濟(jì)鋼1700熱軋產(chǎn)線熱卷箱控制系統(tǒng)及設(shè)計(jì)

摘 要：本文在綜述相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合濟(jì)鋼1700產(chǎn)線實(shí)際，系統(tǒng)闡述了熱卷箱電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要對電氣傳動、自動化控制系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了描述，給出了具有實(shí)踐指導(dǎo)意義的熱卷箱電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：熱卷箱；電氣傳動；自動化控制；HMI

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.024

1 概述

濟(jì)鋼1700熱連軋生產(chǎn)線是鞍鋼總承包的具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的平均月產(chǎn)超過22萬噸，最高月產(chǎn)達(dá)23.5萬噸，2012年通過中冶賽迪實(shí)施產(chǎn)線升級改造，新上熱卷箱，提升薄板生產(chǎn)比例，解決精軋機(jī)組能力不足及生產(chǎn)穩(wěn)定性問題。熱卷箱電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為系統(tǒng)升級改造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文結(jié)合系統(tǒng)機(jī)械、液壓和工藝的要求，闡述熱卷箱采用先進(jìn)可靠的電氣控制系統(tǒng)，其裝備水平先進(jìn)、成熟、可靠、完整，電氣控制裝備技術(shù)水平達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

熱卷箱項(xiàng)目包括熱卷箱前輥道、入口側(cè)導(dǎo)板、熱卷箱本體、夾送輥后輥道、熱卷箱液壓站、潤滑站等設(shè)備，熱卷箱本體由卷取站和開卷站兩部分組成。卷取站設(shè)備包括入口導(dǎo)槽、彎曲輥、彎曲輥輥縫調(diào)節(jié)裝置、成形輥、一號托卷輥、穩(wěn)定器；開卷站設(shè)備包括一號托卷輥、開卷臂、插入臂、保溫側(cè)導(dǎo)板、二號托卷輥、夾送輥和緩沖輥。熱卷箱控制系統(tǒng)復(fù)雜，熱卷箱在卷取時，其控制系統(tǒng)還涉及到粗軋機(jī)、延遲輥道和熱卷箱入口側(cè)導(dǎo)板的控制；熱卷箱在開卷時，其控制系統(tǒng)涉及到剪前側(cè)導(dǎo)板、剪前輥道、飛剪、除鱗箱和精軋機(jī)的控制。

2 電氣傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電源系統(tǒng)

整流變壓器的進(jìn)線電源采用三相三線制，電壓等級為AC10KV；非調(diào)速動力電源、液壓潤滑泵站動力電源、控制電源采用三相四線制，電壓等級為AC380V；計(jì)算機(jī)及PLC系統(tǒng)電源為單相，電壓等級為AC220V并且?guī)нM(jìn)線隔離。

2.2 傳動裝置

熱卷箱電機(jī)變頻裝置采用公共整流器及公共直流母線加逆變器供電方式，公共整流器采用6脈波的帶回饋的整流裝置，逆變器采用PWM調(diào)制的IGBT電源變換器。熱卷箱電機(jī)變頻裝置采用SIEMENS S120系列產(chǎn)品，采用整流回饋單元加逆變器供電方式，熱卷箱調(diào)速傳動電動機(jī)采用國產(chǎn)變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)。S120是西門子新推出的變頻控制設(shè)備，有如下特點(diǎn)：

（1）S120 變頻調(diào)速系統(tǒng)是SINAMICS系列中的最新一款高性能多電機(jī)傳動裝置，是采用DRIVE-CLiQ網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，集中進(jìn)線整流，公共直流母線逆變的新一代多電機(jī)傳動系統(tǒng)。

（2）SINAMICS S120 是西門子公司推出的全新的集V/F、矢量控制及伺服控制于一體的驅(qū)動控制系統(tǒng)，它不僅能控制普通的三相異步電動機(jī)，還能控制同步電機(jī)、扭矩電機(jī)及直線電機(jī)。

（3）一個控制單元可以控制多至4個矢量模式的傳動，既安全可靠又節(jié)省費(fèi)用，這允許數(shù)據(jù)直接在傳動與傳動之間進(jìn)行交換。

（4）S120柜機(jī)根據(jù)是按照“分區(qū)” 的概念設(shè)計(jì)，具備高標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行可靠性。柜體設(shè)計(jì)充分考慮了EMC規(guī)范，并按氣流導(dǎo)向和溫度控制將柜體進(jìn)行分區(qū)，簡化維修。

