基于冷軋自動化技術(shù)的西門子控制系統(tǒng)

霍巖巖 謝海云

（邯鄲卓立精細(xì)板材有限公司，河北 邯鄲056700）

1 過程自動化的概念

可概述為：在生產(chǎn)的軋制過程中，通過采用反映軋制過程變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型、自動控制裝置、計算機(jī)及其控制程序等，使各種過程變量（如流量、溫度、張力和速度等）保持在所要求的給定值上，并合理地協(xié)調(diào)全部軋制過程以實現(xiàn)自動化操作的一種先進(jìn)技術(shù)。 由于對冷軋薄板質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)，因此計算機(jī)控制系統(tǒng)已是冷連軋不可缺少的組成部分。

2 冷軋過程自動化部分

冷軋過程自動化的概念可概述為：在生產(chǎn)的軋制過程中，通過采用反映軋制過程變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型、自動控制裝置、計算機(jī)及其控制程序等，使各種過程變量（如流量、溫度、張力和速度等）保持在所要求的給定值上，并合理地協(xié)調(diào)全部軋制過程以實現(xiàn)自動化操作的一種先進(jìn)技術(shù)。 由于對冷軋薄板質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)， 因此計算機(jī)控制系統(tǒng)已是冷連軋不可缺少的組成部分。二級計算機(jī)系統(tǒng)在生產(chǎn)中的作用：它利用材料跟蹤功能來支持生產(chǎn)；利用模型計算出設(shè)置值，并把這些設(shè)置值送到現(xiàn)場級，這樣可以減輕現(xiàn)場控制系統(tǒng)的壓力，也可以統(tǒng)一產(chǎn)品質(zhì)量；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以多次計算設(shè)定點來優(yōu)化產(chǎn)品；并且可以使操作簡單化，解放了大量的勞動力，日志功能可以給工程師等人提供技術(shù)參數(shù)支持；所以二級計算機(jī)實現(xiàn)了現(xiàn)代的、先進(jìn)的工業(yè)自動化。

3 基礎(chǔ)自動化

基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)（L1 級）主要由PLC，遠(yuǎn)程I/O 和HMI 組成，控制生產(chǎn)線的運行。 其功能主要包括生產(chǎn)線的各種傳動控制，工藝和儀表的開環(huán)和閉環(huán)控制，采集生產(chǎn)線的重要狀態(tài)信息，質(zhì)量數(shù)據(jù)和消耗量數(shù)據(jù)， 并報送二級系統(tǒng)。 提供操作員畫面， 方便生產(chǎn)線的操作和維護(hù)。 其中HMI 是基于服務(wù)器和客戶機(jī)原理，相互之間以及與自動化系統(tǒng)之間通過快速以太網(wǎng)連接。 服務(wù)器負(fù)責(zé)過程通訊，數(shù)據(jù)存儲以及與客戶機(jī)通訊。客戶機(jī)作為操作站，顯示服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)，接受操作工的輸入并傳送給服務(wù)器。 同時采用SIEMENS WinCC（Windows Control Center——窗口控制中心）系統(tǒng)軟件包作為HMI 的核心軟件，具有實時監(jiān)控、歷史趨勢圖和報表、故障信息、良好的人機(jī)界面、豐富的圖形庫、過程控制功能塊和數(shù)學(xué)函數(shù)、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制自動化過程的強大功能，是基于個人計算機(jī)的操作監(jiān)視系統(tǒng)。

冷軋項目所用到的基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)所用到的產(chǎn)品介紹: 冷軋項目各個生產(chǎn)機(jī)組的基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)主要采用西門子的S7-400 系列PLC 和WinCC 系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)與人機(jī)接口的WinCC 均為西門子公司產(chǎn)品，所以控制系統(tǒng)在以太網(wǎng)及Profibus－DP 網(wǎng)通訊上比較簡單、易維護(hù)。

4 硬件組態(tài)

