濟(jì)鋼1 700 mm熱連軋機(jī)精軋主令控制系統(tǒng)

吳中梁，陳　民

（山鋼股份濟(jì)南分公司　熱連軋廠，山東　濟(jì)南250101）

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信息化建設(shè)

濟(jì)鋼1 700 mm熱連軋機(jī)精軋主令控制系統(tǒng)

吳中梁，陳民

（山鋼股份濟(jì)南分公司熱連軋廠，山東濟(jì)南250101）

摘要：介紹了熱連軋機(jī)精軋機(jī)組主令控制原理。主令控制系統(tǒng)采用采用高性能控制器PAC Systems，通過光纖內(nèi)存映像網(wǎng)、以太網(wǎng)及Profibus-DP網(wǎng)等三層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊，人機(jī)接口HMI通過CIMPLICITY HMI采集PAC系統(tǒng)內(nèi)部寄存器的值來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)改造后，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，故障率控制在0.2%以內(nèi)，2.5 mm以下薄規(guī)格產(chǎn)量由2014年的4 000 t提升到2015年的140 000 t，累計(jì)提升產(chǎn)線貢獻(xiàn)2 000萬元。

關(guān)鍵詞：精軋機(jī)；主令控制；速度級聯(lián)；活套控制

1　前　言

濟(jì)鋼1 700 mm熱軋生產(chǎn)線主要由2座步進(jìn)式加熱爐、1臺(tái)四輥可逆式粗軋機(jī)、1臺(tái)切頭飛剪及熱卷箱、7機(jī)架精軋機(jī)組、1套帶鋼層流冷卻裝置、2臺(tái)卷取機(jī)、1套鋼卷運(yùn)輸系統(tǒng)等設(shè)備組成。精軋區(qū)主令控制系統(tǒng)主要設(shè)備有7架精軋機(jī)、6臺(tái)液壓活套組成。7架精軋機(jī)分別由1臺(tái)交流同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，操作人員通過操作站選擇軋機(jī)為軋制或空過，停車時(shí)精軋機(jī)根據(jù)軋輥的扁頭情況自動(dòng)定位。6臺(tái)活套為液壓控制，通過TDC控制系統(tǒng)來完成，在帶鋼軋制過程中，對活套進(jìn)行套量及小張力控制，以避免堆拉鋼現(xiàn)象［1］。

在帶鋼生產(chǎn)過程中，為了保證不堆鋼、不拉鋼，并恒定張力軋制，在穿帶過程中正確進(jìn)行速度的設(shè)定，在軋制過程中需要正確設(shè)定速度，且在精軋區(qū)域的各個(gè)機(jī)架之間采用快速液壓活套進(jìn)行套量的吸收和恒張力軋制。

2　精軋主令控制

2.1精軋主速度計(jì)算

在連續(xù)軋機(jī)機(jī)組中，各機(jī)架速度應(yīng)嚴(yán)格地遵循秒流量相等的關(guān)系進(jìn)行設(shè)定，即各機(jī)架軋件的截面面積和金屬流動(dòng)的乘積相等，計(jì)算公式如下：

式中，hi為第i機(jī)架的出口厚度，vi為第i機(jī)架的出口速度，精軋寬展可忽略。

速度設(shè)定是由過程控制系統(tǒng)根據(jù)軋制工藝狀況以及設(shè)備能力情況按照負(fù)荷分配的原則，得到各機(jī)架出口厚度，并且根據(jù)終軋溫度，確定末機(jī)架出口速度v6，然后用秒流量方程反推出各機(jī)架速度設(shè)定值：

由于hi可以根據(jù)軋制力的彈跳方程計(jì)算出來，因此各個(gè)機(jī)架的出口速度就可以計(jì)算出來。秒流量方程僅僅適用于穩(wěn)定的理想狀態(tài)，應(yīng)用于軋制過程時(shí)還需要根據(jù)前滑等因素進(jìn)行調(diào)節(jié)［2］。

