銅帶輥式矯直機(jī)傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的升級(jí)改造

呂光鎖

（銅陵金威銅業(yè)公司設(shè)備管理部，安徽銅陵244000）

銅帶輥式矯直機(jī)傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的升級(jí)改造

呂光鎖

（銅陵金威銅業(yè)公司設(shè)備管理部，安徽銅陵244000）

對(duì)銅帶矯直機(jī)原有傳動(dòng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，采用交流傳動(dòng)代替直流傳動(dòng)，用電動(dòng)位置控制代替液壓位置控制，增加傳動(dòng)力矩和輥縫壓下力，提高矯直后帶材的平直度，改善板形，保證銅帶銑面機(jī)帶面銑削質(zhì)量并降低帶材幾何耗失量。對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并給出了系統(tǒng)升級(jí)改造的具體方案和實(shí)現(xiàn)方法。

矯直機(jī)；傳動(dòng)；DP通信；自動(dòng)位置控制

1 引言

銅帶銑面機(jī)是銅板帶材生產(chǎn)工藝流程中的重要設(shè)備，它將熱軋開坯或水平連鑄后的銅帶坯來料銑去兩面及兩邊的氧化層，為后續(xù)冷中軋?zhí)峁┍砻尜|(zhì)量高的帶材，其帶面銑削質(zhì)量和帶材幾何耗失量直接受來料帶材表面平直度的影響。矯直機(jī)是銑面機(jī)的入口設(shè)備，經(jīng)過交錯(cuò)排列的矯直輥多次反向彎曲，對(duì)來料銅帶進(jìn)行矯平，以消除其翹曲并改善其平直度和板形。某機(jī)組原有矯直機(jī)設(shè)計(jì)最大矯平寬度為1290mm，厚度為11～16mm，運(yùn)行線速度為0～18m/min，輥縫定位精度＜±0.05mm，采用9輥整體傾斜式方案。由于機(jī)組原輥系及輥縫壓下機(jī)構(gòu)的剛度和動(dòng)力不夠，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)矯直效果不佳，故需要對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行升級(jí)改造。在對(duì)矯直力及扭矩進(jìn)行計(jì)算和改善位置控制性能過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的電氣傳動(dòng)及位置控制動(dòng)力機(jī)構(gòu)不能滿足要求，因此，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)。

2 原矯直機(jī)傳動(dòng)及控制系統(tǒng)組成

原矯直機(jī)由矯直機(jī)本體、減速分配箱、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)組成。矯直機(jī)所在銑面機(jī)組采用直流調(diào)速傳動(dòng)方式。自動(dòng)化系統(tǒng)采用分層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，使用西門子S7-300PLC實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制功能。驅(qū)動(dòng)裝置采用西門子6RA70系列三相全控橋全數(shù)字式直流調(diào)速器，PLC與調(diào)速器之間通過Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通信，與上位操作站（HMI）之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通信。矯直機(jī)的電氣及自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括傳動(dòng)和自動(dòng)位置控制。傳動(dòng)系統(tǒng)直流電機(jī)型號(hào)為Z4-180-21，功率為45kW，電流為115A。調(diào)速器型號(hào)為SIMOREG 6RA7031-6DV62，額定輸出功率為52.5kW，采用速度閉環(huán)控制。輥縫開口度自動(dòng)位置控制系統(tǒng)采用電液閥控馬達(dá)位置控制（HAPC），由液壓閥控制液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺旋升降機(jī)來調(diào)節(jié)上輥系入出口開度。其整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成及控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)功能分析

3.1 直流傳動(dòng)

銑面機(jī)組運(yùn)行速度快，帶材線速度可以連續(xù)調(diào)節(jié)，運(yùn)行和加減速過程中機(jī)組各單元間需要保持速度與張力的匹配以減少機(jī)列振動(dòng)，其自動(dòng)化控制水平高，傳動(dòng)系統(tǒng)具有較高的控制精度和快速響應(yīng)能力。矯直電機(jī)的傳動(dòng)控制包括速度轉(zhuǎn)矩控制、起?？刂坪图訙p速控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置6RA7031配有用于基本控制功能和通信功能的電子板CUD1及附加板CBP，CBP用于DP現(xiàn)場(chǎng)通信。速度和轉(zhuǎn)矩控制通過DP總線由機(jī)組PLC給定，實(shí)際速度反饋信號(hào)來自于CUD1板X173端口所連接的電機(jī)增量脈沖編碼器的信號(hào)。電機(jī)運(yùn)行控制由DP來的控制字和外部端子輸入共同控制，CUD1板的37、38端子為系統(tǒng)起/停、運(yùn)行使能開關(guān)量輸入，其信號(hào)與控制字的控制位“0，3”作“與”操作。加減速控制在PLC程序控制上采用斜波函數(shù)發(fā)生器功能，利用PLC系統(tǒng)時(shí)鐘的0.1S脈沖和給定的加減速率對(duì)輸出進(jìn)行累加，將速度給定值轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛仙蛳陆档妮敵鲋担俣冉o定通過斜波函數(shù)發(fā)生器（FC Ramp）輸出給驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的平滑快速調(diào)節(jié)。電機(jī)軸上用于速度反饋的增量脈沖編碼器的分辨率為2048 PPR，另外還有一只分辨率為100 PPR的增量脈沖編碼器，用于機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)算帶材的長(zhǎng)度。直流驅(qū)動(dòng)裝置的接線圖如圖2所示。