如圖1 所示， 采用西門子S7-400 系列PLC 作為AGC 系統(tǒng)的核心控制單元。 利用FM485 功能模板提高了AGC 系統(tǒng)實時性的同時，也與分散的ET2 00 通訊模塊組成FROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)， 進(jìn)而減少了主站與測量點的接線。 人機(jī)界面采用西門子公司生產(chǎn)TP27-6 觸摸屏， 使用S7-400 系列的443-1CPU 完成主站與人機(jī)界面計算機(jī)的通信。 位移信號的測量采用德國生產(chǎn)的MTS 絕對值傳感器，左／右卷機(jī)的轉(zhuǎn)速測量選用增量編碼器， 利用FM485 功能模板上的絕對值和增量編碼器模塊讀取位移和轉(zhuǎn)速值。相對于液壓壓下伺服機(jī)構(gòu)的位置內(nèi)環(huán)控制(APC)而言，AGC 是鋁箔厚度的外環(huán)控制，其 輸出信號主要是用來修正位置內(nèi)環(huán)的輥縫設(shè)定值，通過液壓伺服驅(qū)動，使軋輥快速動作，以達(dá)到迅速消除厚度誤差的目的。

該控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方式，測厚儀、S7-400 系列PLC 和軋機(jī)構(gòu)成鋁箔厚控制的外環(huán)， 該外環(huán)控制由厚度監(jiān)控環(huán)的下位機(jī)完成。內(nèi)環(huán)使用了兩個閉環(huán)，分別是控制伺服液壓缸的位移傳感器回路和液壓壓下伺服機(jī)的壓力傳感回路。

圖1

圖2

5 軟件組態(tài)

這個系統(tǒng)的軟件采用Wincc 軟件，Wincc 使用非常方便、 功能也很齊全，用戶可以進(jìn)行組寒、編程和數(shù)據(jù)管理，操作畫面、控制畫面、監(jiān)視畫面、實時曲線、歷史曲線等非常齊全。下面介紹一下操作畫面和控制畫面：

操作畫面：

通過系統(tǒng)控制液壓泵站，自動控制油溫，如果出現(xiàn)油溫異常、壓力異常、油液潔凈度下降、液位低等立即報警，提醒操作人員及維護(hù)人員注意，便于維護(hù)。

控制畫面：

系統(tǒng)實時監(jiān)控開卷機(jī)、卷取機(jī)、主機(jī)的運行是否良好，里面所有的直流電機(jī)的運行狀態(tài)都可以監(jiān)控——電樞電流、軋制速度、開卷，卷取卷徑值、前后張力給定值，入口/出口厚度、軋制力、彎輥力、軋制油溫度及壓力顯示，軋制液噴射狀態(tài)。

6 實踐應(yīng)用

基于PLC 和AGC 的鋁箔板厚度控制系統(tǒng)在產(chǎn)品生產(chǎn)中獲得了令人滿意的效果。 針對厚度為0.1 mm 的鋁箔板，AGC 控制厚度在20μm 范圍內(nèi)的比例為95%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工軋制78%的比例，事實驗證， 本方案所采取的模糊PID 控制器完全能滿足鋁箔 板厚度控制的要求。

7 結(jié)論

在實際使用過程中，F(xiàn)M458 工作穩(wěn)定可靠， 編程功能強大且易于修改維護(hù)，并能很好地融入到S7-400 的控制系統(tǒng)中。鋁箔厚度在基于S7-400PLC 的AGC 系統(tǒng)作用下，滿足了預(yù)期的效果。 具體生產(chǎn)過程驗證了在鋁軋機(jī)上安裝AGC 系統(tǒng)提高了軋機(jī)精度的同時，也方便了現(xiàn)場操作人員的人 工操作。 基于S7-400 的AGC 系統(tǒng)人機(jī)界面友好、維護(hù)方便、成本投入低的優(yōu)點，對我國鋁箔生產(chǎn)產(chǎn)生了較大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］矯志杰,何純玉,牛文勇,劉相華.中厚板軋機(jī)全自動軋鋼控制功能的在線實現(xiàn)[J].東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005（08）.

［2］楊玉杰,周建宏.漿紗機(jī)卷取系統(tǒng)的PLC 智能控制[J].電氣開關(guān)，1999（06）.

［3］吳彬,陳海耿.帶鋼廠熱軋機(jī)組層流冷卻數(shù)學(xué)模型[J].黃金學(xué)報，2001（04）.