1、引言
冷軋窄帶鋼有著非常好的市場(chǎng)，但很多生產(chǎn)廠的軋機(jī)設(shè)備比較陳舊，特別是電氣的裝機(jī)水平和控制性能較差，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、成材率和產(chǎn)量，當(dāng)然也影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。總結(jié)前人的窄帶鋼冷軋機(jī)電控裝置的設(shè)計(jì)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合用戶的具體要求，本著高性能，低成本的原則，選擇德國(guó)VIPA 300S系列PLC和英國(guó)CT不可逆全數(shù)字" title="全數(shù)字">全數(shù)字直流調(diào)速裝置MENTOR-Ⅱ?yàn)榭刂坪诵?，設(shè)計(jì)制造了一套五機(jī)架冷連軋機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，而且實(shí)現(xiàn)了速度的級(jí)聯(lián)" title="級(jí)聯(lián)">級(jí)聯(lián)控制和張力的閉環(huán)控制，大大提高了設(shè)備和產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，取得了較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
2、系統(tǒng)介紹2.1 機(jī)組情況
五機(jī)架冷連軋機(jī)是由開卷機(jī)、螺旋儲(chǔ)料裝置、1-5#四輥冷軋機(jī)和卷取" title="卷取">卷取機(jī)等主要機(jī)械設(shè)備組成，全線沒有活套機(jī)構(gòu)，在1-2#、2-3#、3-4#和4-5#機(jī)架間設(shè)有張力計(jì)，1#機(jī)架入口和5#機(jī)架出口各有一臺(tái)測(cè)厚儀，以測(cè)量來(lái)料厚度和成品厚度；每個(gè)機(jī)架為獨(dú)立的直流傳動(dòng)系統(tǒng)，1-5#四輥冷軋機(jī)均為工作輥傳動(dòng)，輥縫按工藝人工擺放，壓下控制采用四象限全數(shù)字直流調(diào)速裝置電動(dòng)壓下替代交流電動(dòng)壓下，卷取機(jī)也采用了四象限直流傳動(dòng)系統(tǒng)。圖1是機(jī)組的組成圖。

圖1 窄帶鋼五機(jī)架冷連軋機(jī)布置圖
2.2 電氣系統(tǒng)
針對(duì)窄帶鋼五機(jī)架冷連軋機(jī)的工藝特點(diǎn)，選擇高性能的控制元器件是滿足控制要求的關(guān)鍵。作為控制核心的PLC，選擇了VIPA公司300S系列的CPU作為PROFIBUS系統(tǒng)的主站，在主操作臺(tái)設(shè)置了IM253DP從站和一塊TP270觸摸屏，在兩個(gè)壓下控制柜和卷取控制柜分別設(shè)置了S7-200從站，同時(shí)控制1-5#機(jī)架的直流控制裝置" title="控制裝置">控制裝置都安裝了PROFIBUS擴(kuò)展板MD24，在1-5#機(jī)架的機(jī)旁操作箱以及卷取操作臺(tái)都分別設(shè)置了VIPA公司的IM253DP作為從站。
該套PLC系統(tǒng)，以VIPA公司的Speed7系列的CPU 315-2AG12作為主站，從站數(shù)量達(dá)到了16個(gè)。作為主站的CPU 315-2AG12，本機(jī)自帶1M內(nèi)存（50%程序，50%數(shù)據(jù)），運(yùn)算速度高達(dá)每毫秒100,000指令，主要采集各個(gè)從站的數(shù)據(jù)，同時(shí)向各個(gè)從站傳遞指令，控制整個(gè)軋機(jī)；1-5#機(jī)架從站主要功能是接受主站傳輸?shù)闹噶詈蛿?shù)據(jù)（例如合閘、運(yùn)行、速度給定等）以控制每個(gè)機(jī)架電機(jī)，同時(shí)向主站傳遞信息和數(shù)據(jù)（例如故障、速度反饋、電流反饋等）以反映每個(gè)機(jī)架電機(jī)的狀態(tài)；1-5#架旁操作箱從站分別采集各個(gè)機(jī)架控制的開關(guān)量信號(hào)；卷取機(jī)從站主要功能是傳遞卷取電機(jī)的各種信息和接受主站的各種指令，同時(shí)還進(jìn)行卷取卷徑的計(jì)算以實(shí)現(xiàn)張力恒定；兩個(gè)壓下從站的功能是控制1-5#壓下十臺(tái)電機(jī)，同時(shí)還計(jì)算2#和5#壓下驅(qū)動(dòng)側(cè)和操作側(cè)的位置；系統(tǒng)200V從站主要采集主操作臺(tái)對(duì)整個(gè)機(jī)列的操作信號(hào)；TP270觸摸屏，通過(guò)MPI與CPU 315-2AG12通訊，主要用于顯示各種機(jī)列數(shù)據(jù)（例如機(jī)列速度、卷取卷徑和設(shè)備的故障情況等）。
在本控制系統(tǒng)中，大量選用VIPA公司的IM253DP作為從站，是節(jié)省投資的另一個(gè)主要方面。IM253DP具有很高的性價(jià)比，使用上可以和ET200M相媲美；同時(shí)VIPA公司的IM253DP的尺寸較小，采用35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，可以減小機(jī)旁操作箱的尺寸，接線采用彈簧卡接的型式，快速，可靠。圖2是PLC的配置圖

