新型國產鋁合金電工桿連鑄連軋控制系統

劉亞龍

（上海電纜研究所，上海200093）

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新型國產鋁合金電工桿連鑄連軋控制系統

劉亞龍

（上海電纜研究所，上海200093）

摘要：分析國產鋁合金電工桿連鑄連軋生產線控制系統缺陷，結合實際使用經驗，設計一套基于西門子PLC 與PROFIBUS-DP現場總線技術的控制系統。從影響生產線性能的主要因素入手，提高生產線的自動化水平。關鍵詞：鋁合金連鑄連軋；西門子PLC；6RA70直流控制器；G120變頻器；現場總線

0 引 言

連鑄連軋是國內生產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成本。通過引進消化國際先進技術，國產連鑄連軋設備的制造工藝和產品質量均有很大提高，但其控制系統還相對落后，使連鑄連軋設備的性能、效率、能耗等受到一定影響。我們通過實踐與創新，改變鋁合金連鑄連軋生產線工藝參數的控制方法，設計了一套新型鋁合金連鑄連軋控制系統。

1 鋁合金電工桿連鑄連軋生產線簡介

1.1 連鑄連軋工藝流程

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

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

1.2 國產控制系統存在的問題

控制系統應具有控制靈敏、快速響應、操作簡單、維修方便等特點，才能保證生產線長期連續運行，產品質量可靠。目前國外先進的連鑄連軋生產線已實現全過程自動化，可與企業信息管理系統互聯，實現遠程在線排除故障、工藝參數修改調整；并能通過生產過程數據采集、分析，優化生產工藝。

雖然現階段國內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，系統功能簡單，生產工藝參數不能固化，只能滿足鋁合金連鑄連軋生產的基本要求，其主要問題如下：

（1）自動化程度低，控制功能簡單，人工操作繁瑣，易產生誤操作；

（2）生產線聯動控制差，速度不能自動調節，需人工干預，易產生堵桿、斷桿等故障，導致生產線頻繁啟停，生產效率低；

（3）鑄坯在各生產階段的溫度無法自動控制，只能手動調節，控制精度差；

（4）控制系統電纜接線多，維護困難，電氣故障多。

2 現代連鑄連軋控制系統的先進功能

現代連鑄連軋生產線控制系統是基于被控變量負反饋的閉環自動控制系統，具有良好的人機交換界面，且自動化程度高、運行安全可靠。具體表現為：

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

（2）能方便發出操作指令，實時察看設備運行狀況；

（3）工藝參數可以通過人機界面進行設定、修改、顯示；

（4）系統安全性能好，對系統各部件異常運行能及時自動報警、故障停車；

（5）系統的可拓展性強，能遠程對設備進行必要的監視、診斷和維護，并可修改參數和程序。

圖1　電氣主接線圖（單線圖）

3 新型鋁合金連鑄連軋自動控制系統的設計

速度與溫度是影響鋁合金電工桿質量的核心參數，控制系統應根據鋁合金鑄坯在生產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。

本控制系統以西門子S7-300系列PLC為控制核心，基于PROFIBUS-DP現場總線技術，采用速度與溫度的PID控制，實現鋁合金電工桿連鑄連軋生產線自動控制。

3.1 電氣系統

電氣系統由低壓網絡供電，三相四線380 V、50 Hz，設備總功率約為800 kW（不含倍頻感應加熱裝置）。因為在鋁合金連鑄連軋生產過程中，要求調速范圍廣，過載能力大，且能頻繁啟停，所以生產線連軋機主電機采用450 kW的直流電機。直流電機調速性能好，轉矩控制簡單可靠，過載能力強，由西門子直流調速裝置進行控制。

澆鑄機、前牽引機、輥剪機、后牽引、繞桿、成筐、裝載小車的驅動采用西門子G120變頻器控制。G120變頻器具有保護性強的特點和故障診斷功能，能提高設備安全性，且便于與主電機聯動控制。冷卻水、乳液潤滑系統電機采用接觸器控制。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遠程I/O站作為從站，分別安裝于軋機操作臺及收桿操作臺內接受現場操作控制指令，西門子HMI觸摸屏為人機界面，安裝于軋機操作臺。

