簡述無縫鋼管PQF連軋生產(chǎn)線工藝與相關(guān)電氣自動化控制系統(tǒng)

張大智

【摘 要】本文介紹了鋼管生產(chǎn)線工藝與之相關(guān)的電氣控制系統(tǒng)。主要包括工藝生產(chǎn)線，基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的相關(guān)知識。

【關(guān)鍵詞】無縫鋼管；工藝知識，傳動系統(tǒng)；基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)

1、引言

從鞍鋼生產(chǎn)第一條無縫鋼管至今已經(jīng)60年，在這六十年里鋼管行業(yè)飛速發(fā)展，其中PQF連軋管機(jī)組代表了當(dāng)今軋管機(jī)組工藝設(shè)計和制造的最新發(fā)展水平，該機(jī)型軋制的鋼管壁厚精度及生產(chǎn)效率優(yōu)于其他類型的連軋管機(jī)組。結(jié)合PQF三輥式限動連軋管機(jī)組的生產(chǎn)實(shí)踐和工藝特點(diǎn)，對三輥式連軋管生產(chǎn)工藝優(yōu)勢及設(shè)備特點(diǎn)進(jìn)行闡述。

2、工藝簡述

無縫鋼管生產(chǎn)線根據(jù)工藝要求劃分為管坯區(qū)、環(huán)形加熱爐區(qū)（機(jī)電一體）、穿孔區(qū)、軋機(jī)區(qū)、定徑區(qū)、預(yù)精整1區(qū)、預(yù)精整2區(qū)、精整線等。其中管坯區(qū)、穿孔區(qū)、軋機(jī)區(qū)、定徑區(qū)、預(yù)精整1區(qū)，簡稱為熱區(qū)。預(yù)精整2區(qū)、精整線，簡稱為冷區(qū)。冷區(qū)中的矯直機(jī)、探傷機(jī)、再切鋸等較多情況為機(jī)電一體化設(shè)備

在線工藝檢測工序

在熱軋生產(chǎn)線上設(shè)有以下工藝檢測工序：

管坯切割前的稱重和長度檢測

管坯入爐前的稱重

穿孔前的管坯溫度檢測

穿孔后毛管那表面溫度測量

穿孔機(jī)的軋制功率、軋制力、軋制速度測量

連軋前毛管溫度測量

連軋后荒管溫度測量

連軋機(jī)的軋制功率、軋制力、軋制速度測量

連軋機(jī)芯棒表面溫度測量

芯棒限動力和速度測量

脫管機(jī)的軋制功率和軋制速度測量

脫管機(jī)荒管出口速度和長度測量

脫管機(jī)后熱態(tài)荒管壁厚測量

定徑機(jī)軋制功率和軋制速度測量

定徑后的鋼管直徑和長度測量

定徑后的鋼管溫度測量

無損探傷后的鋼管壁厚測量

鋼管修磨線上壁厚的測量

收集臺架上鋼管重量稱量

3、基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)

無縫鋼管PQF生產(chǎn)線控制系統(tǒng)具有較高的自動化程度，是基于廣義自動化概念的高效系統(tǒng)。操作人員能及時做出更好的決策，進(jìn)而高質(zhì)高效地完成生產(chǎn)任務(wù)。無縫管PQF生產(chǎn)線控制系統(tǒng)一般分為過程計算機(jī)控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)（包括HMI人機(jī)接口界面系統(tǒng)、PLC控制器，分布式I/O系統(tǒng)等）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)。

針對各區(qū)域，操作方式設(shè)手動、半自動和自動三種方式：

手動方式：操作員通過操作臺、箱上的操作元件對單體設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行的分項操作。主要用于調(diào)試、機(jī)械維修或故障時的緊急操作。手動方式時只考慮相關(guān)的機(jī)械安全連鎖

半自動方式：在滿足聯(lián)鎖條件的前提下，部分單體設(shè)備（如毛管運(yùn)輸小車）或局部區(qū)域（穿孔機(jī)后臺設(shè)備）自動地完成一個周期的順序運(yùn)行。運(yùn)行的啟動指令由人工給出。半自動方式時需考慮所有連鎖及運(yùn)行條件，尤其需考慮安全和節(jié)奏。

