電氣自動化控制生產過程中新技術的應用

【摘 要】本文介紹了馬鋼2250常規熱連軋帶鋼生產線的工藝特點以及其電氣傳動系統應用效果。

【關鍵詞】電氣系統; 自動化控制系統；過程控制系統；工藝特點

1 前言

自1960 年冶金工業的第一臺控制用計算機應用于帶鋼熱連軋機輥縫和速度設定以及70 年代帶鋼軋制實現計算機控制以來， 30 年中計算機控制已經經歷了四、五代的變遷， 控制系統的硬件和軟件更新速度越來越快。冶金工業的多級冶金自動化控制系統開始呈現出新的特點， 以馬鋼2250 熱軋帶鋼生產線為例: 電氣傳動系統更加穩定、大型化; 基礎自動化系統接近分布式系統， 功能更加標準化; 過程控制級網絡通訊高速化， 使得許多傳統熱連軋自動化控制系統中基礎自動化系統的功能已經成功移植到過程控制系統， 過程控制系統的高速數據采集以及高速在線控制功能使得軋制模型計算精度已經達到了前所未有的高度; 基礎自動化與過程控制系統結合更加緊密， 基礎自動化系統與過程控制系統之間的界限逐漸模糊。

2 工藝布置以及工藝特點

如圖(1) 所示， 馬鋼2250 熱軋帶鋼生產線由三座加熱爐， 大壓下側壓機， 1號立輥軋機， 1號粗軋機， 2號立輥軋機， 2號粗軋機， 保溫罩， 切頭剪， 7機架精軋機組， 層流冷卻， 3座地下卷取機以及托盤式運輸線等組成。

圖1 生產線線工藝布置圖

跟其他傳統軋線相比:

2.1 寬度控制能力更強、也更復雜

由于大壓下側壓機的使用， 使得馬鋼2250 熱軋帶鋼生產線的最大減寬量可達350mm， 但是由于側壓機形成的狗骨的變形恢復原理與傳統的立輥軋機形成的狗骨的變形恢復原理大大不同， 因此造成了側壓機出口寬度精度不高。這就要求粗軋前的立輥軋機設定更加準確， 道次要求更加嚴格。

2.2 軋制節奏更快

目前， 馬鋼2250熱軋帶鋼生產線的軋制節奏最高已達每小時29 卷， 接近每2 分鐘1 卷。

2.3 軋制計劃自由度更大

馬鋼2250熱軋帶鋼生產線的自動化控制系統有豐富的手段根據實際工藝情況在線調整道次規程以滿足目標要求， 同樣各級自動化控制系統特別是過程控制系統能非常良好的適應來料尺寸(板坯鋼種、寬度、厚度)、軋制計劃(成品厚度、寬度)的突然變化，因此由于生產訂單的復雜性造成的馬鋼2250熱軋帶鋼生產線鋼種變化頻繁、成品寬度厚度跳變劇烈等等在傳統熱軋帶鋼生產線所無法容忍的軋制情況已對該生產線的生產和質量不再造成巨大影響。

3 自動化控制系統

3.1 系統組成

熱軋板帶生產線特點是連續、高速、實時、高精度， 在馬鋼2250 熱連軋線控制系統完全體現了這樣的特點。

3.2 高速、穩定的通訊技術

通常， 常規熱軋生產線的各級自動化控制系統擁有數量種類眾多的控制器， 如服務器， PLC 控制器， 單片機等等; 操作系統也五花八門， 如WINDOWS，UNIX， LINUX， VMS 或者嵌入式操作系統。為了實現簡單網絡拓撲上的高速穩定的通訊， 馬鋼2250 熱軋生產線采用了EGD 技術和TCNET 技術。

3.2.1 EGD 技術

EGD 是英文“Ethernet Global Data” 的縮寫，是美國GE 公司首倡的一種TCP/IP 通訊協議， 通過EGD 通訊技術， 可以實現計算機之間高速的數據交換。可以實現各種操作系統下的TCP/IP 通訊是其最大優點之一。馬鋼2250 熱軋帶鋼生產線實現了過程控制服務器， 基礎自動化PLC 控制器， 特殊儀表之間高速的EGD 通訊， 部分數據交換速度已達20ms。

3.2.2 TCNET 技術

TCNET 技術是日本TOSHIBA 公司研制的一種以太令牌光纖環網(根據控制要求， 也可以設置成以光纖雙環網或者單環網)， 通過TCNET 技術， 可以實現PLC 控制器及計算機之間高速的數據交換。通過TCNET 技術，馬鋼2250 熱軋線PLC 控制器之間的部分數據流交換速度已達1ms， 這極大地滿足了高速控制器特別是HGC 控制器之間的通訊要求。

3.3 傳動系統趨于更加穩定、過載能力更強馬鋼2250 熱軋帶鋼生產線， 其主傳動變頻器選用TMEIC 公司生產的大功率IEGT 變頻器， IEGT 是英文“Injection Enhanced Gate Transistor”的縮寫，IEGT 變頻器為三電平交- 直- 交變頻器。TMEIC 公司生產的IEGT 變頻器的控制特點:系統保持高穩定性， 速度調節器擬合了反超調控制技術， 系統輸出沒有超調; 采用模擬跟隨控制技術( SFC 控制) ， 降低了沖擊速降， 避免了扭振與機電共振; 功率因數控制技術， 系統功率因數為1， 電網不須要安裝高次諧波濾波器與靜態無功補償裝置; 使用高性能測速元件(Resolver) ， 系統靜態精度達0.01%， 同時IEGT 元件能忍受很高的di/dt 與dv/dt。這些特點決定了馬鋼2250 熱軋帶鋼生產線的主傳動系統更加穩定、過載能力更強。

