新型國(guó)產(chǎn)鋁合金電工桿連鑄連軋控制系統(tǒng)

劉亞龍

（上海電纜研究所，上海200093）

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新型國(guó)產(chǎn)鋁合金電工桿連鑄連軋控制系統(tǒng)

劉亞龍

（上海電纜研究所，上海200093）

摘要：分析國(guó)產(chǎn)鋁合金電工桿連鑄連軋生產(chǎn)線控制系統(tǒng)缺陷，結(jié)合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一套基于西門子PLC 與PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)。從影響生產(chǎn)線性能的主要因素入手，提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平。關(guān)鍵詞：鋁合金連鑄連軋；西門子PLC；6RA70直流控制器；G120變頻器；現(xiàn)場(chǎng)總線

0 引 言

連鑄連軋是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鋁合金電工圓桿的主要方法，可以減少鋁錠的二次重熔工序并降低鋁桿的生產(chǎn)成本。通過引進(jìn)消化國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，國(guó)產(chǎn)連鑄連軋?jiān)O(shè)備的制造工藝和產(chǎn)品質(zhì)量均有很大提高，但其控制系統(tǒng)還相對(duì)落后，使連鑄連軋?jiān)O(shè)備的性能、效率、能耗等受到一定影響。我們通過實(shí)踐與創(chuàng)新，改變鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)線工藝參數(shù)的控制方法，設(shè)計(jì)了一套新型鋁合金連鑄連軋控制系統(tǒng)。

1 鋁合金電工桿連鑄連軋生產(chǎn)線簡(jiǎn)介

1.1 連鑄連軋工藝流程

鋁錠經(jīng)過熔化、凈化形成鋁合金液體，經(jīng)流槽流入上下澆煲，然后注入連鑄機(jī)內(nèi)，在冷卻系統(tǒng)的作用下，形成連續(xù)鑄坯；由校直裝置、前牽引系統(tǒng)導(dǎo)入輥剪機(jī)、過橋、加熱器，通過喂料裝置喂入連軋機(jī)組，經(jīng)過多道次軋制后，軋制成φ7.5 mm（φ9.5 mm、φ12 mm、φ15 mm）的鋁合金桿；經(jīng)在線淬冷、再經(jīng)收線裝置進(jìn)行連續(xù)收線，打包捆扎后，吊至成品桿待檢區(qū)。

其工藝流程如下：凈化后的鋁合金液→澆煲→水平連鑄機(jī)→引橋→校直機(jī)→前牽引機(jī)→輥剪機(jī)→鑄坯過渡支撐裝置→在線感應(yīng)加熱爐→喂料機(jī)→連軋機(jī)→冷卻淬火裝置→收線→成圈鋁合金桿。

1.2 國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)存在的問題

控制系統(tǒng)應(yīng)具有控制靈敏、快速響應(yīng)、操作簡(jiǎn)單、維修方便等特點(diǎn)，才能保證生產(chǎn)線長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，產(chǎn)品質(zhì)量可靠。目前國(guó)外先進(jìn)的連鑄連軋生產(chǎn)線已實(shí)現(xiàn)全過程自動(dòng)化，可與企業(yè)信息管理系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線排除故障、工藝參數(shù)修改調(diào)整；并能通過生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集、分析，優(yōu)化生產(chǎn)工藝。

雖然現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)鋁合金連鑄連軋控制已采用PLC與變頻（或直流）控制，但單可控變量少，系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝參數(shù)不能固化，只能滿足鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)的基本要求，其主要問題如下：

（1）自動(dòng)化程度低，控制功能簡(jiǎn)單，人工操作繁瑣，易產(chǎn)生誤操作；

（2）生產(chǎn)線聯(lián)動(dòng)控制差，速度不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，需人工干預(yù)，易產(chǎn)生堵桿、斷桿等故障，導(dǎo)致生產(chǎn)線頻繁啟停，生產(chǎn)效率低；

（3）鑄坯在各生產(chǎn)階段的溫度無(wú)法自動(dòng)控制，只能手動(dòng)調(diào)節(jié)，控制精度差；

（4）控制系統(tǒng)電纜接線多，維護(hù)困難，電氣故障多。

2 現(xiàn)代連鑄連軋控制系統(tǒng)的先進(jìn)功能

現(xiàn)代連鑄連軋生產(chǎn)線控制系統(tǒng)是基于被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有良好的人機(jī)交換界面，且自動(dòng)化程度高、運(yùn)行安全可靠。具體表現(xiàn)為：

