1850mm双机架铝轧机电气控制系统设计

摘要摘要铝合金板带材生产的最后一道工序就是冷轧，是影响铝合金板带材产品性能、尺寸精度和表面质量的关键工序之一，因此，冷轧工序控制的好坏将直接影响到产品的使用效果；此外连轧是冷轧机组的发展方向之一，通过研究铝冷连轧机机组电气控制技术，对提高铝合金冷轧产品产量和质量具有重要的意义。本文以某铝业集团冷轧公司 1850mm 双机架铝冷连轧机为研究对象，进行电气控制系统设计与调试， 主要完成工作如下：(1) 首先在充分了解系统设备配置基础上，详细描述了双机架冷连轧机组的机械设备配置、传感器配置以及冷连轧机组的功能要求，为下一步具体设计电控系统打下基础。(2) 根据冷连轧机组的特点及工艺要求，采用西门子 S7 400 PLC+TDC 作为电控系统下位机，完成电气控制系统硬件设计，同时采用 PROFIBUS 现场总线及以太网的结构，形成机组的监控网络。(3) 在完成电控系统硬件设计基础上，基于西门子 STEP7 软件开发平台，利用PLC 完成机组全线逻辑、辅助设备、流体及开卷机和卷取机的控制，利用 TDC 完成压下伺服系统控制及机架间张力控制和连轧机组厚度控制系统软件设计。(4) 通过对现有通用组态软件的对比，采用万伟公司的 INTOUCH 组态软件作为本系统的人机交互界面开发平台，实现冷连轧机组的实时数据在线监测、参数设定、历史数据记录及故障报警等功能。关键词：双机架铝轧机；PLC；TDC；人机交互界面；组态软件- I -AbstractAluminum Alloy strip production process is the last cold, is Aluminum Alloy strip product performance, size precision and surface quality of the key procedure of the control, therefore, the cold rolling process will directly affect the use effect of the product; in addition is the direction of development of cold rolling mill, through the research of aluminum cold rolling mill electric control technology，has an important significance to improve the yield and quality of Aluminum Alloy cold-rolled products. In this paper, the design and debugging of the electrical control system of the 1850mm dual frame aluminum cold rolling mill of a certain aluminum group cold rolling mill is carried out:(1) First fully understand the configuration system based on the device, a detailed description of the double stand cold rolling mill machinery and equipment configuration, sensor configuration and functional requirements of the cold rolling mill, lay the foundation for the design of electrical control system of the next step.(2) According to the characteristics and technology of cold rolling mill, the SIEMENS S7 400 PLC+TDC as the lower computer control system, complete the hardware design of the control system of electrical，and the structure of PROFIBUS fieldbus and Ethernet network, the formation of the monitoring unit.(3) Based on the control system hardware design, SIEMENS STEP7 software development platform based on PLC is used to complete the unit line logic，auxiliary equipment, fluid and uncoiler and coiler control，using TDC hydraulic servo control system and tension control and even rolling mill thickness control system software.