在馬鋼2250 熱軋帶鋼生產線X80 鋼種的開發過程中， 由于X80 的特點決定需要低溫軋制， 超低的出爐溫度， 超低的精軋開軋溫度， 超低的精軋出口溫度， 超低的卷取溫度， 這是對主傳動系統的嚴重考驗:

3.3.1 由于材質太硬， 粗軋區域， 上下輥的負荷分配嚴重不平衡， 導致了上輥負荷有時可達190%;

3.3.2 精軋F6 甚至工作在170%的過載狀態;

3.3.3 當目標厚度為20mm 時， 卷取機的卷取負荷處于過載狀態;即使是工作在這樣苛刻的環境下， 主傳動系統沒有因此而跳閘堆鋼， 這是以前的主傳動系統所沒法比擬的。

3.4 基礎自動化系統

目前， 一般熱連軋生產線選擇的基礎自動化控制系統都是使用PLC 作為主要的控制器， 馬鋼2250熱軋帶鋼生產線選用TMEIC 生產的V 系列控制器， 其特點為: 微型化、網絡化、PC 化、高速化、分布式。

3.4.1 馬鋼2250 熱軋帶鋼生產線的基礎自動化系統的主要應用功能有:

（1）全生產線物料的實時位置跟蹤及數據跟蹤(微跟蹤);

（2）全生產線所有設備的邏輯、順序控制;

（3）全生產線的各種自動位置控制(APC);

（4）粗軋、精軋、卷取主令控制及其他設備的速度控制;

（5）全生產線的各種輥道控制;

（6）粗軋機負荷平衡控制;

（7）飛剪控制;

（8）精軋機活套控制;

（9）板坯寬度控制;

（10）帶鋼厚度自動控制(AGC);

（11）全生產線的模擬軋鋼。

3.4.2 V系列控制器

V系列控制器屬于PLC 范圍， 在實際的應用中， 使用方法與工業控制PC 計算機非常相似。其特點是:PC 化: V 系列控制器的C3CPU 模塊就完全可以說是一臺計算機， C3CPU 模塊擁有工業PC 機的全部硬件設備， 兼容WINDOWS 2000 或者其他操作系統， 有各種外設接口(如顯示設備、鍵盤、鼠標接口、串并口、USB 口)。同時C3CPU 模塊因為是PLC控制器， 還具有PLC 控制器特有的高速I/O 訪問能力。高速化: V 系列控制器的STC 控制器擁有超高速的掃描能力， 掃描速率最快可達2 ms。網絡化: V 系列控制器配有普通以太網模塊TN721， 通過TN721 模塊， 可以對V 系列控制器進行網絡配置， 配置跟普通PC 計算機網卡原理一致;完成網絡配置后， 工程師可以在同一網絡上的任何計算機訪問任意一臺V 系列控制器， 這極大的簡化了工程師的工作量， 同時也為V 系列控制器的分布式特性打下了基礎。

3.4.3 V系列控制器的分布式監控、維護工具VtoolVtool 是V 系列控制器的監控、維護工具工具，其特點除了簡單方便外、其最大特點是分布式訪問。Vtool 與V 系列控制器之間采用分布式連接技術中最為復雜的“眾播通知式聯接”， 因此網絡中任何有效安裝了Vtool 工具包的節點都可以獨立自由的訪問同一網絡中的V 系列控制器節點，Vtool 工具與V系列控制器的任何節點出了問題不會影響其他節點。

3.4.4 高速在線數據采集

系統ODGTMEIC 提供的基礎自動化系統的在線數據采集ODG 可以提供非常高速的數據采集。最高速率可達5 ms 每次。

3.5 過程控制系統

馬鋼2250 熱軋帶鋼生產線不僅僅只有基礎自動化系統， 其過程自動系統(L2)同樣具有高速控制，高速通訊能力， 許多以往只能在基礎自動系統實現的功能在馬鋼2250 熱連軋線由過程自動系統來實現。

3.5.1 過程控制系統主要功能有:

（1）生產和控制數據的輸入及管理;

（2）工藝和控制數據的在線采集和處理;

（3）全生產線物料的實時位置跟蹤及數據跟蹤(宏跟蹤);

（4）過程自動化各項設定值的計算;

（5）模型參數自學習以實現優化控制;

（6）軋制節奏控制;

（7）終軋溫度控制(FTC);

（8）卷取溫度控制(CTC);

（9）過程自動化級人機對話以實現全生產線的數據監控和數據處理;

（10)全生產線的模擬軋鋼;

3.5.2 軟硬件產品標準化

馬鋼2250 熱軋帶鋼生產線的過程控制系統的硬件系統全部選用標準化商業計算產品， 軟件系統選用TMEIC 的PASolution 系統平臺。

3.5.3 過程控制系統實現高速數據采集由于馬鋼2250 熱軋帶鋼生產線具有高度通訊功能， 過程控制系統直接采集工藝和控制參數， 并且在線向模型計算和自學習進行反饋， 大大提高了模型計算預設定精度。

4 結束語

馬鋼2250 熱軋帶鋼生產線于2007 年2 月25日軋出第一卷(比設計要求提前三個月)， 3 月投入正式運行， 于2007 年6 月班產達到設計產量。2007 年8月突破設計要求順利實現X80 的軋制。馬鋼2250 熱軋帶鋼生產線自動化控制系統采用了許多最新的控制技術， 特別是大型、穩定的傳動系統， 基礎自動化與過程自動化一體化發展的特點更為明顯。