自動方式：在滿足聯(lián)鎖條件的前提下，根據(jù)生產(chǎn)工藝，系統(tǒng)自動地控制各機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行，完成各工作順序、設(shè)備之間的聯(lián)鎖等。

控制系統(tǒng)通訊層級區(qū)分如下：

1級現(xiàn)場總線級，用于和現(xiàn)場檢測元件（絕對值編碼器、位移傳感器等）、傳動系統(tǒng)、分布式I/O系統(tǒng)及第3方的液壓站、潤滑站進(jìn)行通訊。

Profibus總線主要用于和現(xiàn)場檢測元件（絕對值編碼器、位移傳感器等）及第3方的液壓站、潤滑站、各單機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊；分布式I/O系統(tǒng)分為S100本地I/O系統(tǒng)和S800遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)。S100本地I/O系統(tǒng)用S100的IO框架連接電纜接到CI856通信模塊。S100 IO系統(tǒng)配有高速脈沖計數(shù)模板可以實(shí)現(xiàn)高頻脈沖處理，充分滿足了生產(chǎn)過程中對各種類型信號的檢測和控制的要求。S100 I/O系統(tǒng)主要應(yīng)用于實(shí)時性要求比較高的控制，如位置控制、壓力控制及急停控制等；S800遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)用PROFIBUS電纜接到CI854通信模塊，S800 I/O遠(yuǎn)程系統(tǒng)主要用于信號位置比較集中且對時間實(shí)時性要求不高的場合。

2級為控制級，用于控制器與控制器、控制器與服務(wù)器、服務(wù)器與服務(wù)器、服務(wù)器與客戶機(jī)以及控制器與操作員站、工程師站之間的通訊。

3級為過程級，工業(yè)以太網(wǎng)用于實(shí)現(xiàn)AC800PEC控制器與過程計算機(jī)控制系統(tǒng)、單機(jī)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。通過GLOBAL交換機(jī)連接穿孔機(jī)工藝控制系統(tǒng)、定徑機(jī)工藝控制系統(tǒng)、連軋工藝參數(shù)設(shè)定及監(jiān)控系統(tǒng)（PSS）、連軋自動輥縫控制系統(tǒng)（HCCS）、質(zhì)量保證系統(tǒng)（QAS）、單機(jī)PLC控制系統(tǒng)等。

4、傳動系統(tǒng)

大部分生產(chǎn)線主要采用ACS800公共直流母線的多傳動系統(tǒng)。ACS800是ABB最新一代全數(shù)字交流變頻器控制裝置。最大的優(yōu)點(diǎn)就是采用了通用技術(shù)，其核心技術(shù)是最先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，最大限度地滿足控制精度和響應(yīng)速度要求。模塊化的設(shè)計理念具有方便維護(hù)的特點(diǎn)，從而極大減少了生產(chǎn)停機(jī)時間。AC800PEC控制器與傳動系統(tǒng)NDBU-95模塊采用光纖連接，使用DDCS或ModuleBus通訊協(xié)議的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)交換信息。

AC800PEC是ABB最新的高端快速控制器，程序和數(shù)據(jù)存儲在閃存卡中，保存應(yīng)用程序而無需電池備份。控制器采用高速低功耗CPU，可以支持高達(dá)16個控制任務(wù)。每個控制任務(wù)可以有不同的優(yōu)先級，可以設(shè)置相應(yīng)的周期時間，從而合理分配CPU負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)邏輯功能的正確性能。

AC800PEC控制器與AC800PEC控制器之間通訊是一種使用光纖介質(zhì)連接的高性能通訊，具有快速和低負(fù)荷的特點(diǎn)，能滿足控制精度和快速響應(yīng)的要求。所有AC800PEC控制器、服務(wù)器、工程師站、過程數(shù)據(jù)采集分析PDA系統(tǒng)都連接到基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)中L1交換機(jī)上，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)內(nèi)的所有通訊系統(tǒng)。基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)中的服務(wù)器分為Domain controller（用戶管理服務(wù)器）、Aspect Server（功能服務(wù)器）和Connectivity Server（數(shù)據(jù)服務(wù)器）。Domain controller主要承擔(dān)了管理用戶權(quán)限的功能；Aspect Server為兩臺互為冗余的服務(wù)器，主要承擔(dān)了信息及對象的管理和分配的功能；Connectivity Server為兩臺互為冗余的服務(wù)器，主要功能是用于實(shí)時數(shù)據(jù)采集，并為功能服務(wù)器的應(yīng)用提供自動數(shù)據(jù)更新。過程數(shù)據(jù)采集分析PDA系統(tǒng)通過專用的光纖接口直接與AC800 PEC控制器進(jìn)行通訊。

