銅帶輥式矯直機傳動及控制系統的升級改造

呂光鎖

（銅陵金威銅業公司設備管理部，安徽銅陵244000）

銅帶輥式矯直機傳動及控制系統的升級改造

呂光鎖

（銅陵金威銅業公司設備管理部，安徽銅陵244000）

對銅帶矯直機原有傳動及控制系統進行升級改造，采用交流傳動代替直流傳動，用電動位置控制代替液壓位置控制，增加傳動力矩和輥縫壓下力，提高矯直后帶材的平直度，改善板形，保證銅帶銑面機帶面銑削質量并降低帶材幾何耗失量。對原系統進行了分析，并給出了系統升級改造的具體方案和實現方法。

矯直機；傳動；DP通信；自動位置控制

1 引言

銅帶銑面機是銅板帶材生產工藝流程中的重要設備，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，為后續冷中軋提供表面質量高的帶材，其帶面銑削質量和帶材幾何耗失量直接受來料帶材表面平直度的影響。矯直機是銑面機的入口設備，經過交錯排列的矯直輥多次反向彎曲，對來料銅帶進行矯平，以消除其翹曲并改善其平直度和板形。某機組原有矯直機設計最大矯平寬度為1290mm，厚度為11～16mm，運行線速度為0～18m/min，輥縫定位精度＜±0.05mm，采用9輥整體傾斜式方案。由于機組原輥系及輥縫壓下機構的剛度和動力不夠，實際生產時矯直效果不佳，故需要對機械部分進行升級改造。在對矯直力及扭矩進行計算和改善位置控制性能過程中，發現現有的電氣傳動及位置控制動力機構不能滿足要求，因此，必須對系統進行相應的升級。

2 原矯直機傳動及控制系統組成

原矯直機由矯直機本體、減速分配箱、電機和驅動及控制系統組成。矯直機所在銑面機組采用直流調速傳動方式。自動化系統采用分層網絡體系結構，使用西門子S7-300PLC實現生產控制功能。驅動裝置采用西門子6RA70系列三相全控橋全數字式直流調速器，PLC與調速器之間通過Profibus-DP現場總線通信，與上位操作站（HMI）之間通過工業以太網通信。矯直機的電氣及自動化系統主要包括傳動和自動位置控制。傳動系統直流電機型號為Z4-180-21，功率為45kW，電流為115A。調速器型號為SIMOREG 6RA7031-6DV62，額定輸出功率為52.5kW，采用速度閉環控制。輥縫開口度自動位置控制系統采用電液閥控馬達位置控制（HAPC），由液壓閥控制液壓馬達驅動螺旋升降機來調節上輥系入出口開度。其整個系統構成及控制系統框圖如圖1所示。

3 系統功能分析

3.1 直流傳動

銑面機組運行速度快，帶材線速度可以連續調節，運行和加減速過程中機組各單元間需要保持速度與張力的匹配以減少機列振動，其自動化控制水平高，傳動系統具有較高的控制精度和快速響應能力。矯直電機的傳動控制包括速度轉矩控制、起停控制和加減速控制。電機驅動裝置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現場通信。速度和轉矩控制通過DP總線由機組PLC給定，實際速度反饋信號來自于CUD1板X173端口所連接的電機增量脈沖編碼器的信號。電機運行控制由DP來的控制字和外部端子輸入共同控制，CUD1板的37、38端子為系統起/停、運行使能開關量輸入，其信號與控制字的控制位“0，3”作“與”操作。加減速控制在PLC程序控制上采用斜波函數發生器功能，利用PLC系統時鐘的0.1S脈沖和給定的加減速率對輸出進行累加，將速度給定值轉變為緩慢上升或下降的輸出值，速度給定通過斜波函數發生器（FC Ramp）輸出給驅動裝置，實現電機速度的平滑快速調節。電機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，用于機組自動化系統計算帶材的長度。直流驅動裝置的接線圖如圖2所示。

圖2 直流驅動裝置接線圖

3.2 輥縫控制

入出口輥縫自動位置控制（APC）的硬件由西門子S7-300PLC、SM322數字量輸出模塊、SM338位置量輸入模塊、CP343-1 TCP以太網通訊模塊、人機界面等組成，其控制框圖如圖3所示。輥縫設定值由操作人員在HMI上手動輸入，也可以由系統預設。PLC將位移傳感器反饋來的實際位置信號與給定值進行比較，APC功能則按照比較偏差值的大小控制電液換向閥通斷，當偏差小于調節精度要求時，系統會停止輸出，就這樣完成位置的閉環控制。