圖2 直流驅(qū)動(dòng)裝置接線圖

3.2 輥縫控制

入出口輥縫自動(dòng)位置控制（APC）的硬件由西門子S7-300PLC、SM322數(shù)字量輸出模塊、SM338位置量輸入模塊、CP343-1 TCP以太網(wǎng)通訊模塊、人機(jī)界面等組成，其控制框圖如圖3所示。輥縫設(shè)定值由操作人員在HMI上手動(dòng)輸入，也可以由系統(tǒng)預(yù)設(shè)。PLC將位移傳感器反饋來的實(shí)際位置信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，APC功能則按照比較偏差值的大小控制電液換向閥通斷，當(dāng)偏差小于調(diào)節(jié)精度要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)停止輸出，就這樣完成位置的閉環(huán)控制。

圖3 APC硬件構(gòu)成及控制框圖

3.3 速度和轉(zhuǎn)矩控制

銑面機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)以主從方式實(shí)現(xiàn)各單元的速度匹配，保證銑削過程帶材運(yùn)行平穩(wěn)無振動(dòng)。在整個(gè)穿帶過程中，主單元依次是矯直機(jī)、喂料單元、預(yù)彎單元，系統(tǒng)跟蹤帶頭位置依次控制主單元傳動(dòng)輥的給定線速度，保持主單元速度比機(jī)列給定線速度大1%～2%。當(dāng)帶材進(jìn)入卷取機(jī)后，由預(yù)彎單元作為主單元，卷取機(jī)采用恒張力卷取方式，矯直機(jī)傳動(dòng)輥以機(jī)列給定線速度運(yùn)行，其它從單元傳動(dòng)輥以機(jī)列給定線速度或高1%的線速度運(yùn)行。矯直機(jī)具有帶材矯直和穿帶的作用，作為主單元時(shí)其轉(zhuǎn)矩限制要根據(jù)來料尺寸計(jì)算確定，作為從單元時(shí)其轉(zhuǎn)矩限制設(shè)定應(yīng)在15%之內(nèi)，以保證機(jī)列單元負(fù)荷平衡。

4 系統(tǒng)升級(jí)改造

4.1 改造思路

現(xiàn)有傳動(dòng)系統(tǒng)功率為45kW，升級(jí)后功率需達(dá)到75kW，因此，必須對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。由于交流調(diào)速當(dāng)前已經(jīng)成為主流，其性能甚至優(yōu)于直流調(diào)速，同時(shí)因交流電機(jī)比直流電機(jī)更易于維護(hù)和保養(yǎng)，因此系統(tǒng)決定采用交流傳動(dòng)升級(jí)方案。原輥縫控制液壓機(jī)構(gòu)動(dòng)力小，當(dāng)帶材在矯直輥內(nèi)時(shí)，輥縫調(diào)節(jié)不動(dòng)，且位置調(diào)節(jié)動(dòng)作速度慢，為了達(dá)到大壓力及快速調(diào)節(jié)及實(shí)現(xiàn)方便，升級(jí)采用電動(dòng)位置控制（EAPC）代替液壓自動(dòng)位置控制。另外，考慮到矯直輥開口度需根據(jù)實(shí)際矯直效果要經(jīng)常進(jìn)行調(diào)整，且輥縫壓下機(jī)構(gòu)定位精度較高，因此，可以改位置閉環(huán)為開環(huán)，以簡(jiǎn)化控制過程，并可將輥縫調(diào)節(jié)由操作室人機(jī)界面控制改為就地控制，以方便操作人員現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)調(diào)節(jié)矯直效果。