ET200M遠程I/O站、6RA70直流調速器、G120（帶有DP從站功能）變頻調速裝置與CPU313C-2DP之間采用PROFIBUS-DP現場總線通訊，交換主站與從站之間的數據，PROFIBUS-DP現場總線最高傳輸速率可達12Mbit/s，可以保證數據的時效性。西門子HMI觸摸屏通過MPI網絡與PLC進行全局數據通信。

上位機通過工業以太網與PLC通訊，可采集生產過程中影響產品質量的關鍵數據，與生產過程時間形成時序曲線，通過分析，優化生產工藝。

由PLC系統完成整個生產線的工藝操作控制，如鑄機冷卻水流量控制、軋機的速度控制、張力控制、自動減速、自動準確停車、液壓系統和潤滑系統的控制、系統的各類相關設備連鎖控制等。圖2為PLC控制網絡簡圖。

圖2　PLC控制網絡簡圖

3.3 人機界面設計

人機界面采用西門子10英寸真彩屏幕，以MPI通訊方式與PLC進行雙向的數據交換，通過PLC的程序實現對系統的監測和控制；同時實現系統的工藝參數設置、運行控制、工況顯示、報警顯示等。

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

圖3　人機界面的主畫面

3.4 控制功能

生產線控制系統可根據不同工況進行單機控制/聯動控制切換。

（1）單機控制。單機速度由操作臺電位器或HMI觸摸屏給定，控制器同時采集電機速度編碼器反饋的速度值進行比較，對電機進行控制，構成一個單機的PI速度閉環控制系統。

（2）聯動控制。生產線速度以澆鑄機的速度為基準，前牽引機、輥剪機、軋機等根據預設機械傳動速比自動跟蹤澆鑄機的速度，后牽引、繞桿等均自動跟蹤軋機的速度；PLC控制系統根據各段速度反饋自動調整各部件轉速，達到速度匹配；同時安裝在鑄機鑄坯引橋處的張力裝置作用于軋機，對軋機速度自動微調，使生產更連貫。

（3）溫度控制。在鑄造、軋制過程中，要嚴格控制鑄坯溫度、速度，冷卻水溫度、壓力，乳化液溫度、壓力，這幾個工藝參數直接影響著鋁合金桿的質量。控制系統通過采集流槽合金液體溫度，自動調節鑄機速度、澆鑄輪冷卻水溫度及壓力；在軋制過程中，根據進軋溫度自動調整乳化液溫度及壓力。

（4）聯動速度閉環控制。控制程序調用西門子S7-300自帶的PID控制器（調用FB41模塊），實現聯動速度PID控制；同時各單機控制器根據自身速度編碼器反饋微調本機轉速，使整條生產線同步運行。圖4為軋機聯動轉速計算程序。

圖4　軋機聯動轉速計算程序

4 結束語

此套控制系統已成功應用于本所開發的鋁合金電工桿連鑄連軋生產線上，結合生產實際情況，還進行了如下創新：

（1）采用自動液面控制系統。熔爐和鑄機之間液面的穩定對軋制至關重要，本生產線在上下澆煲之間增加一套自動液面控制裝置，能自動調節、保持流量恒定，使澆鑄機結晶輪內鑄坯結晶均勻。

（2）改進現有張力控制系統。張力控制是鋁合金電工桿連鑄連軋生產線速度控制的核心，生產線張力不均勻容易產生斷桿、堵桿等現象，導致生產線不能連續運行，浪費原材料且能耗增加，同時合金桿成品合格率低；本生產線采用紅外線測距裝置代替傳統張力裝置，系統簡單、安裝方便、控制精度高。

作者地址：上海市軍工路1000號[200093］.

中圖分類號：TM244.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-6901（2016）04-0035-03

收稿日期：2016-01-05

作者簡介：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