（5）S120功率組合及擴(kuò)展高度靈活，柜機(jī)有全部必須的接口和連接部件。即可在西門子工廠就連接就緒，也可在現(xiàn)場快速完成裝配，從而最大程度減少安裝和調(diào)試的費(fèi)用和時間。

2.3 液壓潤滑泵電機(jī)控制

考慮到液壓站泵用電機(jī)啟動、制動不頻繁，小于90KW采用MCC進(jìn)線接觸器直接啟動和停止控制；大于等于90KW泵電機(jī)采用施耐德軟啟動器控制，其系統(tǒng)控制則通過GE90 30PLC實(shí)現(xiàn)。

3 自動化控制系統(tǒng)

3.1 熱卷箱設(shè)備控制簡述

熱卷箱位于粗軋機(jī)與精軋機(jī)之間，通過將中間坯以帶卷形式保存在熱卷箱處，使帶坯進(jìn)入精軋機(jī)前頭尾換位，可大幅降低溫降速度和減少頭尾溫差，并減少生產(chǎn)線長度。熱卷箱有直通和卷取兩種工作模式。在直通模式下，熱卷箱不使用，中間坯直接進(jìn)入精軋機(jī)。在卷取模式下，從粗軋輸出的中間坯經(jīng)過熱卷箱卷取，再進(jìn)行開卷，實(shí)現(xiàn)頭尾換位，再進(jìn)入精軋機(jī)。

3.1.1 直通控制功能

在直通模式下，成形輥、托卷輥都預(yù)擺到直通位置，在粗軋機(jī)末道次咬鋼后，熱卷箱即跟隨粗軋機(jī)速度；當(dāng)帶坯進(jìn)入精軋機(jī)區(qū)域后，熱卷箱速度跟隨精軋機(jī)速度，從而保證熱卷箱輥道與粗精軋機(jī)的速度匹配關(guān)系。

3.1.2 卷取控制功能

（1）速度控制。在卷取過程中，根據(jù)卷取的不同階段，熱卷箱速度主令值從粗軋機(jī)末道次速度，切換到穿帶速度、卷取速度、尾部定位速度，直到尾部定位完成。

（2）彎曲輥輥縫控制。在進(jìn)行卷取前，彎曲輥預(yù)擺到設(shè)定彎曲輥縫，并隨著卷徑增大，要不斷打開彎曲輥輥縫，以保持良好卷形。

（3）三輥接觸控制。隨著帶卷直徑不斷增大而降低1CR托卷輥，使得帶卷外表面接觸到成形輥，從而保持良好的卷形。

（4）卷徑計(jì)算。在卷取過程中，對帶鋼進(jìn)行位置跟蹤，從而計(jì)算出鋼卷卷徑。

（5）帶尾定位。當(dāng)帶坯尾部離開熱卷箱入口側(cè)導(dǎo)板時，熱卷箱切換到尾部定位速度，進(jìn)行尾部自動定位，使尾端定位于預(yù)先設(shè)定的停車位置，以便開卷刀插入。

（6）入口側(cè)導(dǎo)板控。在帶坯進(jìn)入熱卷箱區(qū)域時，入口側(cè)導(dǎo)板進(jìn)行短行程控制，以便帶坯讓開不規(guī)則的頭尾，同時當(dāng)帶坯穿帶后，對其進(jìn)行對中。

（7）穩(wěn)定器控制。在卷取過程中，穩(wěn)定器對中間卷兩邊進(jìn)行拍打，以保證卷取成功。

3.1.3 開卷控制功能

（1）開卷刀浮動壓力控制。開卷刀在開卷前貼著中間卷外沿插入鋼卷與帶尾之間的間隙，以進(jìn)行開卷。在開卷刀向下運(yùn)動過程中，進(jìn)行浮動壓力控制，以便開卷刀能順利插入。

（2）速度控制。在開卷時，熱卷箱速度主令按開卷速度、精軋速度進(jìn)行切換。

（3）夾送輥壓力控制。開卷過程中，當(dāng)帶坯頭部進(jìn)入夾送輥后，夾送輥投入壓力控制，使帶鋼順利移送。

（4）主動無芯移送控制。為加快開卷節(jié)奏，可采用主動無芯移送方式，通過托卷輥、推卷輥動作，將鋼卷從卷取區(qū)域移送到開卷區(qū)域。

（5）開尾銷插入控制。當(dāng)帶卷還剩下數(shù)圈時，開尾銷自動伸出，協(xié)助開卷，以避免帶尾重疊進(jìn)入夾送輥或精軋機(jī)。

（6）保溫側(cè)導(dǎo)板控制。在開卷時，保溫導(dǎo)板進(jìn)行頭部短行程控制，以便帶坯讓開不規(guī)則的頭部，同時對帶坯進(jìn)行對中，以方便其進(jìn)入精軋機(jī)。