2.2升降速控制

加速控制過程分為兩個(gè)階段，第1階段為末機(jī)架咬鋼加速階段，第2階段為卷取機(jī)咬鋼加速階段，此兩個(gè)階段的加速率不同。當(dāng)精軋出口溫度控制投入時(shí)，加速過程將受精軋出口溫度控制。減速過程按照固定的斜率進(jìn)行，減速的時(shí)序由設(shè)定的拋鋼速度決定，是指在F6拋鋼時(shí)軋機(jī)的主速度要降到設(shè)定的拋鋼速度，以此來決定減速的時(shí)序，通常在F2拋鋼減速，如圖1所示。

圖1　軋機(jī)主速度的時(shí)序控制

2.3精軋機(jī)速度級聯(lián)控制

速度級聯(lián)控制是通過傳送本機(jī)架速度波動(dòng)部分到上游機(jī)架，從而保證機(jī)架間秒流量關(guān)系相同。速度調(diào)節(jié)控制包括手動(dòng)微調(diào)、活套補(bǔ)償、AGC的壓下量補(bǔ)償以及下游機(jī)架送來的級聯(lián)補(bǔ)償量。第i機(jī)架的速度調(diào)節(jié)量為：式中，MRH為速度主令調(diào)節(jié)系數(shù)，SSRHi為Fi機(jī)架速度調(diào)節(jié)系數(shù)，VCi為Fi機(jī)架的速度校正量，包括手動(dòng)補(bǔ)償、活套補(bǔ)償及壓下補(bǔ)償，SSVi為下游機(jī)架對本機(jī)架的級聯(lián)量。

末機(jī)架的速度是作為基準(zhǔn)值而不調(diào)節(jié)的，只有速度主令調(diào)節(jié)系數(shù)來進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)的偏移方向是下游向上游機(jī)架進(jìn)行，通常稱為逆調(diào)。在帶鋼進(jìn)精軋機(jī)組前，精軋機(jī)組各機(jī)架要達(dá)到本塊鋼的穿帶速度，否則將不允許進(jìn)鋼。

2.4活套控制

恒定活套量和小張力軋制是現(xiàn)代熱連軋精軋機(jī)組的一個(gè)基本特點(diǎn)。在軋制過程中，由于主傳動(dòng)系統(tǒng)總是存在著動(dòng)態(tài)咬鋼速降，在穩(wěn)定軋制階段又總是存在著各種外部干擾，不可能始終保持各機(jī)架之間的速度匹配關(guān)系，所以設(shè)置活套的主要目的是檢測到這些偏差，進(jìn)而通過高度調(diào)節(jié)吸收這些活套量，保障生產(chǎn)正常穩(wěn)定。

此外，因?yàn)樵跓徇B軋軋制過程中，軋件溫度很高，若受到太大的張力，其張應(yīng)力就有可能超過金屬的流動(dòng)極限，使帶鋼受拉（拉窄、變?。┳冃魏臀膊渴埡褴S等，而活套裝置的另一個(gè)作用就是使帶鋼保持恒定的小張力。

本精軋共有7個(gè)機(jī)架，設(shè)立6個(gè)活套，活套控制系統(tǒng)功能包括：活套順序控制、張力控制、軟接觸控制、活套高度控制和活套尾端補(bǔ)償控制等?；钐卓刂葡到y(tǒng)為液壓系統(tǒng)，采用SIEMENS TDC系統(tǒng)進(jìn)行控制，為活套投入和可靠運(yùn)行提供保障，主要控制有：活套順序控制、活套張力控制、活套高度控制、活套軟接觸控制等。

