精軋機(jī)換輥?zhàn)詣?dòng)化系統(tǒng)改造

杜雪飛,何大進(jìn),馮紅超

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司 自動(dòng)化事業(yè)部,重慶 400013)

1 引言

某熱軋廠投產(chǎn)多年,曾經(jīng)進(jìn)行一些局部改造,但其機(jī)械設(shè)備精度不高,電氣設(shè)備老化,備件采購極為困難,產(chǎn)品性能指標(biāo)(厚度、板形等)已經(jīng)不能滿足目前用戶的需求,急需進(jìn)行大修綜合改造。自2008年底至2009年初,該熱軋廠全線停產(chǎn)大修改造,涉及加熱爐、粗軋區(qū)、精軋區(qū)、卷取區(qū)、水處理設(shè)施、現(xiàn)場整治等近40個(gè)項(xiàng)目,采用了目前國際先進(jìn)、可靠、實(shí)用的新技術(shù)、新工藝,全面提升工藝裝備水平和自動(dòng)化水平。本文對該熱軋廠精軋機(jī)換輥?zhàn)詣?dòng)化系統(tǒng)改造進(jìn)行闡述,介紹其改造內(nèi)容、硬件配置、軟件配置,分析了軟件程序,并與以前工程的精軋機(jī)換輥控制系統(tǒng)進(jìn)行比較。

2 換輥介紹

熱軋軋制過程中,為避免軋輥表面磨損和龜裂,影響帶鋼產(chǎn)品表面質(zhì)量,需要在軋制1800～2400 t后,更換工作輥[1]。對部分熱軋廠來說,每天精軋機(jī)換輥次數(shù)高達(dá)10～12次[2]。提高精軋機(jī)換輥控制水平,降低換輥時(shí)間,有助于提高生產(chǎn)率,為生產(chǎn)廠帶來可觀的效益。

一般而言,工作輥換輥分為自動(dòng)換輥、半自動(dòng)換輥和手動(dòng)換輥。其中,自動(dòng)換輥和半自動(dòng)換輥對檢測元件(如位移傳感器、電機(jī)編碼器、接近開關(guān)等)要求很高。熱軋現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣,高溫、水汽、振動(dòng)、鐵屑,極易造成傳感器(特別是接近開關(guān))損壞,也會(huì)造成檢測精度不高,帶來誤動(dòng)作,造成設(shè)備損失、人身傷害,檢測元件的維護(hù)要求很高。因此,這次換輥改造,工作輥換輥采用手動(dòng)模式,預(yù)留自動(dòng)換輥功能接口。支撐輥換輥涉及到行車吊運(yùn)軋輥,均采用手動(dòng)換輥模式。換輥工藝可參見文獻(xiàn)[3]。

3 系統(tǒng)配置

3.1 改造內(nèi)容

原換輥系統(tǒng)采用西門子S5-115控制器,共7套,一個(gè)精軋機(jī)換輥系統(tǒng)一套。改造時(shí),考慮系統(tǒng)過多維護(hù)不便、以及功能擴(kuò)展需要,采用一套西門子TDC控制器。

由于F1～F3改為CVC輥,增加彎輥、竄輥功能,原換輥系統(tǒng)推拉桿直流傳動(dòng)系統(tǒng)精度達(dá)不到換輥要求,改為交流傳動(dòng),采用西門子SIMOVERT MASTERDRIVE VC6SE70系列變頻器。

取消以前換輥設(shè)備采用的繼電邏輯控制電路,如換輥小車控制、極限短接/斷開等,利用PLC來完成這部分功能,可減少空間、降低成本、提升自動(dòng)化水平。

3.2 硬件配置

這次改造,精軋機(jī)換輥PLC采用SIMATIC TDC,I/O模板為 SM500;遠(yuǎn)程 I/O站采用ET200M和ET200S,I/O模板配有SM321(32點(diǎn)DI),SM322(32點(diǎn)DO),SM332(4點(diǎn)AO),SM131(4點(diǎn) DI)和 SM132(4點(diǎn) DO);自動(dòng)化系統(tǒng)配置見圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件配置圖Fig.1 System hardware configuration chart

換輥系統(tǒng)的DI信號有:極限開關(guān),操作臺(tái)手柄、按鈕輸入,傳動(dòng)反饋信號等;DO信號有:閥輸出,按鈕指示燈,傳動(dòng)運(yùn)行指令等;AI信號有:支承輥平衡缸壓力傳感器,推拉桿速度反饋等;AO信號有:工作輥推拉桿電流表,電動(dòng)壓下的位置顯示,推拉桿傳動(dòng)速度給定,轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)速度給定等。

控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)模板CP51M1與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連,與換輥 HMI服務(wù)器、精軋軋線TDC、精軋液壓 PLC通訊;通過 Profibus DP/MPI模板CP50M1與遠(yuǎn)程I/O站通訊。

