濟鋼1700熱軋產線熱卷箱控制系統及設計

摘 要：本文在綜述相關文獻的基礎上，緊密結合濟鋼1700產線實際，系統闡述了熱卷箱電氣系統設計，主要對電氣傳動、自動化控制系統及監控系統進行了描述，給出了具有實踐指導意義的熱卷箱電氣系統設計。

關鍵詞：熱卷箱；電氣傳動；自動化控制；HMI

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.024

1 概述

濟鋼1700熱連軋生產線是鞍鋼總承包的具有國內自主知識產權的平均月產超過22萬噸，最高月產達23.5萬噸，2012年通過中冶賽迪實施產線升級改造，新上熱卷箱，提升薄板生產比例，解決精軋機組能力不足及生產穩定性問題。熱卷箱電氣系統設計成為系統升級改造的關鍵環節，本文結合系統機械、液壓和工藝的要求，闡述熱卷箱采用先進可靠的電氣控制系統，其裝備水平先進、成熟、可靠、完整，電氣控制裝備技術水平達到國內先進水平。

熱卷箱項目包括熱卷箱前輥道、入口側導板、熱卷箱本體、夾送輥后輥道、熱卷箱液壓站、潤滑站等設備，熱卷箱本體由卷取站和開卷站兩部分組成。卷取站設備包括入口導槽、彎曲輥、彎曲輥輥縫調節裝置、成形輥、一號托卷輥、穩定器；開卷站設備包括一號托卷輥、開卷臂、插入臂、保溫側導板、二號托卷輥、夾送輥和緩沖輥。熱卷箱控制系統復雜，熱卷箱在卷取時，其控制系統還涉及到粗軋機、延遲輥道和熱卷箱入口側導板的控制；熱卷箱在開卷時，其控制系統涉及到剪前側導板、剪前輥道、飛剪、除鱗箱和精軋機的控制。

2 電氣傳動系統設計

2.1 電源系統

整流變壓器的進線電源采用三相三線制，電壓等級為AC10KV；非調速動力電源、液壓潤滑泵站動力電源、控制電源采用三相四線制，電壓等級為AC380V；計算機及PLC系統電源為單相，電壓等級為AC220V并且帶進線隔離。

2.2 傳動裝置

熱卷箱電機變頻裝置采用公共整流器及公共直流母線加逆變器供電方式，公共整流器采用6脈波的帶回饋的整流裝置，逆變器采用PWM調制的IGBT電源變換器。熱卷箱電機變頻裝置采用SIEMENS S120系列產品，采用整流回饋單元加逆變器供電方式，熱卷箱調速傳動電動機采用國產變頻調速三相異步電動機。S120是西門子新推出的變頻控制設備，有如下特點：

（1）S120 變頻調速系統是SINAMICS系列中的最新一款高性能多電機傳動裝置，是采用DRIVE-CLiQ網絡技術，集中進線整流，公共直流母線逆變的新一代多電機傳動系統。

（2）SINAMICS S120 是西門子公司推出的全新的集V/F、矢量控制及伺服控制于一體的驅動控制系統，它不僅能控制普通的三相異步電動機，還能控制同步電機、扭矩電機及直線電機。

（3）一個控制單元可以控制多至4個矢量模式的傳動，既安全可靠又節省費用，這允許數據直接在傳動與傳動之間進行交換。

（4）S120柜機根據是按照“分區” 的概念設計，具備高標準的運行可靠性。柜體設計充分考慮了EMC規范，并按氣流導向和溫度控制將柜體進行分區，簡化維修。

（5）S120功率組合及擴展高度靈活，柜機有全部必須的接口和連接部件。即可在西門子工廠就連接就緒，也可在現場快速完成裝配，從而最大程度減少安裝和調試的費用和時間。

2.3 液壓潤滑泵電機控制

考慮到液壓站泵用電機啟動、制動不頻繁，小于90KW采用MCC進線接觸器直接啟動和停止控制；大于等于90KW泵電機采用施耐德軟啟動器控制，其系統控制則通過GE90 30PLC實現。

3 自動化控制系統

3.1 熱卷箱設備控制簡述

熱卷箱位于粗軋機與精軋機之間，通過將中間坯以帶卷形式保存在熱卷箱處，使帶坯進入精軋機前頭尾換位，可大幅降低溫降速度和減少頭尾溫差，并減少生產線長度。熱卷箱有直通和卷取兩種工作模式。在直通模式下，熱卷箱不使用，中間坯直接進入精軋機。在卷取模式下，從粗軋輸出的中間坯經過熱卷箱卷取，再進行開卷，實現頭尾換位，再進入精軋機。

3.1.1 直通控制功能

在直通模式下，成形輥、托卷輥都預擺到直通位置，在粗軋機末道次咬鋼后，熱卷箱即跟隨粗軋機速度；當帶坯進入精軋機區域后，熱卷箱速度跟隨精軋機速度，從而保證熱卷箱輥道與粗精軋機的速度匹配關系。

