通過上位機畫面可以單獨設置各段帶鋼的前進速度。

入口段和出口段的速度計算公式為

式中：V為入口、出口段的速度；Vcent為工藝段速度；ΔV為充放套速度。

出口段的速度根據平整機的投入與否又分為2種情況，當平整機不投入時平整機前后速度一致則出口段速度一致，操作臺設定的出口段速度就等于平整機前后速度。

當平整機投入時，出口段的速度分為平整機前速度和平整機后速度，其中平整機前速度等于操作臺設定的出口段速度，平整機后速度為

式中：V1為平整機后帶鋼實際速度；Vset為操作臺設定的出口段速度；ΔV1為帶鋼因平整機壓縮產生的延伸速度，根據秒流量公式：

式中：V1′為平整機前帶鋼實際速度；V2′為平整機后帶鋼實際速度；h1′為平整機前帶鋼厚度；h2′為平整機后帶鋼厚度[4]，由公式（3）可知疊加在3#夾送輥上的速度ΔV1為

2.2 轉矩控制

酸洗線中開卷機和卷取機采用的是轉矩控制，這是一種間接張力控制。間接張力控制在這里表現為對電流的控制，電流經過傳動表現為電機的轉矩，而轉矩反映為張力。電氣傳動系統采用了轉矩限幅的雙閉環控制系統，如圖3所示。

圖3 轉矩限幅的雙閉環控制系統Fig.3 Double closed loop control system for torque limiting

系統中設有串聯的轉速PID調節器和電流PID調節器，可以同時實現轉速負反饋和電流負反饋控制。如圖中所示轉速調節器的輸出變量作為電流調節器的輸入變量，再用電流PID調節器的輸出變量控制逆變器從而控制電機。

程序中給定一個電機的速度（或者通過換算給定一個頻率），由于設置了速度飽和就使電機正常工作在給定轉速處于飽和給定轉速，通過PID調節之后將轉速值給到轉矩限幅器，所以就可以根據上位機張力的設定值去控制電機的轉矩，從而控制帶鋼的張力。

2.3 張力輥工作原理

傳統固定式五張力輥 （即跳動輥不投入時）在張力輥的設計計算時主要計算張力的變化規律及傳動力矩。張力的產生主要是各張力輥與帶鋼之間的摩檫力，酸洗線中張力輥張力的改變主要通過改變輥子與帶鋼之間的接觸面積，接觸面積變大則摩檫力變大，反之減小[5]。

相比于傳統固定式五張力輥，本系統采用帶跳動輥的五張力輥，CPU將現場采集的實際張力值與設定的張力值進行比較，比較后的差值通過信號放大器輸送至伺服閥，通過伺服閥的開度增加或減小調節跳動輥的上升或下降，從而調節張力使其達到設定值。五輥張力輥的張力控制以出口張力輥速度作為基準，按跳動輥的升降情況實現張力輥的控制。

各段的張力輥由于帶鋼速度不同可能處于電動工作狀態或者發電工作狀態，當帶鋼入口張力大于出口張力時，張力輥處于電動工作狀態，如圖4所示，當帶鋼出口張力大于入口張力時，張力輥處于發電工作狀態[6]，如圖5所示。

圖4 “電動狀態”帶鋼受力分析Fig.4 Force analysis of strip in “electric state”

圖5 “發電狀態”帶鋼受力分析Fig.5 Force analysis of strip in “generating state”

當張力輥處于電動狀態時，張力輥的張力值為

式中：μ為張力輥與帶鋼之間的摩擦系數（鋼帶一般取0.1～0.15）；P為跳動輥對帶鋼的壓力；α為帶鋼跟張力輥之間的包角；Ts為張力損失值；b為帶鋼寬度；h為帶鋼厚度；v為帶鋼運行速度[7-9]。

張力輥的實時制動力矩（傳動力矩）為

式中：D為張力輥直徑。

當張力輥處于發電狀態時，張力輥的張力值為

張力輥的實時制動力矩（傳動力矩）為

3 酸洗線控制系統整體設計

3.1 硬件選型

本控制系統采用西門子400 PLC作為主控制器，入口段、工藝段、出口段分別配置一個子站，采用西門子IM153子站模塊，同時在這3個子站配備光纖以太網交換機，實現主-從、從-從之間快速環狀通訊。入口和出口段配備現場HMI，對參數進行現場設置。增加通訊模塊CP443-5實現CPU與變頻器控制系統的Profibus-DP通訊，實現網絡控制。現場傳動裝置采用西門子Sinamics S120系列變頻器驅動[10]，系統結構如圖6所示。

圖6 系統結構圖Fig.6 System structure diagram

該項目通過Profibus-DP和工業以太網組成現場總線網絡。Profibus-DP現場總線數據傳輸速度快，抗干擾能力強，通過Profibus網絡實現主站與從站，上位機與現場儀表之間的數據交互。

S120變頻器控制模塊CU320通過Drive-cliQ與電機模塊實時通訊，并通過DP總線與上位機通訊，使開卷機、卷取機、張力輥實現速度控制、張力控制等功能[11]。

3.2 人機界面

采用西門子SIMATIC WinCC軟件組態上位機畫面。WinCC可以實現系統的統一操作性和可視性；畫面可以設置工程師站和操作員站保證生產操作安全；軟件的報文系統可以實時緩存、歸檔現場和設定數據，并可連接現場打印機；軟件內置曲線控件可實時監控或查看現場數據曲線，以便分析和排查問題。該系統畫面由主畫面、輥徑設定、報警、數據報表、平整機等畫面組成[12]。圖7為該系統的主畫面。

圖7 酸洗線系統主畫面Fig.7 Pickling line system main screen

4 結語

目前，該系統已經在巴基斯坦調試完成并正常生產，現場實際情況表明機組運行穩定，完美的實現人機交互。文章分析了全連續式酸洗線工藝流程，并對五張力輥的工作原理進行剖析，提出了帶跳動輥的張力輥控制系統設計，充分發揮了PLC的先進性和WINCC組態軟件的實用性，對金屬酸洗行業具有重要的借鑒意義。