生產(chǎn)線中壓傳動系統(tǒng)一般采用交流變頻電機(jī)，主動前端型中壓變頻器（IEGT）用于穿孔機(jī)主傳動同步電機(jī)，其它交流主傳動變頻裝置采用公共直流母線傳動形式，穿孔機(jī)主傳動電機(jī)選擇適用于工業(yè)重載應(yīng)用的同步電機(jī)，由中壓變頻器驅(qū)動的變頻電機(jī)需要按照變頻器的要求特殊制造，軸承溫度監(jiān)視和定子繞組測溫元件鑲嵌在電機(jī)繞組和軸承內(nèi)。電機(jī)的制造必須符合IEC和GB標(biāo)準(zhǔn)。電機(jī)將按照與水平中心線成15°夾角進(jìn)行安裝，上輥和下輥電機(jī)應(yīng)可以互換，也就是電機(jī)制造滿足上下安裝角15°的要求。由于安裝要求，電機(jī)的冷卻器必須安裝在電機(jī)的頂部。

相關(guān)參數(shù)與要求：

絕緣等級：F

允許溫升（額定負(fù)荷）：B

負(fù)載周期和過載周期：按照馬達(dá)表要求

防護(hù)等級：IP55

結(jié)構(gòu)形式：按照馬達(dá)表要求

冷卻系統(tǒng)：進(jìn)水溫度必須小于33℃。

軸承要求：傳動側(cè)采用絕緣軸承，非傳動側(cè)軸伸用于連接脈沖編碼器。

電機(jī)附件：定子和軸承溫度檢測，電機(jī)加熱器，脈沖編碼器等。

每套傳動包括如下控制單元：

ARU，主動前端整流單元，不僅可以提供整流能量，也可以提供回饋能量，始終保持直流母線電壓穩(wěn)定，電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的矢量控制模式，保證了整流器正弦波電流的輸出。

CBU- 電容單元；

EXU-勵磁單元 由三相橋式可控硅整流橋構(gòu)成，帶有脈沖放大電路，為同步電機(jī)提供勵磁

INU- 逆變單元，采用PWM技術(shù)把直流變成可調(diào)壓調(diào)頻的交流來驅(qū)動電機(jī)

COU- 傳動系統(tǒng)控制單元 微處理器能實(shí)現(xiàn)所有開閉環(huán)功能以及通訊和監(jiān)控功能

WCU-冷卻水系統(tǒng)

低壓傳動系統(tǒng)：

PQF軋機(jī)，頂桿小車，脫管機(jī)，定徑機(jī)，限動裝置等主傳動電機(jī)的功率范圍：350～1000KW， 并給出了最小工作速度，基速，最高速。電機(jī)的基本要求如下：適于工業(yè)重載應(yīng)用的密閉鼠籠電機(jī)，電機(jī)的制造必須符合IEC和GB標(biāo)準(zhǔn)。電機(jī)額定電壓AC690V（頂桿小車380V），軸承采用干油潤滑。

