無縫鋼管生產(chǎn)線（PQF機(jī)組）自動(dòng)化控制系統(tǒng)

伍家強(qiáng)

無縫鋼管生產(chǎn)線（PQF機(jī)組）自動(dòng)化控制系統(tǒng)

伍家強(qiáng)

(天津鋼管集團(tuán)股份有限公司,天津，300301)

介紹了天淮508無縫鋼管生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。主要包括系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)配置、基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)功能分擔(dān)、網(wǎng)絡(luò)通訊及過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等內(nèi)容。該系統(tǒng)采用三層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將全線各種基礎(chǔ)自動(dòng)化的控制系統(tǒng)無縫的集成在一起，提高了無縫鋼管生產(chǎn)的自動(dòng)化控制水平，提升了生產(chǎn)節(jié)奏。生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性得到了有效保障。

無縫鋼管；控制系統(tǒng)；基礎(chǔ)自動(dòng)化

1 前言

天淮議508無縫鋼管生產(chǎn)線是一條年產(chǎn)能力50萬t的熱軋管生產(chǎn)線，配備了當(dāng)今國(guó)際上最先進(jìn)的二輥斜軋錐形輥穿孔機(jī)、5機(jī)架三輥限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)、3機(jī)架三輥脫管機(jī)、12機(jī)架三輥定徑機(jī)，主要設(shè)備從德國(guó)SMS Meer公司引進(jìn)。生產(chǎn)線具有世界先進(jìn)的過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，包括穿孔機(jī)工藝控制系統(tǒng)（CARTA-CTP）、定徑機(jī)工藝控制系統(tǒng)（CAR原TA-SM），連軋工藝參數(shù)設(shè)定及監(jiān)控系統(tǒng)(PSS)，連軋自動(dòng)輥縫控制系統(tǒng)(HCCS)，物料跟蹤系統(tǒng)(MTS)和在線檢測(cè)系統(tǒng)等工藝控制技術(shù)。同時(shí)，采用了超聲波探傷、漏磁探傷、測(cè)徑測(cè)厚等各種自動(dòng)化檢測(cè)手段來提高鋼管質(zhì)量。

天淮508無縫鋼管生產(chǎn)線根據(jù)工藝要求劃分為管坯區(qū)、環(huán)形加熱爐區(qū)（機(jī)電一體）、穿孔區(qū)、軋機(jī)區(qū)、定徑區(qū)、預(yù)精整1區(qū)、預(yù)精整2區(qū)、精整線等。其中管坯區(qū)、穿孔區(qū)、軋機(jī)區(qū)、定徑區(qū)、預(yù)精整1區(qū)，簡(jiǎn)稱為熱區(qū)。

除機(jī)電一體設(shè)備外其余基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)全套由ABB公司提供。預(yù)精整2區(qū)、精整線，簡(jiǎn)稱為冷區(qū)。冷區(qū)中的矯直機(jī)、探傷機(jī)、再切鋸等為機(jī)電一體設(shè)備，其他連線設(shè)備的電控由中冶京誠(chéng)提供。

天淮508無縫鋼管生產(chǎn)線控制系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)化程度，是基于廣義自動(dòng)化概念的高效系統(tǒng)。操作人員能及時(shí)做出更好的決策，進(jìn)而高質(zhì)高效地完成生產(chǎn)任務(wù)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

天淮508無縫鋼管生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要有以下幾部分組成：過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)（包括HMI人機(jī)接口界面系統(tǒng)、PLC控制器，分布式I/O系統(tǒng)等）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)總線、控制網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)部以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)通過相互組合構(gòu)成功能強(qiáng)大的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

熱區(qū)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)有9套AC800 PEC控制器，分布式I/O系統(tǒng)分為S100本地I/O系統(tǒng)和S800遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)；HMI系統(tǒng)采用人機(jī)界面軟件PG2，Server-Client結(jié)構(gòu)；工程師站基于Control Build M軟件平臺(tái)進(jìn)行編程調(diào)試。傳動(dòng)系統(tǒng)主要采用ACS800交流變頻傳動(dòng)裝置。