認(rèn)準(zhǔn)制袋機(jī)，只做制袋機(jī)，熱愛制袋機(jī)，在這一專業(yè)領(lǐng)域，正博不斷創(chuàng)新、開辟天地。不僅推出了單張式全自動(dòng)及半自動(dòng)系列手提袋制袋機(jī)、卷筒式系列手提袋制袋設(shè)備，2018年又上市了全自動(dòng)手提袋穿繩機(jī)。晏小斌說，今后，正博還將蓄力研發(fā)更多新產(chǎn)品，繼續(xù)實(shí)現(xiàn)新的突破。

3.3 軟件配置

系統(tǒng)采用的軟件為:SIMATIC Step 7(V5.4,SP4),CFC(V6.1,SP1),WinCC開發(fā)版(V6.2),D7-SYS Function Block Generator(V2.1,SP2)。

4 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)換輥設(shè)備和操作流程,精軋機(jī)換輥控制采用標(biāo)準(zhǔn)化程序設(shè)計(jì),分為4個(gè)部分:系統(tǒng)輸入、系統(tǒng)設(shè)置、F1～F7換輥程序和系統(tǒng)輸出,并按功能模塊和控制類型的不同,分別控制,具體如圖2所示。

圖2 精軋機(jī)換輥控制程序框圖Fig.2 Program structure chart of finishing mill roll changing

4.1 軋鋼P(yáng)LC控制設(shè)備

精軋換輥涉及部分軋鋼P(yáng)LC控制的設(shè)備,有電動(dòng)壓下、液壓壓下、主傳動(dòng)、竄輥、彎輥、活套和側(cè)導(dǎo)板。為節(jié)約換輥時(shí)間、明確功能劃分,系統(tǒng)對此進(jìn)行協(xié)調(diào)處理。正常停軋換輥時(shí),軋線PLC在末機(jī)架拋鋼后,依次完成壓下卸荷、電動(dòng)壓下到190 mm換輥位、竄輥到換輥位、活套抬起、扁頭對中。故障處理或手動(dòng)換輥過程中,操作人員在操作臺(tái)可手動(dòng)對前面提到的軋線PLC控制設(shè)備進(jìn)行操作,但需注意現(xiàn)場觀察,避免誤動(dòng)作造成人員傷害或設(shè)備損壞,特別是操作主傳動(dòng)。

4.2 工作輥推拉桿

為滿足CVC竄輥需求,工作輥推拉桿控制要求定位精確(±3 mm),同時(shí)又要求動(dòng)作迅速,以提高換輥效率。

推拉桿檢測元件采用拉線式位移傳感器、電機(jī)編碼器和旋轉(zhuǎn)極限,可在HMI畫面上進(jìn)行選擇。正常工況下,通過位移傳感器檢測推拉桿運(yùn)行位置,并輔以電機(jī)編碼器進(jìn)行速度閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)推拉桿的快速速度響應(yīng)和精確定位。當(dāng)位移傳感器有故障時(shí),可選擇旋轉(zhuǎn)極限來定位,以便換輥的順利進(jìn)行。同時(shí),可利用旋轉(zhuǎn)極限進(jìn)行推拉桿極限位置保護(hù),避免設(shè)備損壞。

根據(jù)控制要求,工作輥推拉桿的行走速度分為高速、中速和低速,設(shè)有加速區(qū)和減速區(qū)。維護(hù)人員可在TDC的參數(shù)設(shè)置功能塊中設(shè)置速度參數(shù)和定位位置,具體的速度和位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 工作輥推拉桿速度和位置關(guān)系圖Fig.3 The relation between work roll ram speed and position

5 系統(tǒng)比較

這個(gè)項(xiàng)目是改造工程,機(jī)械設(shè)備和操作規(guī)程與以前新建工程項(xiàng)目有所不同。另外,這次換輥系統(tǒng)對硬件配置、軟件程序和HMI畫面進(jìn)行了優(yōu)化處理。下面進(jìn)行具體分析。

5.1 系統(tǒng)硬件配置

1)本系統(tǒng)只包括手動(dòng)換輥,即沒有SFC自動(dòng)換輥部分。這樣,單機(jī)架的換輥程序負(fù)荷有所降低,同時(shí)優(yōu)化程序,采用1塊CPU實(shí)現(xiàn)F1～F7精軋機(jī)換輥功能,CPU負(fù)荷為67%。與以前類似項(xiàng)目相比[3],CPU數(shù)量由3個(gè)減為1個(gè),降低成本。

2)考慮精軋機(jī)上的極限開關(guān)較多,在軋機(jī)頂上設(shè)有ET200S遠(yuǎn)程I/O站,每個(gè)精軋機(jī)有一個(gè)機(jī)上極限遠(yuǎn)程I/O站。這樣,接線更方便,減少因線路問題影響換輥,也便于維護(hù)。

3)與軋鋼P(yáng)LC相比,換輥控制系統(tǒng)對通訊實(shí)時(shí)性要求沒有那么高,所以與軋線TDC的通訊采用以太網(wǎng)通訊方式,而不使用GDM通訊。這樣,可減少1塊CP52A0通訊模板,降低成本。