3.1.2 卷取控制功能

（1）速度控制。在卷取過程中，根據卷取的不同階段，熱卷箱速度主令值從粗軋機末道次速度，切換到穿帶速度、卷取速度、尾部定位速度，直到尾部定位完成。

（2）彎曲輥輥縫控制。在進行卷取前，彎曲輥預擺到設定彎曲輥縫，并隨著卷徑增大，要不斷打開彎曲輥輥縫，以保持良好卷形。

（3）三輥接觸控制。隨著帶卷直徑不斷增大而降低1CR托卷輥，使得帶卷外表面接觸到成形輥，從而保持良好的卷形。

（4）卷徑計算。在卷取過程中，對帶鋼進行位置跟蹤，從而計算出鋼卷卷徑。

（5）帶尾定位。當帶坯尾部離開熱卷箱入口側導板時，熱卷箱切換到尾部定位速度，進行尾部自動定位，使尾端定位于預先設定的停車位置，以便開卷刀插入。

（6）入口側導板控。在帶坯進入熱卷箱區域時，入口側導板進行短行程控制，以便帶坯讓開不規則的頭尾，同時當帶坯穿帶后，對其進行對中。

（7）穩定器控制。在卷取過程中，穩定器對中間卷兩邊進行拍打，以保證卷取成功。

3.1.3 開卷控制功能

（1）開卷刀浮動壓力控制。開卷刀在開卷前貼著中間卷外沿插入鋼卷與帶尾之間的間隙，以進行開卷。在開卷刀向下運動過程中，進行浮動壓力控制，以便開卷刀能順利插入。

（2）速度控制。在開卷時，熱卷箱速度主令按開卷速度、精軋速度進行切換。

（3）夾送輥壓力控制。開卷過程中，當帶坯頭部進入夾送輥后，夾送輥投入壓力控制，使帶鋼順利移送。

（4）主動無芯移送控制。為加快開卷節奏，可采用主動無芯移送方式，通過托卷輥、推卷輥動作，將鋼卷從卷取區域移送到開卷區域。

（5）開尾銷插入控制。當帶卷還剩下數圈時，開尾銷自動伸出，協助開卷，以避免帶尾重疊進入夾送輥或精軋機。

（6）保溫側導板控制。在開卷時，保溫導板進行頭部短行程控制，以便帶坯讓開不規則的頭部，同時對帶坯進行對中，以方便其進入精軋機。

3.2 自動化系統網絡

網絡系統分三級網絡構建，一級網絡系統為內存映像網，實施高速通訊及控制。二級網絡為以太網，搭建全線的以太網通訊平臺，對服務器進行訪問和數據交換。三級網絡為DP網，通過DP網實現一級對傳動系統一級傳動系統之間的數據交換。

一級內存映像網，為環形網絡結構，通過內存映射實現數據共享，主要是一級基礎自動化之間的數據交換以及畫面服務器與PLC之間的數據交換。

二級以太網，設計為冗余環網系統，每個控制網絡采用100M全雙工光纖網，一旦發生故障，網絡可以在很短時間內回復。交換機采用赫思曼的交換機，赫思曼的交換機采用了成熟的HIPER-Ring技術和冗余藕合機制技術，是最適合于工業現場以太網雙環冗余網絡的交換機。

三級DP網，主要滿足基礎自動化系統與傳動裝置的數據交換，距離太遠，需要在中間環節增加DP-coupler進行數據交換。

3.3 基礎自動化構成及功能

本系統采用GEFANUC PAC RX7i對熱卷箱進行自動控制，采用90-30對液壓站進行控制，預留與過程自動化通訊的接口。

3.3.1 熱卷箱控制器的控制功能（GE FANUC PACRX7i一臺）

（1）熱卷箱區域中間坯跟蹤及設備順序控制；

（2）卷取及開卷的自動與手動控制；

（3）熱卷箱區域設備仿真控制；

（4）熱卷箱區域設備速度、位置和壓力標定及控制；

（5）彎曲輥輥縫、鋼卷卷徑、無芯移送控制功能；

（6）熱卷箱卷取站和開卷站設備安全連鎖控制；

（7）PLC與傳動PROFIBUS網連接對數字傳動裝置及I/O控制。

3.3.2 液壓潤滑控制器的控制功能（GE90-30PLC一臺）

（1）泵站啟停控制；

（2）泵站報警及聯鎖控制；

（3）液壓站工作泵、循環泵、加熱器的啟動、停止；

（4）液壓站的壓力、液位、溫度控制及顯示；

4 HMI系統及其功能

HMI監控系統主要功能有兩個：一是設定功能，主要包括設定熱卷箱傳動系統的速度、超前率、穿帶速度等；設定熱卷箱液壓系統的位置、壓力等；設定熱卷箱出入口側導板開口度、調零等。二是顯示功能，主要包括熱卷箱帶坯跟蹤顯示；熱卷箱傳動系統及液壓傳動系統速度、電流、位置、溫度、壓力顯示；熱卷箱傳動系統、液壓系統設備故障報警，液壓潤滑站運行狀態顯示等。

濟鋼1700熱連軋系統熱卷箱項目是一個改造項目，改造實施后熱卷箱系統運行穩定，能夠滿足生產和工藝要求，薄規格產品比例明顯提升，控制系統能夠滿足工藝指標要求，這一項目的改造實施具有實際指導意義。

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