圖2 五機(jī)架冷連軋機(jī)PLC系統(tǒng)配置圖
直流電機(jī)的直流驅(qū)動(dòng)單元采用的是C.T公司的MENTOR——Ⅱ系列全數(shù)字直流控制裝置。該系列全數(shù)字直流控制裝置具有典型的雙閉環(huán)控制特性，全數(shù)字菜單式參數(shù)設(shè)定，并可在線調(diào)整，可編程的模擬量和開關(guān)量輸入輸出，速度反饋可選擇電樞電壓、測(cè)速發(fā)電機(jī)和碼盤，電流環(huán)參數(shù)自整定功能，裝置自檢功能，自帶小功率磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)及可配套的磁場(chǎng)控制模塊FXM5。為了節(jié)省投資，1-5#機(jī)架直流驅(qū)動(dòng)單元都選用單象限工作的不可逆全數(shù)字直流控制裝置及磁場(chǎng)控制模塊FXM5，采用磁場(chǎng)換向的控制方式，滿足點(diǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)反向的工作要求。

3、系統(tǒng)的控制功能
窄帶鋼五機(jī)架冷連軋機(jī)的電氣控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)：機(jī)列的邏輯控制、直流傳動(dòng)控制、速度級(jí)聯(lián)控制、機(jī)架間張力閉環(huán)控制和卷取張力控制" title="張力控制">張力控制。
3.1機(jī)列的邏輯控制和直流傳動(dòng)控制
這兩部分的控制屬于基本控制，邏輯控制上主要是在容錯(cuò)方面做了較多工作，因?yàn)橹绷餮b置采用的是不可逆裝置，而工作中，各單機(jī)又需要反向點(diǎn)動(dòng)，做好電機(jī)磁場(chǎng)的換向及避免各種誤操作對(duì)設(shè)備造成損壞尤為重要。直流傳動(dòng)控制由于采用了全數(shù)字直流控制裝置，保證了對(duì)給定信號(hào)的快速精確和穩(wěn)定可靠地響應(yīng)，并能準(zhǔn)確地反饋各種信號(hào)。
3.2速度級(jí)聯(lián)控制
在冷連軋機(jī)的軋制過(guò)程中，各機(jī)架的速度匹配關(guān)系應(yīng)始終遵循金屬秒流量相等的原則，針對(duì)五機(jī)架連軋機(jī)，確定3#機(jī)架為機(jī)列速度基準(zhǔn)機(jī)架，1#和2#機(jī)架按逆向級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行，4#和5#機(jī)架按順向級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行。
按照金屬秒流量相等的原則，第i機(jī)架的速度計(jì)算公式是：
Vi=Vi+1/Ki+1
公式中，Vi是本機(jī)架的出口線速度，Vi+1是相鄰下游機(jī)架的出口線速度，Ki+1是相鄰下游機(jī)架的延伸率。
有三個(gè)信號(hào)對(duì)各機(jī)架的速度產(chǎn)生影響：一是機(jī)列的主速度給定，根據(jù)主操作手給定的機(jī)列速度，按相應(yīng)的級(jí)聯(lián)關(guān)系分配給各機(jī)架；二是各機(jī)架的速度微調(diào)，3#機(jī)架是基準(zhǔn)機(jī)架，不需要速度微調(diào)，1#、2#和4#、5#機(jī)架在操作臺(tái)上各有一個(gè)微調(diào)電位器，1#和5#機(jī)架是級(jí)聯(lián)終端，它們的微調(diào)Vw1、 Vw5分別只對(duì)本機(jī)架產(chǎn)生影響，而2#和4#機(jī)架的微調(diào)除了影響本機(jī)架，還應(yīng)級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)1#和5#機(jī)架；三是張力閉環(huán)調(diào)節(jié)信號(hào)，1-2#機(jī)架間的張力調(diào)節(jié)信號(hào)Vz12，附加給1#機(jī)架的速度給定，2-3#機(jī)架間的張力調(diào)節(jié)信號(hào)Vz23，除了附加給2#機(jī)架，還要級(jí)聯(lián)到1#機(jī)架，3-4#機(jī)架間的張力調(diào)節(jié)信號(hào)Vz34，附加給4#機(jī)架，4-5#機(jī)架間的張力調(diào)節(jié)信號(hào)Vz45，除了附加給4#機(jī)架，還要級(jí)聯(lián)到5#機(jī)架，各機(jī)架的最終速度給定如下：
5#機(jī)架：V5=V4＊K5 +Vz45+Vw5
4#機(jī)架：V4=V3＊K4 +Vz34+Vw4
2#機(jī)架：V2=V3/K3 +Vz23+Vw2
1#機(jī)架：V1=V2/K2 +Vz12+Vw1
作為1#和5#機(jī)架的速度微調(diào)，因?yàn)樗鼈冎挥绊懕緳C(jī)架的速度給定，其實(shí)是可以直接進(jìn)直流控制器的，但是為了充分利用PLC資源，利用PROFIBUS的優(yōu)點(diǎn)，減少現(xiàn)場(chǎng)布線，所以將各微調(diào)信號(hào)都送到了PLC。