冷區(qū)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)有2套西門子S7-400控制器；分布式I/O系統(tǒng)為ET200M；HMI系統(tǒng)采用西門子工控軟件WinCC；工程師站基于西門子STEP7進(jìn)行編程調(diào)試；傳動(dòng)系統(tǒng)采用西門子G120的交流變頻傳動(dòng)裝置；

各單機(jī)控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式與主線控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)配置

天淮508無縫管生產(chǎn)線控制系統(tǒng)配備三級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)，構(gòu)成并行運(yùn)算、集中管理、分散控制、資源共享的分布式自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)組態(tài)圖如圖1。

圖1 控制系統(tǒng)組態(tài)圖

其中1級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)總線級(jí)，用于和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件（絕對(duì)值編碼器、位移傳感器等）、傳動(dòng)系統(tǒng)、分布式I/O系統(tǒng)及第3方的液壓站、潤(rùn)滑站進(jìn)行通訊。

S100本地I/O系統(tǒng)用S100的IO框架連接電纜接到CI856通信模塊。S100 IO系統(tǒng)配有高速脈沖計(jì)數(shù)模板可以實(shí)現(xiàn)高頻脈沖處理，充分滿足了生產(chǎn)過程中對(duì)各種類型信號(hào)的檢測(cè)和控制的要求。S100 I/O系統(tǒng)主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求比較高的控制，如位置控制、壓力控制及急?？刂频龋籗800遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)用PROFIBUS電纜接到CI854通信模塊，S800 I/O遠(yuǎn)程系統(tǒng)主要用于信號(hào)位置比較集中且對(duì)時(shí)間實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合。

傳動(dòng)系統(tǒng)主要采用ACS800公共直流母線的多傳動(dòng)系統(tǒng)。ACS800是ABB最新一代全數(shù)字交流變頻器控制裝置。最大的優(yōu)點(diǎn)就是采用了通用技術(shù)，其核心技術(shù)是最先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，最大限度地滿足控制精度和響應(yīng)速度要求。模塊化的設(shè)計(jì)理念具有方便維護(hù)的特點(diǎn)，從而極大減少了生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間。AC800PEC控制器與傳動(dòng)系統(tǒng)NDBU-95模塊采用光纖連接，使用DDCS通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)交換信息。

2級(jí)為控制級(jí)，用于控制器與控制器、控制器與服務(wù)器、服務(wù)器與服務(wù)器、服務(wù)器與客戶機(jī)以及控制器與操作員站、工程師站之間的通訊。

AC800PEC是ABB最新的高端快速控制器，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在閃存卡中，保存應(yīng)用程序而無需電池備份?？刂破鞑捎酶咚俚凸腃PU，可以支持高達(dá)16個(gè)控制任務(wù)。每個(gè)控制任務(wù)可以有不同的優(yōu)先級(jí)，可以設(shè)置相應(yīng)的周期時(shí)間，從而合理分配CPU負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)邏輯功能的正確性能。代碼循環(huán)時(shí)間在Control Builder層最快可達(dá)1ms；在C-Code層最快可達(dá)100us;在VHDL層最快可達(dá)1us。在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)實(shí)際設(shè)備控制需要，程序設(shè)置了不同級(jí)別周期任務(wù)。

AC800PEC控制器與AC800PEC控制器之間通訊是一種使用光纖介質(zhì)連接的高性能通訊，具有快速和低負(fù)荷的特點(diǎn)，能滿足控制精度和快速響應(yīng)的要求。所有AC800PEC控制器、服務(wù)器、工程師站、過程數(shù)據(jù)采集分析PDA系統(tǒng)都連接到基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中L1交換機(jī)上，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)的所有通訊系統(tǒng)?；A(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中的服務(wù)器分為Do原main controller（用戶管理服務(wù)器）、Aspect Server (功能服務(wù)器)和Connectivity Server(數(shù)據(jù)服務(wù)器)。Domain controller主要承擔(dān)了管理用戶權(quán)限的功能；Aspect Server為兩臺(tái)互為冗余的服務(wù)器，主要承擔(dān)了信息及對(duì)象的管理和分配的功能；Connectivity Server為兩臺(tái)互為冗余的服務(wù)器，主要功能是用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并為功能服務(wù)器的應(yīng)用提供自動(dòng)數(shù)據(jù)更新。過程數(shù)據(jù)采集分析PDA系統(tǒng)通過專用的光纖接口直接與AC800 PEC控制器進(jìn)行通訊。