帶鋼頭尾位置通過軋制力壓力檢得，并通過檢得信號發(fā)出起落套控制時(shí)序，活套高度閉環(huán)是通過調(diào)節(jié)上游機(jī)架的速度來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)檢測到預(yù)設(shè)活套角和實(shí)際活套角有偏差時(shí)，采用PID算法調(diào)節(jié)上游機(jī)架主速度，并且通過級聯(lián)調(diào)節(jié)上游機(jī)架的主速度，最大調(diào)節(jié)范圍為速度設(shè)定值的15%。

2.5帶鋼跟蹤

帶鋼跟蹤是通過對帶鋼在某個(gè)機(jī)架的位置進(jìn)行跟蹤，從而根據(jù)跟蹤時(shí)序控制精軋機(jī)后測厚儀關(guān)閘的打開或者控制活套的起套和落套時(shí)序，是對通過壓頭計(jì)算的機(jī)架咬鋼信號的補(bǔ)充。帶鋼跟蹤包括對帶鋼頭部位置的跟蹤和尾部位置的跟蹤。位置跟蹤計(jì)算公式為：

式中，P0為積分起點(diǎn)與位置計(jì)算參考點(diǎn)的距離，V為帶鋼速度。

現(xiàn)場實(shí)際的關(guān)鍵點(diǎn)的物理位置，可以通過圖紙得出并進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)際測量，通過調(diào)節(jié)位置跟蹤量實(shí)現(xiàn)活套系統(tǒng)的小套控制，避免穿帶過程頂撞護(hù)板和拋鋼時(shí)甩尾。

2.6主令控制過程［3］

主令控制分為手動(dòng)和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制主要包含系統(tǒng)起車、空轉(zhuǎn)、升速、降速及停車，手動(dòng)控制系統(tǒng)的速度及斜率通過系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定來實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的速度設(shè)定包括穿帶速度、最大速度及拋鋼速度，其速度設(shè)定值來自二級系統(tǒng)，一級系統(tǒng)根據(jù)位置跟蹤控制時(shí)序，切換不同速度。

主軸定位控制過程。為實(shí)現(xiàn)換輥的高效快速，需要提前對工作輥扁頭實(shí)施對中。扁頭對中在正常停車過程中自動(dòng)定位，其原理是通過工作輥主軸安裝的定位接近開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，確保換輥前后扁頭在同一個(gè)位置。

空過控制過程。精軋機(jī)組正常采用7機(jī)架生產(chǎn)，但是根據(jù)生產(chǎn)工藝要求及設(shè)備故障的具體情況，精軋機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)任意一機(jī)架空過或任意兩個(gè)不相臨機(jī)架的空過?？者^過程中，傳動(dòng)系統(tǒng)可以是工作的，也可以是被動(dòng)的，即能夠?qū)崿F(xiàn)工藝空過和故障空過，滿足不同現(xiàn)場的實(shí)際需求。

3　控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1控制系統(tǒng)要求

1）精軋主令控制系統(tǒng)具備高速處理的能力。軋機(jī)設(shè)備控制及工藝參數(shù)控制的周期在20 ms以內(nèi)，活套控制要求達(dá)到2 ms以內(nèi)，為此，需采用高性能控制器。

2）精軋主令控制系統(tǒng)具備高速通訊的能力。由于多個(gè)控制功能最終都作用到變形區(qū)，因此存在較強(qiáng)的功能間耦合，并共享輸入和輸出模塊，需要相互傳遞補(bǔ)償信息，數(shù)據(jù)更新時(shí)間要求在2 ms以內(nèi)。

3.2控制系統(tǒng)的硬件配置

熱卷箱控制系統(tǒng)硬件采用GE Fanuc產(chǎn)品，在穩(wěn)定性和成熟性上都有可靠保證。PAC Systems是GE Fanuc公司推出的高性能控制器，是GE90-70系統(tǒng)的升級，速度為GE90-70系列PLC的10倍，熱精軋主令控制系統(tǒng)采用的是IC698CPE020，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速處理，其配置如表1。

