基于SIMATIC TDC的冷軋帶鋼連退處理線自動化控制系統(tǒng)

(中冶南方(武漢)自動化有限公司，湖北 武漢 430223）

摘要：文章介紹了一種基于西門子SIMATIC TDC的冷軋帶鋼連續(xù)退火處理線的自動化控制系統(tǒng)，描述了這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和控制功能。由于西門子SIMATIC TDC的強大工藝控制功能，控制系統(tǒng)不僅可以完成多樣的邏輯控制需求，而且能夠滿足特殊的工藝控制要求，同時這種控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)基于西門子S7-400 具有高效、穩(wěn)定和易于維護的特點。

關(guān)鍵詞：冷軋帶鋼；連續(xù)退火；自動化；SIMATIC TDC

中圖分類號：TG333文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）09-0017-03

冷軋帶鋼連續(xù)退火處理線，是獲帶鋼最終磁性和機械性能要求的關(guān)鍵工序，該處理線將清洗脫脂、退火再結(jié)晶、涂層干燥等工藝功能集中在連貫的生產(chǎn)流程中，具有生產(chǎn)周期短、布置緊湊、生產(chǎn)效率高及產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良等特點

傳統(tǒng)的冷軋帶鋼連續(xù)處理線控制系統(tǒng)多采用可編程邏輯控制器（PLC）加工藝控制功能模塊（如T400工藝板）的方式來實現(xiàn)對處理線速度協(xié)調(diào)及張力的控制，局限于處理器的運算能力，速度及張力控制響應往往達不到最理想的效果?；谖鏖T子SIMATIC TDC的冷軋帶鋼連續(xù)處理線自動化控制系統(tǒng)不僅僅大大優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本，并且顯著提升了速度協(xié)調(diào)及張力控制的響應時間，使得處理線的穩(wěn)定運行能力大大增強。

一、概述

基于西門子SIMATIC TDC的冷軋帶鋼連續(xù)退火處理線的自動化控制系統(tǒng)的主要功能包括速度控制、張力控制、跟蹤定位控制和特殊工藝控制功能，如開卷工藝控制、卷取工藝控制、活套工藝控制、張力輥工藝控制等。這些功能控制需要大量的解耦計算、同時還需要前饋、反饋和大量的補償算法，這些都需要強大的運算處理器支持，而西門子SIMATIC TDC處理器正好可以滿足這種需求。由于系統(tǒng)采用了TDC機架，使系統(tǒng)的CPU數(shù)量減少，降低了工程成本。同時系統(tǒng)的集成度提高，用戶界面更友好，故障率降低，便于維護，工作效率提高?；赟IMATIC TDC 的控制器具有模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件擴展方便，采用時間間隔短，特別適合高性能、動態(tài)控制任務控制系統(tǒng)。

西門子SIMATIC TDC 控制系統(tǒng)的有以下顯著優(yōu)點：模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；超強的運算能力；64 位底板總線，64 位RISC CPU模板；采樣時間可達 100μs，適用于運動控制和閉環(huán)控制任務；同步多處理器運行，每個機架最多可有20個CPU；全局數(shù)據(jù)存儲，同步耦合多達44個機架；良好的編程環(huán)境，圖形化組態(tài)編程。

二、控制系統(tǒng)構(gòu)成

冷軋帶鋼連續(xù)退火處理線自動化控制系統(tǒng)由SIMATIC TDC，S7-400 PLC，S7-315FPLC 控制器組成，其中SIMATIC TDC 設置1 個機架6 個CPU，分別完成全線跟蹤、入口段主令、工藝段LCO（線速度協(xié)調(diào)），工藝段MRG（主速度發(fā)生器）、工藝段STC（特殊工藝控制）和出口段主令功能；S7-400 PLC 設置1 個機架，2個CPU，分別完成入口段和工藝段順控、出口段和公輔設備順控功能；S7-315F PLC 設置1 個機架，1個CPU，實現(xiàn)全線急停和故障安全系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)采用了TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。工業(yè)以太網(wǎng)基于工業(yè)級千兆以太網(wǎng)交換機，通訊速率高達1000M，配合光纖端口鏈路進行遠距數(shù)據(jù)傳輸，大大的提高了網(wǎng)絡速度和傳輸穩(wěn)定性。PROFIBUS DP網(wǎng)絡是一種應用較為廣泛的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，它使用雙絞屏蔽電纜，通訊速率最高可達12M，本控制系統(tǒng)采用PROFIBUS DP現(xiàn)場總線連接操作臺箱、遠程I/O、主、輔傳動控制器等子系統(tǒng)，大大減少硬線數(shù)量，有效提高了系統(tǒng)的簡潔性和可