（1）具有可視化操作界面，可分畫面顯示澆鑄機(jī)、前牽引機(jī)、輥剪機(jī)、軋機(jī)、后牽引、繞桿、成筐以及冷卻、潤(rùn)滑等子系統(tǒng)；

（2）能方便發(fā)出操作指令，實(shí)時(shí)察看設(shè)備運(yùn)行狀況；

（3）工藝參數(shù)可以通過人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)定、修改、顯示；

（4）系統(tǒng)安全性能好，對(duì)系統(tǒng)各部件異常運(yùn)行能及時(shí)自動(dòng)報(bào)警、故障停車；

（5）系統(tǒng)的可拓展性強(qiáng)，能遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行必要的監(jiān)視、診斷和維護(hù)，并可修改參數(shù)和程序。

圖1　電氣主接線圖（單線圖）

3 新型鋁合金連鑄連軋自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

速度與溫度是影響鋁合金電工桿質(zhì)量的核心參數(shù)，控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)鋁合金鑄坯在生產(chǎn)過程各階段的速度與溫度變化，改變其他控制變量（如鋁合金液體流量、溫度，冷卻水流量、壓力，乳液潤(rùn)滑流量、溫度等），使鋁合金鑄坯速度與溫度趨于恒定。

本控制系統(tǒng)以西門子S7-300系列PLC為控制核心，基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，采用速度與溫度的PID控制，實(shí)現(xiàn)鋁合金電工桿連鑄連軋生產(chǎn)線自動(dòng)控制。

3.1 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)由低壓網(wǎng)絡(luò)供電，三相四線380 V、50 Hz，設(shè)備總功率約為800 kW（不含倍頻感應(yīng)加熱裝置）。因?yàn)樵阡X合金連鑄連軋生產(chǎn)過程中，要求調(diào)速范圍廣，過載能力大，且能頻繁啟停，所以生產(chǎn)線連軋機(jī)主電機(jī)采用450 kW的直流電機(jī)。直流電機(jī)調(diào)速性能好，轉(zhuǎn)矩控制簡(jiǎn)單可靠，過載能力強(qiáng)，由西門子直流調(diào)速裝置進(jìn)行控制。

澆鑄機(jī)、前牽引機(jī)、輥剪機(jī)、后牽引、繞桿、成筐、裝載小車的驅(qū)動(dòng)采用西門子G120變頻器控制。G120變頻器具有保護(hù)性強(qiáng)的特點(diǎn)和故障診斷功能，能提高設(shè)備安全性，且便于與主電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制。冷卻水、乳液潤(rùn)滑系統(tǒng)電機(jī)采用接觸器控制。圖1為電氣主接線圖（單線圖）。

3.2 控制系統(tǒng)框架

采用西門子S7-300系列的CPU313C-2DP控制器作為主控制單元，安裝于電控柜上作為主站，采用2套西門子ET200M遠(yuǎn)程I/O站作為從站，分別安裝于軋機(jī)操作臺(tái)及收桿操作臺(tái)內(nèi)接受現(xiàn)場(chǎng)操作控制指令，西門子HMI觸摸屏為人機(jī)界面，安裝于軋機(jī)操作臺(tái)。

ET200M遠(yuǎn)程I/O站、6RA70直流調(diào)速器、G120（帶有DP從站功能）變頻調(diào)速裝置與CPU313C-2DP之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，交換主站與從站之間的數(shù)據(jù)，PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線最高傳輸速率可達(dá)12Mbit/s，可以保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性。西門子HMI觸摸屏通過MPI網(wǎng)絡(luò)與PLC進(jìn)行全局?jǐn)?shù)據(jù)通信。

上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC通訊，可采集生產(chǎn)過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，與生產(chǎn)過程時(shí)間形成時(shí)序曲線，通過分析，優(yōu)化生產(chǎn)工藝。

由PLC系統(tǒng)完成整個(gè)生產(chǎn)線的工藝操作控制，如鑄機(jī)冷卻水流量控制、軋機(jī)的速度控制、張力控制、自動(dòng)減速、自動(dòng)準(zhǔn)確停車、液壓系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)的控制、系統(tǒng)的各類相關(guān)設(shè)備連鎖控制等。圖2為PLC控制網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)圖。

圖2　PLC控制網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)圖

3.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面采用西門子10英寸真彩屏幕，以MPI通訊方式與PLC進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)交換，通過PLC的程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制；同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的工藝參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行控制、工況顯示、報(bào)警顯示等。