所有低壓主電機(jī)應(yīng)用于IGBT-PWM（脈寬調(diào)制）逆變器或變頻器，主要包括以下數(shù)據(jù)：

絕緣等級：F

允許溫升（額定負(fù)荷）：B

負(fù)載周期和過載周期：按照馬達(dá)表要求（S9）

防護(hù)等級：IP54

結(jié)構(gòu)形式：按照馬達(dá)表要求

冷卻系統(tǒng)：按照馬達(dá)表要求采用強(qiáng)迫風(fēng)冷或水冷，如果使用ICW37A86形式，進(jìn)水溫度必須小于33℃。

電壓上升率dU/dt大于5kV/？滋s

軸承要求：傳動側(cè)采用絕緣軸承，非傳動側(cè)軸伸用于連接脈沖編碼器。

電機(jī)附件：定子和軸承溫度檢測（PT100或類似），電機(jī)加熱器。

全部低壓調(diào)速傳動設(shè)備均采用電壓源型脈寬調(diào)制交-直-交變頻調(diào)速裝置，傳動系統(tǒng)通常情況采用ABB、ANSALDO公司產(chǎn)品。下面為ACS800基本技術(shù)說明，

結(jié)合工藝要求和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，對整流變壓器、整流單元、逆變器進(jìn)行分組和容量選擇，做到滿足工藝要求，且電氣設(shè)備投資最節(jié)省。綜合車間設(shè)備布置和電氣室設(shè)備布置及傳動裝置分組情況，車間內(nèi)的主傳動設(shè)備分為7段直流母線供電，全部傳動采用AC690V。頂桿小車電機(jī)采用AC380V整流單元按照區(qū)域設(shè)備分組的原則進(jìn)行分配，盡量將同一區(qū)域設(shè)備劃分到同一組公共直流母線，同時考慮基礎(chǔ)自動化PLC控制區(qū)域的劃分，合理分配整流單元所帶負(fù)載，能減少設(shè)備數(shù)量，減少投資。整流或整流回饋單元對電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)約0.93～0.96，效率為0.99。

（1）整流單元（TSU）

整流單元具有再生制動功能并且功率因數(shù)接近0.9。

對于不平衡的電壓驟降可達(dá)20%。（不平衡即1相或2相電壓驟降）

交流電壓 525-690V

交流聯(lián)接設(shè)備-主電路

<850kVA 開關(guān)熔斷器和接觸器

>850kVA（500V） 空氣斷路器

>1400kVA（690V） 空氣斷路器

（2）交流逆變器（INU）

逆變器的主要技術(shù)指標(biāo)：

電機(jī)控制軟件：ABB的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）

頻率控制：0-±300HZ，0-±100HZ（使用du/dt濾波器）

頻率分辨率：0.01HZ

開關(guān)頻率：3kHZ

轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩階躍上升時間<5ms（在額定轉(zhuǎn)矩下）

非線性：開環(huán) ±4%（在額定轉(zhuǎn)矩下）

閉環(huán) ±1%（在額定轉(zhuǎn)矩下）

速度控制：靜態(tài)精度：開環(huán) ±10%（電機(jī)滑差）

閉環(huán) ±1%（額定速度）

動態(tài)精度：開環(huán) 0.3-0.4%s（100%轉(zhuǎn)矩階躍）

閉環(huán) 0.1-0.2%s（100%轉(zhuǎn)矩階躍）

在直流母線至每個逆變器之間接快速熔斷器（開關(guān)熔斷器單元）。

5、結(jié)束語

針對現(xiàn)階段國內(nèi)市場情況分析，鋼管產(chǎn)業(yè)集中度不高，主要分布在天津，上海，包頭，湖北等地。無縫管、焊管行業(yè)排名前10的企業(yè)產(chǎn)量之和，占全國相關(guān)總產(chǎn)量比例分別為36%和20%，遠(yuǎn)低于全國鋼鐵行業(yè)平均水平。從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)看應(yīng)該鼓勵有條件的企業(yè)創(chuàng)新重組模式，提高行業(yè)的產(chǎn)業(yè)集中度，改變單純依靠新建規(guī)模擴(kuò)張企業(yè)的發(fā)展方式。合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局結(jié)構(gòu)，提高工藝與之配套的電控系統(tǒng)建設(shè)水平，增強(qiáng)企業(yè)的抗風(fēng)險能力。這樣中國的企業(yè)的才能做大而且做強(qiáng)，屹立于世界鋼鐵企業(yè)強(qiáng)國之林。

【參考文獻(xiàn)】

[1]嚴(yán)澤生.現(xiàn)代熱連軋無縫鋼管生產(chǎn)[M].冶金工業(yè)出版社，2009.