鍍鋅線自動控制系統的研發與應用

佟明飛

（河鋼唐鋼微爾自動化有限公司，河北 唐山 063000）

近些年來，我國陸續建成了多條現代化的冷軋連續熱鍍鋅生產線，隨著鋼鐵冶軋技術及其自動化程度的不斷提高，國內外市場對汽車板家電板質量(如帶鋼的板形、機械性能和表面質量等)的要求也日益嚴格，連續熱鍍鋅生產線將冷軋帶鋼進行鍍鋅處理，穩定的張力速度控制以及與加熱爐溫度的協調控制，以及后續的光整機、拉矯機、鈍化設備控制，對產品質量控制有著很大的影響。因此，掌握鍍鋅控制核心技術，優化控制效果，不僅有利于培養高素質的企業科技人才，增強企業的科技創新能力，更能夠為國家節省外匯、為企業節約大量資金投入，創造具有高附加值的產品，增強產品的市場競爭力。

1 鍍鋅線自動控制系統的構成

連續熱鍍鋅機組自動化系統龐大、復雜、IO點數超過1萬點,PLC和HMI系統內部變量達數十萬個，通過現場總線連接的變頻調速裝置超過150臺，機組工藝邏輯、速度、張力等被控量要求精度高、反應快，機電一體品種多、接口多。在自動化系統的設計、編程、調試中均需考慮各種技術問題進行程序架構。

控制系統采用SIMATIC PCS7軟件平臺，使用CFC、SFC、STL作為編程語言。整個生產線共采用6套PLC控制系統、73臺遠程站，系統硬件配置采用西門子公司的PCS7控制系統，選用S7-400/ET200控制器，變頻器、編碼器采用Profibus與控制器通訊，采用兩級計算機網絡系統實現對各子系統工藝生產線的自動控制、全面監控。系統采用服務器、客戶端的方式，模塊化的編程方式，便于維護和管理。

本系統工程包括以下工作內容：自動化系統設計；與復雜的第三方子系統(如拆帶機、焊機、電解整流器、交流調壓器、退火爐、氣刀、鋅鍋、鋅層測厚儀、鈍化軟熔、表面檢測儀、測寬儀、測厚儀、涂油機、打包機、全線CPC及EPC等)的接口方案；物料跟蹤與焊縫位置跟蹤；設定值管理與分配；速度主令控制；傳動補償測試與計算、電機轉矩控制；精確的張力控制；機組協調控制與操作運轉方案；輔助儀表控制（清洗段、鍍后冷卻段、濕光整、鈍化等)；HMI系統；L2計算機功能如鋼卷信息、統計報表等。

系統配置和功能分配根據機組的特點和控制任務的需要，自動化系統配置如下：

(1)入口段PLC：配置3個CPU，分別負責入口段邏輯順控（SSFN）、全線協調（LCON）、主斜坡控制（MRGN）及相關傳動控制任務，并完成與拆帶機、焊機、入口段CPC的接口工作；

(2)中間段PLC：配置3個CPU，分別負責中間段邏輯順控（SSFP）、全線協調（LCOP）、主斜坡控制（MRGP）及相關傳動控制任務，并完成與清洗段電解整流器、退火爐、氣刀、鋅鍋、鋅層測厚儀、鈍化軟熔、表面檢測儀、中間段CPC等的接口工作；

(3)光整機PLC：共配置2個CPU，包括換輥控制（RCH）和板形測量（FLC），完成光整機液壓輥縫控制、彎輥控制、濕光整系統、快速換輥、軋制線調整和板形控制等任務，使帶鋼出光整機后具有更好的板形。

(4)出口段PLC：配置3個CPU，分別負責出口段邏輯順控（SSFX）、全線協調（LCOX）、主斜坡控制（MRGX）及相關傳動控制任務，并完成表面檢測儀、測寬儀、測厚儀、涂油機、打包機、出口段CPC及EPC等的接口工作；

(5)物料跟蹤系統MTR：設置1個PLC，負責全線鋼卷信息跟蹤、全線焊縫位置和距離跟蹤及與L2的接口工作；

(6)急?？刂葡到yE-STOP：負責全線急停操作按鈕和安全門的使用和控制；

(7)HMI系統：由于系統過于龐大，設置2個服務器，通過分別設置在入口、中間、光整機、出口操作室和入口、出口電氣室的多個客戶端，供不同區域的工作人員同時使用；

(8)L2計算機系統:設置1套服務器，并在入口、中間、出口操作室和電氣室分別設置操作終端，完成鋼卷信息、生產計劃要求、報表打印、稱重、成品標簽打印等任務；以太網通訊網絡：在入口、出口電氣室和4個操作室分別設置以太網交換機，以光纜作為網絡介質進行遠距離通訊傳輸數據；