3.3 張力閉環(huán)控制
連軋機(jī)機(jī)架間張力的變化主要是由金屬秒流量的變化引起的，由于在軋制過(guò)程中，輥縫基本上是不做調(diào)節(jié)的，所以改變軋機(jī)的速度就能改變金屬秒流量，從而達(dá)到控制張力的目的。軋制過(guò)程中，PLC定時(shí)對(duì)機(jī)架間的張力反饋值進(jìn)行采樣，根據(jù)相應(yīng)的張力給定計(jì)算出張力偏差值，調(diào)用PID控制指令，計(jì)算出張力調(diào)節(jié)信號(hào)，變換為速度信號(hào)形式，分配給相應(yīng)的機(jī)架，達(dá)到通過(guò)速度實(shí)現(xiàn)對(duì)張力控制的目的。圖3 是張力控制框圖

圖3 張力控制框圖
需要說(shuō)明的是，1-2#和2-3#機(jī)架間的張力控制信號(hào)對(duì)應(yīng)1#和2#機(jī)架的速度給定是正極性，也就是1-2#機(jī)架間的張力偏大的時(shí)候，PID計(jì)算的張力調(diào)節(jié)信號(hào)VZ12是使1#機(jī)架的速度增加，反之減??；而3-4#和4-5#機(jī)架間的張力控制信號(hào)對(duì)應(yīng)4#和5#機(jī)架的速度給定則是負(fù)極性的，也就是3-4#機(jī)架間的張力偏大的時(shí)候，PID計(jì)算的張力調(diào)節(jié)信號(hào)VZ34是使4#機(jī)架的速度減小，反之增大。
3.4卷取機(jī)張力控制
卷取機(jī)的張力控制由卷取機(jī)的從站S7-200來(lái)完成，為了使卷取機(jī)以恒張力的卷取特性工作，就必須實(shí)時(shí)計(jì)算卷取機(jī)的帶材卷徑；本系統(tǒng)將測(cè)速輥的編碼器接入S7-200的高速計(jì)數(shù)通道中，以計(jì)算帶材長(zhǎng)度，同時(shí)將卷取機(jī)的測(cè)速編碼器的零脈沖接入高速計(jì)數(shù)通道，在S7-200的程序中做了事件中斷，本系統(tǒng)設(shè)置了卷取機(jī)的測(cè)速編碼器每轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)，調(diào)用一次中斷程序，算出兩次的長(zhǎng)度差，即可算出卷徑。
帶材卷徑計(jì)算出來(lái)后，即可通過(guò)程序計(jì)算出所需的卷取張力值，當(dāng)卷徑較小速度又較快時(shí)，卷取電機(jī)的速度有可能超過(guò)基速，電機(jī)則需要弱磁，此時(shí)電機(jī)的力矩會(huì)減小，為了獲得恒定的力矩，需要從卷取機(jī)直流裝置中讀取電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，計(jì)算出弱磁的倍數(shù)，按倍數(shù)加大卷取電機(jī)的電流給定，以補(bǔ)償弱磁后的力矩減小。
4、系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用效果
4.1系統(tǒng)特點(diǎn)
A、將原來(lái)人工分別調(diào)各機(jī)架速度來(lái)保持機(jī)架間張力，改造為張力自動(dòng)閉環(huán)工作方式，系統(tǒng)響應(yīng)的快速性、穩(wěn)定性得到了保證，消除了人為因素的影響；
B、在300S PLC的編程中，應(yīng)用OB35系統(tǒng)塊的定時(shí)中斷功能，對(duì)張力閉環(huán)采取內(nèi)外環(huán)的控制方式，也就是說(shuō)以3#機(jī)架為速度基準(zhǔn)，先調(diào)用2#和3#PID環(huán)，以調(diào)節(jié)2#和4#機(jī)架的速度，在下一個(gè)循環(huán)周期再調(diào)用1#和4#PID環(huán)，以調(diào)節(jié)1#和5#機(jī)架的速度，這樣就避免了同時(shí)調(diào)用1-4#PID環(huán)所容易引起的速度震蕩，效果非常良好。
C、張力的投入是在穿帶過(guò)程中自動(dòng)進(jìn)行，從而在整個(gè)軋制過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了張力控制，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率；
D、 因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)都應(yīng)用了PROFIBUS通訊，省去了柜子之間以及和操作臺(tái)之間的布線，大大降低了系統(tǒng)故障率，同時(shí)在主操作臺(tái)設(shè)置了良好的人機(jī)畫面，為客戶檢修故障提供了方便。
4.2 應(yīng)用效果
采用上述控制技術(shù)，窄帶鋼五機(jī)架冷連軋機(jī)的機(jī)列速度從90m/min，提高到240m/min，張力控制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)閉環(huán)，帶負(fù)荷試車一次成功，運(yùn)行一年半時(shí)間，PLC和直流控制裝置未出現(xiàn)任何故障，設(shè)備可靠性高，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。