3級(jí)為過程級(jí)，工業(yè)以太網(wǎng)用于實(shí)現(xiàn)AC800PEC控制器與過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、單機(jī)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。通過GLOBAL交換機(jī)連接穿孔機(jī)工藝控制系統(tǒng)、定徑機(jī)工藝控制系統(tǒng)、連軋工藝參數(shù)設(shè)定及監(jiān)控系統(tǒng)(PSS)、連軋自動(dòng)輥縫控制系統(tǒng)(HCCS)、質(zhì)量保證系統(tǒng)（QAS）、單機(jī)PLC控制系統(tǒng)等。

4 基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能分擔(dān)

生產(chǎn)線每個(gè)子區(qū)域都設(shè)有獨(dú)立的基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。根據(jù)工藝時(shí)序和設(shè)備動(dòng)作要求，基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)配置相應(yīng)的PLC控制器。

穿孔機(jī)區(qū)由有2個(gè)AC800 PEC控制器組成，第1個(gè)控制器完成穿孔機(jī)輸入輥道、主電機(jī)、導(dǎo)板、主機(jī)架等前臺(tái)設(shè)備控制（包括傳動(dòng)接口，邏輯和順序控制，位置控制，速度控制，物料跟蹤、故障信息處理、軋制表傳送、工藝計(jì)算機(jī)通訊接口、HMI系統(tǒng)通訊接口等功能）；第2個(gè)控制器完成穿孔機(jī)輸出輥道、三輥定心、升降輥道、止推小車等后臺(tái)設(shè)備控制（包括傳動(dòng)接口，邏輯和順序控制，位置控制，速度控制，物料跟蹤、故障信息處理、HMI系統(tǒng)通訊接口等功能）。

軋機(jī)區(qū)由4個(gè)AC800 PEC控制器組成，第1個(gè)控制器完成限動(dòng)、毛管支撐輥、芯棒支撐輥、夾送輥、軋機(jī)輸出輥道等設(shè)備控制（包括傳動(dòng)接口、邏輯和順序控制、位置控制、速度控制、故障信息處理、HMI接口通訊等功能）；第2個(gè)控制器完成芯棒循環(huán)的設(shè)備控制（包括傳動(dòng)接口、邏輯和順序控制、位置控制、速度控制、故障信息處理、HMI系統(tǒng)通訊接口等功能）；第3個(gè)控制器完成PQF軋機(jī)及脫管機(jī)的主機(jī)架控制（包括沖擊速降補(bǔ)償控制、傳動(dòng)接口、邏輯和順序控制、位置控制、速度控制、故障信息處理、HMI接口通訊等功能）；第4個(gè)控制器完成通訊及換輥的控制（包括軋機(jī)和脫管機(jī)換輥邏輯和順序控制、與HCCS接口、與工藝計(jì)算機(jī)的接口、物料跟蹤等功能）。

定徑區(qū)有1個(gè)AC800PEC控制器，完成定徑入口、主機(jī)架、定徑機(jī)出口、1#冷床、2#冷床、回轉(zhuǎn)臂等設(shè)備控制（包括傳動(dòng)接口，邏輯和順序控制，位置控制，速度控制，物料跟蹤、故障信息處理、HMI接口通訊等功能）。

其它各區(qū)域（管坯區(qū)、預(yù)精整1區(qū)）各有1個(gè)AC800 PEC控制器，完成區(qū)域設(shè)備的邏輯與順序控制、速度控制、位置控制、錯(cuò)誤信息處理、HMI接口通訊等功能。

預(yù)精整2區(qū)和精整線各采用1個(gè)西門子S7-400的CPU，型號(hào)為CPU414-2。完成區(qū)域設(shè)備的邏輯與順序控制、速度控制、位置控制、錯(cuò)誤信息處理、HMI接口通訊、與其它機(jī)電一體設(shè)備接口等功能。