4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

（1）控制結(jié)構(gòu)及硬件配置

圖4 升級(jí)后系統(tǒng)傳動(dòng)及控制框圖

由于整個(gè)系統(tǒng)電氣及控制部分改動(dòng)量大，原有的柜內(nèi)空間不能滿足升級(jí)的要求，因此新系統(tǒng)采用了單獨(dú)的電氣控制柜，并增加了一臺(tái)西門子的S7-200小型控制器，單獨(dú)用于矯直機(jī)的輥縫及邏輯控制，機(jī)組與矯直機(jī)之間的聯(lián)系有用于傳動(dòng)的DP通信信號(hào)和邏輯互聯(lián)信號(hào)，邏輯聯(lián)系部分信號(hào)量較少，如機(jī)組運(yùn)行、矯直機(jī)準(zhǔn)備、緊急停車等，因此，機(jī)組S7-300PLC與矯直機(jī)S7-200PLC之間的通信可以通過數(shù)字量I/O端口來完成。新系統(tǒng)主電路及控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。交流電機(jī)采用75kW西門子變頻電機(jī)，型號(hào)為1LG0280-4AA7；驅(qū)動(dòng)裝置采用西門子MM440通用型變頻器，型號(hào)為6SE6440-2UD37-5FB1，功率為75kW；電機(jī)采用機(jī)械抱閘制動(dòng)方式，以保證可靠停車；S7-200PLC配置CPU226及EM221輸入模塊；輥縫壓下電機(jī)采用2.2kW三相交流電機(jī)；矯直機(jī)旁增加現(xiàn)場(chǎng)控制箱，用于入出口輥縫開口度調(diào)整。

（2）DP通信

矯直電機(jī)MM440變頻器與機(jī)組PLC的DP通信的實(shí)現(xiàn)，首先是通過變頻器的附加板CBP 與DP總線建立硬件連接，然后通過對(duì)PLC和變頻器進(jìn)行硬件組態(tài)和參數(shù)設(shè)置來完成。變頻器接線圖如圖5所示。

圖5 矯直電機(jī)變頻器接線圖

對(duì)機(jī)組PLC的組態(tài)通過STEP7組態(tài)軟件進(jìn)行。在硬件組態(tài)界面下選擇標(biāo)準(zhǔn)配置文件，在PROFIBUS DP目錄中打開SIMOVERT子目錄，從中選中MICROMASTER 4項(xiàng)，然后將PPO為4的從站拖入左邊組態(tài)界面的DP總線下，并在從站屬性框中設(shè)置從站DP地址。PPO為4的DP通信包括6個(gè)發(fā)送和接收的過程數(shù)據(jù)字（PZD），能夠滿足系統(tǒng)給定和實(shí)際值反饋的需要，在PLC程序中將相應(yīng)的數(shù)據(jù)字地址分配給需要發(fā)送的傳動(dòng)控制字、給定值和接收的實(shí)際值變量。對(duì)MM440變頻器參數(shù)的設(shè)置可通過DriveMonitor驅(qū)動(dòng)配置軟件來進(jìn)行，其主要設(shè)置的通信及控制參數(shù)有DP地址、控制字和給定值來源以及反饋給系統(tǒng)PLC的實(shí)際值和狀態(tài)字，DP地址的設(shè)置要與PLC組態(tài)中從站的地址相同，其主要參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 MM440變頻器DP通信主要參數(shù)設(shè)置

5 結(jié)束語

對(duì)矯直機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)和輥縫壓下系統(tǒng)改造，采用交流傳動(dòng)和電動(dòng)壓下方案，可以達(dá)到提高帶材矯直效果的目的。該方案使輥縫調(diào)整更加方便快速，改造后的系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，帶材矯直效果得到了較大改善，滿足了銑面對(duì)來料板形的要求。系統(tǒng)采用的交流傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能高，機(jī)組各單元速度和轉(zhuǎn)矩的匹配良好，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)無振動(dòng)。

［1］李 華.板帶材軋制新工藝、新技術(shù)與軋制自動(dòng)化及產(chǎn)品質(zhì)量控制實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：北京治金出版社，2006.1364-1441.

［2］Siemens AG.SIMOREG DC-MASTER 6RA70 Series［M］.［S.l.］：Operating Instructions，2007.

［3］Siemens AG.MICROMASTER 440通用型變頻器［M］.［S.l.］：使用大全，2003.

Upgrading and reformation of drive and control system for copper strip roller flattener

LV Guang-suo
（Equipment Management Dept.，Tongling Jinwei Copper Corp.，Tongling 244000，China））

The drive and control system of the copper strip flattener is reformed and upgraded.The DC drive is replaced by the AC drive，and the hydraulic position control is replaced by the electric position control.The system increases the drive torque and the roller-gap pressing force，improves the flatness of the strip and the strip shape，ensures the surface milling quality of the copper strip milling machine and decreases the loss amount of the strip geometry.The original system is analyzed，and the scheme and realization for upgrading and reformation of the system are also given.

flattener；drive；DP communication；automatic position control

TP273

A

1005—7277（2016）03—0032—04

呂光鎖（1975-），男，安徽銅陵人，碩士，電氣工程師，主要從事軋機(jī)和磨床自動(dòng)控制技術(shù)的研究和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作。

2016-03-28