5.2 換輥操作臺(tái)

根據(jù)機(jī)械設(shè)備和操作流程,重新設(shè)計(jì)換輥操作臺(tái)。操作臺(tái)臺(tái)面布置如下:左側(cè)為換輥通用指示燈/手柄/按鈕,中間為工作輥換輥設(shè)備指示燈/手柄/按鈕和支承輥換輥設(shè)備指示燈/手柄/按鈕,右側(cè)為換輥小車指示燈/手柄/按鈕。并且,按換輥設(shè)備動(dòng)作的先后順序,從上到下、從左至右依次排列換輥設(shè)備指示燈/手柄/按鈕。這樣,換輥操作臺(tái)布置合理、功能劃分清楚、操作方便,有助于提高換輥效率。

5.3 通訊

通訊對CPU的負(fù)荷占用率較高。同以前類似項(xiàng)目相比[3],該系統(tǒng)只有1塊CPU,減少了CPU之間的通訊,降低CPU負(fù)荷。

Profibus通訊的掃描周期較快,該系統(tǒng)與軋線TDC、精軋液壓PLC、HMI客戶機(jī)之間通過以太網(wǎng)通訊,掃描周期為256 ms,降低CPU負(fù)荷。

5.4 接近開關(guān)控制

在以前控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上,完善接近開關(guān)控制功能塊LS_MAN[3]。操作人員強(qiáng)制接近開關(guān)信號時(shí),根據(jù)閥輸出命令,LS_MAN功能塊自動(dòng)判斷是短接極限還是極限斷開,并且按閥動(dòng)作方向(方向1:設(shè)備駛向接近開關(guān),即接近開關(guān)應(yīng)有信號;方向2:設(shè)備駛離接近開關(guān),即接近開關(guān)應(yīng)無信號),給出接近開關(guān)故障信息和強(qiáng)制信息。

另外,由于熱軋現(xiàn)場環(huán)境惡劣:高溫、水汽、振動(dòng)、鐵屑等,接近開關(guān)容易損壞或誤動(dòng)作。除根據(jù)系統(tǒng)報(bào)警信息維護(hù)接近開關(guān)外,可學(xué)習(xí)寶鋼1580 mm熱軋廠的經(jīng)驗(yàn)[2],根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境將接近開關(guān)分類劃分,定期更換。這樣,就盡量避免因?yàn)榻咏_關(guān)故障耽誤換輥時(shí)間,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

5.5 HMI畫面

這次改造對換輥HMI畫面進(jìn)行優(yōu)化:整體布置緊湊、簡潔、功能齊全、操作方便。主畫面為F1～F7精軋機(jī)換輥通用信息,包括:操作臺(tái)集中信號,各機(jī)架的換輥模式、聯(lián)鎖指示、傳動(dòng)狀態(tài)(轉(zhuǎn)盤、推拉桿和換輥小車)。各機(jī)架換輥畫面與現(xiàn)場操作臺(tái)保持一致,這樣維護(hù)人員可遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場操作情況。

HMI上列出操作臺(tái)上機(jī)械聯(lián)鎖、極限聯(lián)鎖、電磁閥聯(lián)鎖和手柄聯(lián)鎖指示的具體信息,以及極限短接/斷開的操作和信息顯示。另外,HMI還自動(dòng)記錄換輥操作臺(tái)上手柄/按鈕操作、畫面控制操作、以及報(bào)警信息,并提供查詢功能,有助于維護(hù)人員開展維護(hù)工作,分析故障原因。

6 結(jié)束語

這次熱軋廠精軋機(jī)換輥?zhàn)詣?dòng)化系統(tǒng)改造,采用西門子SIMAT IC TDC控制器、SIMOVERT MASTERDRIVES變頻器、ET200M 和ET200S遠(yuǎn)程站、WinCC人機(jī)界面和現(xiàn)場操作臺(tái)。并根據(jù)設(shè)備情況和操作規(guī)范,對控制系統(tǒng)優(yōu)化處理,具有以下特點(diǎn):操作臺(tái)設(shè)計(jì)簡明實(shí)用,操作方便;程序優(yōu)化,CPU負(fù)荷適中,留有功能擴(kuò)展空間;標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),維護(hù)性高;HMI畫面功能齊全,簡潔好看。該系統(tǒng)自2009年3月投入運(yùn)行以來,工作穩(wěn)定,換輥效率高,滿足生產(chǎn)廠的改造要求。

[1]熱軋帶鋼精軋工作輥使用技術(shù)要求[EB/O L].2009-05-06.http://www.agzg.com.cn/main/jssm.htm.

[2]詹世明,程曉鳴,胡學(xué)雄.換輥傳感器預(yù)防性維修模型及最優(yōu)維修周期[J].設(shè)備管理與維修,2006(12):13-14.

[3]杜雪飛,吳俊杰,黃開林.精軋機(jī)換輥控制系統(tǒng)與優(yōu)化[J].冶金自動(dòng)化,2008(S1):108-111.