靠性。

三、控制系統(tǒng)功能

（一）順序邏輯控制

順序邏輯控制主要完成單體恒速設備的控制以及離線輔助設備的控制，主要是針對恒速電機、各種閥門及公輔介質(zhì)系統(tǒng)。

（二）線速度協(xié)調(diào)控制

線速度協(xié)調(diào)控制是每個設備段（開卷段，退火段、卷取段等）的上層控制級，控制系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)線當前的運行指令選擇不同的工作模式，設定相應模式的速度、加速度等運行參數(shù)。它協(xié)調(diào)所有帶鋼的處理過程、傳輸，并啟動相應的設定、定位、控制、剪切等程序。線速度協(xié)調(diào)控制是一種疊加任務，用于每個設備段并完成所有帶鋼傳動的分配和協(xié)調(diào)，以確保最佳帶鋼動作。

線速度協(xié)調(diào)控制程序當中大量應用的是邏輯控制組合，基于圖形化的CFC連續(xù)功能圖開發(fā)界面，使得程序當中的邏輯控制更加直觀、易解。

（三）主速度斜坡發(fā)生器

主速度斜坡發(fā)生器執(zhí)行線速度協(xié)調(diào)控制和帶鋼運輸傳動間的連接。其中包括帶鋼運動需要的所有功能，如速度斜坡函數(shù)發(fā)生器用于設備運轉(zhuǎn)和加速，發(fā)生器在設備的啟動、加速時，運算產(chǎn)生一個平滑的啟動過程，以保證穩(wěn)定的帶鋼張力等控制特性。加速度（dv/dt）作為傳動的預控制，能減輕設備驅(qū)動負荷，改進其動態(tài)響應。

由于需要根據(jù)時間坐標不斷計算速度斜坡及加速度斜坡以產(chǎn)生平滑的啟停過程，積分及微分運算的性能在主速度斜坡發(fā)生器中起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的邏輯控制器，因為受到CPU運算性能及循環(huán)周期的影響，其PI計算時間間隔會受到一定的限制。SIMATIC TDC CPU551可保證嚴格根據(jù)可調(diào)的采樣時間間隔(最小0.1ms)進行循環(huán)處理。對于每個循環(huán)，操作系統(tǒng)本身只需要25～50μs的循環(huán)時間。這就意味著運算時間非常短，例如每個PI控制器大約為 1～3ms。

（四）帶鋼定點定位控制

帶鋼定位點定位為閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用這種閉環(huán)控制系統(tǒng)可對某專門帶鋼定點進行定位，如：帶頭、帶尾，將這一點定位在設備的特定位置上。裝在張力輥或夾送輥上的脈沖發(fā)生器作為信號傳感器，作為帶鋼定點定位的距離反饋。帶鋼定點定位有以下功能：

1．帶鋼頭部定位（如帶頭定位在切頭剪、焊

機等）。

2．帶鋼尾部定位（如帶尾定位在焊機、卷取機上等）。

3．自動減速功能，例如出口段分卷時，帶鋼自動減速保證速度降低或到零速，以便焊縫剪切。

（五）特殊工藝功能控制

特殊工藝功能控制主要包括帶鋼張力控制、開卷取卷徑計算及活套卷揚速度控制。

帶鋼張力控制從原理上說，有兩種控制方式可以選擇，即通過對傳動力矩的限幅，計算張力理論值實現(xiàn)的間接張力控制和帶有張力計反饋的直接張力控制。開卷取卷徑計算功能保證帶鋼在開卷或卷取過程中保持穩(wěn)定的速度及張力，不會因為開卷取機上鋼卷外徑發(fā)生變化而產(chǎn)生波動。因為活套內(nèi)帶鋼速度和張力受到進出活套帶鋼速度和張力的影響，同時考慮到運行時帶鋼摩擦、帶鋼自重的因素，對活套卷揚速度的精確控制是保證活套內(nèi)帶鋼速度及張力穩(wěn)定的必要條件，活套卷揚速度控制可以很好的完成這個