圖3 APC硬件構成及控制框圖

3.3 速度和轉矩控制

銑面機自動化系統以主從方式實現各單元的速度匹配，保證銑削過程帶材運行平穩無振動。在整個穿帶過程中，主單元依次是矯直機、喂料單元、預彎單元，系統跟蹤帶頭位置依次控制主單元傳動輥的給定線速度，保持主單元速度比機列給定線速度大1%～2%。當帶材進入卷取機后，由預彎單元作為主單元，卷取機采用恒張力卷取方式，矯直機傳動輥以機列給定線速度運行，其它從單元傳動輥以機列給定線速度或高1%的線速度運行。矯直機具有帶材矯直和穿帶的作用，作為主單元時其轉矩限制要根據來料尺寸計算確定，作為從單元時其轉矩限制設定應在15%之內，以保證機列單元負荷平衡。

4 系統升級改造

4.1 改造思路

現有傳動系統功率為45kW，升級后功率需達到75kW，因此，必須對整個傳動系統進行升級改造。由于交流調速當前已經成為主流，其性能甚至優于直流調速，同時因交流電機比直流電機更易于維護和保養，因此系統決定采用交流傳動升級方案。原輥縫控制液壓機構動力小，當帶材在矯直輥內時，輥縫調節不動，且位置調節動作速度慢，為了達到大壓力及快速調節及實現方便，升級采用電動位置控制（EAPC）代替液壓自動位置控制。另外，考慮到矯直輥開口度需根據實際矯直效果要經常進行調整，且輥縫壓下機構定位精度較高，因此，可以改位置閉環為開環，以簡化控制過程，并可將輥縫調節由操作室人機界面控制改為就地控制，以方便操作人員現場及時調節矯直效果。

4.2 系統實現

（1）控制結構及硬件配置

圖4 升級后系統傳動及控制框圖

由于整個系統電氣及控制部分改動量大，原有的柜內空間不能滿足升級的要求，因此新系統采用了單獨的電氣控制柜，并增加了一臺西門子的S7-200小型控制器，單獨用于矯直機的輥縫及邏輯控制，機組與矯直機之間的聯系有用于傳動的DP通信信號和邏輯互聯信號，邏輯聯系部分信號量較少，如機組運行、矯直機準備、緊急停車等，因此，機組S7-300PLC與矯直機S7-200PLC之間的通信可以通過數字量I/O端口來完成。新系統主電路及控制系統框圖如圖4所示。交流電機采用75kW西門子變頻電機，型號為1LG0280-4AA7；驅動裝置采用西門子MM440通用型變頻器，型號為6SE6440-2UD37-5FB1，功率為75kW；電機采用機械抱閘制動方式，以保證可靠停車；S7-200PLC配置CPU226及EM221輸入模塊；輥縫壓下電機采用2.2kW三相交流電機；矯直機旁增加現場控制箱，用于入出口輥縫開口度調整。

（2）DP通信

矯直電機MM440變頻器與機組PLC的DP通信的實現，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PLC和變頻器進行硬件組態和參數設置來完成。變頻器接線圖如圖5所示。

圖5 矯直電機變頻器接線圖

對機組PLC的組態通過STEP7組態軟件進行。在硬件組態界面下選擇標準配置文件，在PROFIBUS DP目錄中打開SIMOVERT子目錄，從中選中MICROMASTER 4項，然后將PPO為4的從站拖入左邊組態界面的DP總線下，并在從站屬性框中設置從站DP地址。PPO為4的DP通信包括6個發送和接收的過程數據字（PZD），能夠滿足系統給定和實際值反饋的需要，在PLC程序中將相應的數據字地址分配給需要發送的傳動控制字、給定值和接收的實際值變量。對MM440變頻器參數的設置可通過DriveMonitor驅動配置軟件來進行，其主要設置的通信及控制參數有DP地址、控制字和給定值來源以及反饋給系統PLC的實際值和狀態字，DP地址的設置要與PLC組態中從站的地址相同，其主要參數設置見表1。

表1 MM440變頻器DP通信主要參數設置

5 結束語

對矯直機進行傳動和輥縫壓下系統改造，采用交流傳動和電動壓下方案，可以達到提高帶材矯直效果的目的。該方案使輥縫調整更加方便快速，改造后的系統自投入運行以來，帶材矯直效果得到了較大改善，滿足了銑面對來料板形的要求。系統采用的交流傳動系統動態性能高，機組各單元速度和轉矩的匹配良好，系統運行平穩無振動。

［1］李 華.板帶材軋制新工藝、新技術與軋制自動化及產品質量控制實用手冊［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，主要從事軋機和磨床自動控制技術的研究和現場維護工作。

2016-03-28