3.2 自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分三級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，一級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為內(nèi)存映像網(wǎng)，實(shí)施高速通訊及控制。二級網(wǎng)絡(luò)為以太網(wǎng)，搭建全線的以太網(wǎng)通訊平臺，對服務(wù)器進(jìn)行訪問和數(shù)據(jù)交換。三級網(wǎng)絡(luò)為DP網(wǎng)，通過DP網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一級對傳動系統(tǒng)一級傳動系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

一級內(nèi)存映像網(wǎng)，為環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)存映射實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，主要是一級基礎(chǔ)自動化之間的數(shù)據(jù)交換以及畫面服務(wù)器與PLC之間的數(shù)據(jù)交換。

二級以太網(wǎng)，設(shè)計(jì)為冗余環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，每個控制網(wǎng)絡(luò)采用100M全雙工光纖網(wǎng)，一旦發(fā)生故障，網(wǎng)絡(luò)可以在很短時間內(nèi)回復(fù)。交換機(jī)采用赫思曼的交換機(jī)，赫思曼的交換機(jī)采用了成熟的HIPER-Ring技術(shù)和冗余藕合機(jī)制技術(shù)，是最適合于工業(yè)現(xiàn)場以太網(wǎng)雙環(huán)冗余網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)。

三級DP網(wǎng)，主要滿足基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)與傳動裝置的數(shù)據(jù)交換，距離太遠(yuǎn)，需要在中間環(huán)節(jié)增加DP-coupler進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.3 基礎(chǔ)自動化構(gòu)成及功能

本系統(tǒng)采用GEFANUC PAC RX7i對熱卷箱進(jìn)行自動控制，采用90-30對液壓站進(jìn)行控制，預(yù)留與過程自動化通訊的接口。

3.3.1 熱卷箱控制器的控制功能（GE FANUC PACRX7i一臺）

（1）熱卷箱區(qū)域中間坯跟蹤及設(shè)備順序控制；

（2）卷取及開卷的自動與手動控制；

（3）熱卷箱區(qū)域設(shè)備仿真控制；

（4）熱卷箱區(qū)域設(shè)備速度、位置和壓力標(biāo)定及控制；

（5）彎曲輥輥縫、鋼卷卷徑、無芯移送控制功能；

（6）熱卷箱卷取站和開卷站設(shè)備安全連鎖控制；

（7）PLC與傳動PROFIBUS網(wǎng)連接對數(shù)字傳動裝置及I/O控制。

3.3.2 液壓潤滑控制器的控制功能（GE90-30PLC一臺）

（1）泵站啟停控制；

（2）泵站報警及聯(lián)鎖控制；

（3）液壓站工作泵、循環(huán)泵、加熱器的啟動、停止；

（4）液壓站的壓力、液位、溫度控制及顯示；

4 HMI系統(tǒng)及其功能

HMI監(jiān)控系統(tǒng)主要功能有兩個：一是設(shè)定功能，主要包括設(shè)定熱卷箱傳動系統(tǒng)的速度、超前率、穿帶速度等；設(shè)定熱卷箱液壓系統(tǒng)的位置、壓力等；設(shè)定熱卷箱出入口側(cè)導(dǎo)板開口度、調(diào)零等。二是顯示功能，主要包括熱卷箱帶坯跟蹤顯示；熱卷箱傳動系統(tǒng)及液壓傳動系統(tǒng)速度、電流、位置、溫度、壓力顯示；熱卷箱傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)設(shè)備故障報警，液壓潤滑站運(yùn)行狀態(tài)顯示等。

濟(jì)鋼1700熱連軋系統(tǒng)熱卷箱項(xiàng)目是一個改造項(xiàng)目，改造實(shí)施后熱卷箱系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足生產(chǎn)和工藝要求，薄規(guī)格產(chǎn)品比例明顯提升，控制系統(tǒng)能夠滿足工藝指標(biāo)要求，這一項(xiàng)目的改造實(shí)施具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

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