可在屏幕上根據(jù)不同的頁(yè)面菜單查看鑄機(jī)段、軋前段、軋制段、收桿段的運(yùn)行情況。例如通過鑄機(jī)段可監(jiān)控鑄機(jī)各冷卻段流量和鑄輪電機(jī)的負(fù)載電流（力矩）；可分別顯示軋制段堵桿、斷桿的位置及軋機(jī)電機(jī)的負(fù)載電流（力矩）。圖3為人機(jī)界面的主畫面。

圖3　人機(jī)界面的主畫面

3.4 控制功能

生產(chǎn)線控制系統(tǒng)可根據(jù)不同工況進(jìn)行單機(jī)控制/聯(lián)動(dòng)控制切換。

（1）單機(jī)控制。單機(jī)速度由操作臺(tái)電位器或HMI觸摸屏給定，控制器同時(shí)采集電機(jī)速度編碼器反饋的速度值進(jìn)行比較，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，構(gòu)成一個(gè)單機(jī)的PI速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（2）聯(lián)動(dòng)控制。生產(chǎn)線速度以澆鑄機(jī)的速度為基準(zhǔn)，前牽引機(jī)、輥剪機(jī)、軋機(jī)等根據(jù)預(yù)設(shè)機(jī)械傳動(dòng)速比自動(dòng)跟蹤澆鑄機(jī)的速度，后牽引、繞桿等均自動(dòng)跟蹤軋機(jī)的速度；PLC控制系統(tǒng)根據(jù)各段速度反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)整各部件轉(zhuǎn)速，達(dá)到速度匹配；同時(shí)安裝在鑄機(jī)鑄坯引橋處的張力裝置作用于軋機(jī)，對(duì)軋機(jī)速度自動(dòng)微調(diào)，使生產(chǎn)更連貫。

（3）溫度控制。在鑄造、軋制過程中，要嚴(yán)格控制鑄坯溫度、速度，冷卻水溫度、壓力，乳化液溫度、壓力，這幾個(gè)工藝參數(shù)直接影響著鋁合金桿的質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)通過采集流槽合金液體溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)鑄機(jī)速度、澆鑄輪冷卻水溫度及壓力；在軋制過程中，根據(jù)進(jìn)軋溫度自動(dòng)調(diào)整乳化液溫度及壓力。

（4）聯(lián)動(dòng)速度閉環(huán)控制?？刂瞥绦蛘{(diào)用西門子S7-300自帶的PID控制器（調(diào)用FB41模塊），實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)速度PID控制；同時(shí)各單機(jī)控制器根據(jù)自身速度編碼器反饋微調(diào)本機(jī)轉(zhuǎn)速，使整條生產(chǎn)線同步運(yùn)行。圖4為軋機(jī)聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)速計(jì)算程序。

圖4　軋機(jī)聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)速計(jì)算程序

4 結(jié)束語(yǔ)

此套控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于本所開發(fā)的鋁合金電工桿連鑄連軋生產(chǎn)線上，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，還進(jìn)行了如下創(chuàng)新：

（1）采用自動(dòng)液面控制系統(tǒng)。熔爐和鑄機(jī)之間液面的穩(wěn)定對(duì)軋制至關(guān)重要，本生產(chǎn)線在上下澆煲之間增加一套自動(dòng)液面控制裝置，能自動(dòng)調(diào)節(jié)、保持流量恒定，使?jié)茶T機(jī)結(jié)晶輪內(nèi)鑄坯結(jié)晶均勻。

（2）改進(jìn)現(xiàn)有張力控制系統(tǒng)。張力控制是鋁合金電工桿連鑄連軋生產(chǎn)線速度控制的核心，生產(chǎn)線張力不均勻容易產(chǎn)生斷桿、堵桿等現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)線不能連續(xù)運(yùn)行，浪費(fèi)原材料且能耗增加，同時(shí)合金桿成品合格率低；本生產(chǎn)線采用紅外線測(cè)距裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)張力裝置，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、安裝方便、控制精度高。

作者地址：上海市軍工路1000號(hào)[200093］.

中圖分類號(hào)：TM244.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-6901（2016）04-0035-03

收稿日期：2016-01-05

作者簡(jiǎn)介：劉亞龍（1979-），男，工程師.

New Control System of Continuous Cast-Rolling M achine for Alum inum A lloy Electrical Rod

LIU Ya-long
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

Abstract：By analyzing the defect in control system of domestic continuous cast-rolling production line for aluminum alloy electrical rod，and combiningwith the paracticed experience，a new setof control system should be designed on the basis of the Siemens PLC and PROFIBUS-DP fieldbus，which is started from the decisive factor of affecting production line performance，so that to improve the antomation level of it.

Key words：aluminum alloy continuous casting and rolling；Siemens PLC；6RA70 DC controller；G120 inverter；field bus