(9)Profibus-DP通訊網絡：通過光纖進行遠距離通訊后，在現場經過光電轉換模塊（OLM）轉換成DP紫纜，將現場多個設備和遠程I/O柜聯系在一起，實現現場穩定快速的近距離通訊。

限于篇幅,沒有詳細展示出各組S7-400PLC的具體配置和名稱及遠程站檢測元器件等。

2 鍍鋅線自動控制系統的架構

本套控制系統程序架構，采用橫向縱向程序區分，橫向把程序分為入口段、工藝段、出口段?？v向對每個段程序進行功能劃分SSF（順序控制）、LCO（產線協調）、MRG（主斜坡控制）、E-STOP（急停系統）、MTR（帶鋼跟蹤）和HMI（人機界面）。下面對本控制系統中涉及到的主要模塊化編程內容進行分別介紹。

2.1 SSF （順序控制模塊）

順序控制模塊包含兩大部分，第一部分是所有的支持系統，例如：液壓輔助系統，入口出口鋼卷運輸系統，入口段、工藝段、出口段其他移動功能和接口功能等等。第二部分是所有的順序控制，例如：鋼卷運輸順控、測寬測徑順控、自動卸卷順控等。這種全層次的順序控制結構保證了維修人員的高可用性。LCO發送給SSF不同功能的啟動信號（S7協議在機架內部通訊），SSF接收到指令后，在滿足運行及啟動聯鎖后執行相應控制功能，并把執行結果反饋給LCO。所有的控制功能同樣可以通過按鈕和操作面板使用手動操作實現。

2.2 LCO （產線協調模塊）

產線協調模塊是每一個區域（入口段，工藝段，出口段）的主控程序。它提供不同的操作方式來控制整個產線，并確保所有的工作以適當和協調的方式進行。根據不同的操作模式，可通過HMI或本地操作臺進行干預，修正設定值的分配以及上下線的運行選擇。LCO的主要控制功能如下：

（1）協調操作模式（運行，停止，保持等）。

（2）聯鎖邏輯和切換帶鋼傳動功能（傳動啟停，傳動點動）。

（3）通過帶鋼跟蹤和操作人員干預控制MRG功能。

（4）控制所有需要協調的移動設備，包括壓輥，穿帶導板，水平輥等。

（5）控制帶鋼穿帶、焊接，飛剪自動剪切等功能。

（6）初始化和帶鋼定位監測，及線上點動操作。

（7）提供與其他PLC的接口支持功能，與HMI之間的接口等。

2.3 MRG （主斜坡控制模塊）

主斜坡控制模塊主要實現全線電機傳動控制以及張力控制。MRG與LCO相接，控制產線帶鋼的傳送，MRG計算速度和加減速斜坡發送給傳動，速度設定取決于不同的操作模式、速度參數、加速和點動設定。MRG的主要控制功能如下：

（1）傳動電機的協調控制。

（2）為帶鋼傳動設備提供速度設定。

（3）線速度主斜坡設定。

（4）穿帶甩尾控制，自動降速功能。

（5）張力控制、活套控制

鍍鋅生產線的張力控制主要兩種方法，間接張力控制和直接張力控制。

間接張力控制時，根據帶鋼的信息結合張力計算公式要求的張力設定值轉換適當的電機轉矩，作為轉矩限幅值發送給傳動裝置，因此傳動裝置工作在轉矩控制方式。帶鋼張力通過轉矩限幅值來調節，它沒有實際帶鋼張力的反饋，也沒有控制器來修正轉矩限幅值的偏差。在鍍鋅生產線中，開卷機、卷取機、中間活套和個別張力輥工作在開環張力控制的方式下。

直接張力控制需要有一個張力測量設備，因此對于每一張力區域，閉環張力控制要安裝張力計。張力控制器計算實際帶鋼張力和參考張力的偏差。從這個偏差產生一個修正值，提供給傳動裝置，去消除實際帶鋼張力的偏差。在鍍鋅生產線中，入口、出口活套和大部分張力輥都工作在閉環張力控制的方式下。

3 結語

本套控制系統已經在唐鋼二冷軋5#連續熱鍍鋅線投入使用，并熱試成功，實現穩定生產。目前，該產線已經連續穩定運轉，產品合格率高、生產效率高，期間完成海爾鋼的生產，質量完全達到國標要求。報警程序，能夠對隱患提前預警，防止事故發生。HMI系統輔以故障診斷程序，能夠準確指出問題點，方便維護人員在不查看程序的情況下，對故障的判斷并及時處理，保證生產正常運行。系統投入運行以來，控制精度高，穩定可靠，功能完善，監控操作靈活方便，自動化程度高，大大節省了操作時間，提高了生產效率，同時也減少了操作人員的勞動強度。

[1]張計風.熱鍍鋅工藝自動控制系統設計[J].河北工業大學,2011.

[2]王嘉偉.冷軋帶鋼非對稱板形調控方法的研究[D].燕山大學，2015.