功能。

通常情況下，冷軋連續(xù)退火處理線的帶鋼張力控制及開卷取卷徑計算等特殊工藝控制放在工藝控制功能模塊（如T400工藝板）或上位控制PLC當中。在采用T400工藝板這種方式時，不但增加了上位控制和傳動執(zhí)行裝置之間的通訊負荷，同時也使得數(shù)據(jù)運算流程更加復雜。而將特殊工藝控制程序放在上位PLC當中，勢必會影響到整體控制系統(tǒng)的性能?；赟IMATIC TDC的特殊工藝控制，一塊CPU551就可以完成10塊左右T400的程序量，簡化了數(shù)據(jù)運算流程，最大的利用了TDC VME64位數(shù)據(jù)總線性能，同時還降低了系統(tǒng)成本。

（六）物料及焊縫跟蹤

處理線運行過程中，物料及焊縫跟蹤慣穿整個生產(chǎn)線，焊縫跟蹤需要在焊接時對焊縫處沖孔?？刂破魍ㄟ^張力輥上的脈沖發(fā)生器，根據(jù)帶鋼速度計算鋼卷的頭尾在開卷機/卷取機間的位置，并且當在線焊縫檢測裝置產(chǎn)生信號時，同步修正計算的焊接實際位置，使焊縫跟蹤同步。此外，物料和焊縫跟蹤還包括如下功能：

1．帶鋼信息跟蹤，從入口一直到出口。

2．每個鋼卷的信息化管理，位置、狀態(tài)等顯示在HMI上。

3．控制和切換設定值（如張力設定），使相應的控制器使能帶鋼同步。

4．帶鋼位置的初始化。

（七）人機接口（HMI）

人機接口通過以太網(wǎng)相互聯(lián)接，并以與基礎(chǔ)自動化相聯(lián)的服務器和客戶機為基礎(chǔ)。圖形以圖形標準接口為基礎(chǔ)。每個服務器覆蓋一個專門的處理線區(qū)段或者一個專門的功能。服務器管理著過程通訊、數(shù)據(jù)存貯以及與客戶機的通訊。各個客戶機將此用作操作站。它們顯示從服務器發(fā)出的數(shù)據(jù)，接受操作員輸入，并將它傳送至相應的服務器。本自動化系統(tǒng)的HMI 方案的優(yōu)點如下：

1．服務器和客戶采用標準操作系統(tǒng)（Microsoft OS）。

2．基礎(chǔ)自動化和過程計算機系統(tǒng)采用統(tǒng)一的操作和直觀顯示。

3．口令保護功能，便于安全的處理線操作。

4．直觀顯示與基礎(chǔ)自動化之間采用優(yōu)化后的接口，從而降低了總線負荷。

5．面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)處理。

四、結(jié)語

在冷軋帶鋼連續(xù)退火處理線控制系統(tǒng)當中，主令協(xié)調(diào)控制是所有控制功能的核心和主控單元。它根據(jù)操作人員給出的操作指令，執(zhí)行工作模式的切換，并且產(chǎn)生相應的運行速度，最終控制所屬區(qū)域的傳動裝置協(xié)調(diào)一致動作。同時，收集傳動裝置的實際運行狀態(tài)及故障信息，實時反饋給操作人員和維護人員?；赟IMATIC TDC的冷軋帶鋼連續(xù)退火處理線控制系統(tǒng)由于同時具備良好的邏輯處理和強大的數(shù)據(jù)運算能力，能夠很好的滿足這一控制需求，同時由于各個控制子模塊之間通過虛擬連接通訊，子模塊之間在保證各自完整功能的同時又具有很好的獨立性，因此根據(jù)不同的控制需求可以靈活的組合各個功能模塊，方便調(diào)試、維護及功能擴展。

除此之外，SIMATIC TDC的編輯調(diào)試環(huán)境支持功能塊的在線插入，離線和在線得以同步更新，讓后期軟件程序的維護工作變得更加方便，可以做到不停機修改，大大減少了系統(tǒng)停機時間，提高了處理線生產(chǎn)效率。

SIMATIC TDC一般多應用于軋機、平整機等控制系統(tǒng)當中，將其用于冷軋連續(xù)處理線是一種開創(chuàng)性的思路。事實證明，這種創(chuàng)新不但能取得優(yōu)良的控制性能，并且也能獲得相當?shù)慕?jīng)濟效益。

參考文獻

[1]鮑伯祥，陸章杰，王世寧．西門子TDC編程及應用指南

[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007．

作者簡介：丁煒（1981-），男，湖北羅田人，中冶南方（武漢）自動化有限公司工程師，研究方向：鋼鐵冷軋?zhí)幚砭€自動化控制技術(shù)。

（責任編輯：周加轉(zhuǎn)）