表1　主令控制系統(tǒng)機(jī)架配置

3.3網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成

精軋主令控制系統(tǒng)通過3層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊來實(shí)現(xiàn)，其3層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分別為：光纖內(nèi)存映像網(wǎng)、以太網(wǎng)及Profibus-DP網(wǎng)，其連接及通訊對象見圖2。

圖2　精軋速度主令控制系統(tǒng)配置

第1層網(wǎng)絡(luò)為光纖內(nèi)存映像網(wǎng)。內(nèi)存映像主網(wǎng)將直接與過程控制級服務(wù)器相連，是該系統(tǒng)主網(wǎng)，連接軋線上各主要功能控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)站、實(shí)時(shí)仿真站及二級系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速通訊。

第2層網(wǎng)絡(luò)為基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)，主要完成控制器、操作員站、特殊功能站、軋線儀表及二級系統(tǒng)之間通訊、HMI系統(tǒng)通訊，同時(shí)亦作各控制器遠(yuǎn)程編程用。

第3層網(wǎng)絡(luò)為現(xiàn)場總線Profibus DP網(wǎng)，主要提供各區(qū)域的控制器與主/輔電氣傳動(dòng)、遠(yuǎn)程I/O及OPU的通訊，最高通訊速度12 Mb/s，現(xiàn)場總線的普遍采用實(shí)現(xiàn)了以少量通訊電纜代替大量控制電纜的目的［4］。

3.4人機(jī)接口

人機(jī)接口HMI畫面是通過CIMPLICITY HMI采集PAC系統(tǒng)內(nèi)部寄存器的值來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。區(qū)域以太網(wǎng)采取多模光纖，區(qū)域內(nèi)部采用雙絞線，實(shí)現(xiàn)全線的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。軋線上的工控機(jī)連接在以太網(wǎng)絡(luò)上，工控機(jī)安裝的上位機(jī)軟件通過以太網(wǎng)的物理通道采集全線任一臺(tái)處理器上的內(nèi)部寄存器地址并顯示在畫面上，操作人員根據(jù)畫面的實(shí)際現(xiàn)場設(shè)備的儀表數(shù)據(jù)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行手工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。

4　結(jié)　語

2014年濟(jì)鋼1 700 mm熱連軋機(jī)精軋主令控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于現(xiàn)場，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，故障率控制在0.2%以內(nèi)，為熱軋順利生產(chǎn)提供了保障。同時(shí)，2.5 mm以下薄規(guī)格產(chǎn)量由2014年4 000 t提升到2015年的140 000 t，1.5 mm熱軋平板及熱軋花紋板相繼實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，1.2 mm熱軋平板實(shí)現(xiàn)通鋼，累計(jì)提升產(chǎn)線貢獻(xiàn)2 000萬元。

參考文獻(xiàn)：

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Master Control System for Jinan Steel 1 700 mm Hot Strip Finishing Mill

WU Zhongliang, CHEN Min

（The Hot rolling mill of Jinan Branch of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Jinan 250101, China）

Abstract:The mill master control theory of the hot rolling was introduced in this paper. On this basis，the mill master control system was described. It includes the composition of the hardware control system PAC Systems, the composition of three layer network structure: the reflective memory network, the Ethernet network and the DP network and the data management of human-machine interface CIMPLICITY HMI. After the transformation for the system, the control system is stable, the failure rate is controlled within 0.2%. The production of the steel plate less than 2.5 mm from 4 000 t in 2014 was increased to 140 000 t in 2015, the cumulative contribution of 20 million Yuan to this production line.

Key words:rolling mill; master control; speed cascade; looper control

中圖分類號：TG334.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4620（2016）02-0051-03

收稿日期：2016-01-15

作者簡介：吳中梁，男，1979年生，2014年畢業(yè)于青島理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)?，F(xiàn)為山鋼股份濟(jì)南分公司熱連軋廠工程師，從事電氣設(shè)備運(yùn)行管理及維護(hù)工作。