5 過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

穿孔機(jī)工藝控制系統(tǒng)（CARTA-CTP）對(duì)穿孔機(jī)進(jìn)行工藝及孔型設(shè)計(jì)、工具管理、過程管理?？梢詭椭に嚾藛T進(jìn)行工具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的管理和優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理提供了方便。連軋自動(dòng)輥縫控制系統(tǒng)（HCCS）將工藝、機(jī)械、液壓與自動(dòng)化有機(jī)接合起來，達(dá)到在任何工作條件下最好的性能和最好的鋼管質(zhì)量，它能實(shí)現(xiàn)輥縫在軋鋼過程中的自動(dòng)調(diào)整，每個(gè)機(jī)架對(duì)應(yīng)每一個(gè)輥都有一個(gè)單獨(dú)的液壓缸控制，每一個(gè)液壓缸都帶有一個(gè)伺服閥，能夠?qū)崿F(xiàn)液壓缸快速而準(zhǔn)確定位。軋機(jī)參數(shù)設(shè)定及監(jiān)控系統(tǒng)（PSS）能夠?qū)崿F(xiàn)工藝參數(shù)的設(shè)定和生產(chǎn)工藝的過程控制。它可以采集包括電機(jī)速度、扭矩、電流等工藝數(shù)據(jù)，并且可以實(shí)時(shí)地保存各種采集的數(shù)據(jù)，來幫助對(duì)軋制過程進(jìn)行分析；定徑機(jī)工藝控制系統(tǒng)（CARTA-SM）具有工藝設(shè)計(jì)、孔型設(shè)計(jì)和機(jī)架管理功能，它是設(shè)計(jì)、優(yōu)化、管理軋輥孔型和軋制過程數(shù)據(jù)的輔助工具；熱軋線上配備了質(zhì)量保證系統(tǒng)（QAS）。在線檢測(cè)的具體內(nèi)容有管坯稱重、環(huán)形爐出口測(cè)溫，穿孔后測(cè)徑測(cè)長(zhǎng)、芯棒潤(rùn)滑前測(cè)溫、連軋入口測(cè)溫、連軋后測(cè)厚測(cè)長(zhǎng)測(cè)溫、定徑機(jī)前測(cè)溫，定徑機(jī)后測(cè)長(zhǎng)測(cè)溫等，通過物料跟蹤功能將這些數(shù)據(jù)分別送到各操作計(jì)算機(jī)終端和HCCS，CARTA、PSS等系統(tǒng)，及時(shí)提供工藝分析，提高鋼管軋制精度。

6 結(jié)束語

天淮508無縫鋼管生產(chǎn)線控制系統(tǒng)在投入生產(chǎn)運(yùn)行后，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，軋制產(chǎn)品符合工藝標(biāo)準(zhǔn)，并且可以根據(jù)生產(chǎn)要求靈活的對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展。實(shí)際生產(chǎn)表明本系統(tǒng)完全滿足生產(chǎn)控制工藝要求和實(shí)際生產(chǎn)操作的需要，對(duì)同類工程具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

[1]李建軍，余志偉，王歌，劉占國(guó).Industrial 800XA系統(tǒng)在無縫鋼管生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)儀器儀表，2009(7).

[2]李長(zhǎng)江.衡陽鋼管椎340連軋管機(jī)組電氣傳動(dòng)和自動(dòng)化系統(tǒng)特點(diǎn)[J].電氣傳動(dòng)，2006(6).

The Automation Control System of the Seamless Pipe Production Line(PQF Unit)

Wu Jiaqiang
(Tianjin Pipe(Group)Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

The control system of the 508 seamless pipe production line of Tianjin Pipe (Group)Corporation(TPCO)is introduced,including system construction and configuration, function sharing of basic automation system,network communication and control system of process computers.The system uses a three-layer network structure to seamlessly integrate various basic automation control systems of the entire line,improving the automation control level of the production line,increasing production rhythm and effectively ensuring production stability and reliability.

seamless pipe;control system;basic automation

TP273

B

1006-6764（2013）10-0060-04

2013-05-22

伍家強(qiáng)（1962-），男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理工作。