(4) Through the comparison of the existing common configuration software, using InTouch configuration software to wonderware company as the human-machine interface development platform of the system, realize the continuous cold rolling mill real-time data on-line monitoring, parameter setting, historical data recording and fault alarm function.Keywords: Double stand Aluminum Alloy cold rolling mill; PLC; TDC; human-machine interface; configuration software- II -目录目录- IV -摘要IAbstractII第 1 章绪论11.1 课题背景及研究的目的和意义11.2 铝合金冷轧产业与技术的发展现状和趋势11.2.1 铝合金冷轧设备与装备的发展11.2.2 我国铝合金冷轧产业与技术的发展现状与趋势21.3 电气控制技术发展现状31.4 本文主要研究内容4第 2 章双机架铝连轧机设备及工艺概况62.1 冷连轧机组设备概况62.1.1 双机架冷轧机组组成62.1.2 机组主要技术参数72.2 工艺自动化控制中现场检测仪表的基本配置92.3 双机架冷连轧机组电气控制系统主要功能102.4 本章小结10第 3 章冷连轧机组电气控制系统设计113.1 连轧机组电控系统总体结构113.2 电控系统控制元器件选型123.3 传动系统电气设计133.3.1 供电系统设计133.3.2 传动系统调速装置设计133.3.3 传动系统控制功能183.4 辅助装置电气系统设计193.4.1 流体泵站电机控制硬件设计193.4.2 液压伺服系统硬件设计213.5 本章小结23第 4 章电气控制系统软件设计244.1 引言244.2 电气控制系统整体设计244.3 张力系统控制设计264.3.1 开卷机和卷取机张力控制274.3.2 自动张力控制(ATC)294.4 压下伺服控制314.4.1 一般功能314.4.2 自动厚度控制(AGC)324.5 本章小结35第 5 章双机架连轧机组人机交互界面设计365.1 人机交互界面开发平台365.1.1 Intouch 组态软件365.1.2 网络应用程序开发375.1.3 Intouch 与 PLC 的配置385.1.4 Intouch 与 TDC 的通讯配置395.2 监控软件设计415.2.1 监控软件总体设计415.2.2 监控软件开发415.3 本章小结46结论47参考文献48攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果51致谢52第 1 章绪论第 1 章绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义一般来说，铝合金板带材的变形工序主要有热轧和冷轧，而冷轧工序是铝合金供给市场前的最后一道工序，因而冷轧工序控制的好坏，将对铝合金板带材的产品性能和尺寸精度及表面质量产生重要影响，因此，研究铝合金冷轧装备、工艺及控制技术，对提高铝合金冷轧生产过程的产品的产量和质量具有非常重要意义。为了实现铝合金板带材冷轧产品高效、优质生产，一些发达国家的企业和学术界对铝合金冷轧机的整体设计、生产工艺及控制技术进行了深入研究，获得可喜研究成果， 技术成熟，实现铝合金冷轧生产过程的优质高效生产，但出于企业利益原因，很多技术没有公开，在国际上形成技术垄断。随着计算机技术、信息技术、轧制理论的发展，我国在冷轧装备制造、生产工艺及控制技术方面也进行了大量的研究工作， 取得了一系列的进展，整体工艺水平得到大幅提高，技术上取得了长足的进步，但从整体上看，我国在铝合金冷轧研究领域取得一定的成绩，但在铝合金冷轧领域整体技术和国际先进企业技术水平相比还有一定差距，还有大量的工作，需要我国相关领域科技工作者和工程技术人员进行深入研究1。随着市场竞争日益激烈，人力成本及环保要求，是铝合金生产及加工企业面临诸多挑战，这就要求企业尽可能的在最短时间内将最好的产品以最低的成本交付给下游用户，解决这个问题的一个解决方案就是建设经济、灵活的双机架冷轧生产线。单机铝合金架轧机由于轧制道次多，导致铝合金变形轧制时间过程长，生产效率低， 适用于产品规格、材料品种多及特殊铝合金材料的轧制2。连续轧制是一种高效率、低成本、高品质，易于实现自动控制的轧制方法。连轧过程高度自动化和智能化的应用体现了现代轧机的控制水平，因此连轧机成为当前轧制的主要发展方向3,4。在 “中国制造 2025”的发展趋势下，建立生态化的有色金属轧制技术体系，解决面临的资源、能源、环境问题，实现最终的有色金属冶金“绿色制造”5。1.2 铝合金冷轧产业与技术的发展现状和趋势1.2.1 铝合金冷轧设备与装备的发展冷轧机根据控制技术分为老式轧机和新式轧机；根据轧制产品的不同可分为块片冷轧机和卷材冷轧机。卷材冷轧机根据机架数量分为单机架冷轧机和双机架或多机架冷连轧机；根据轧制方向可分为可逆冷轧机和不可逆冷轧机；根据结构形式分- 6-燕ft大学工程硕士学位论文为二辊、四辊、六辊及其他多辊冷轧机。根据控制技术分为 HC 轧机、UC 轧机、VC 轧机、CVC 轧机、UPC 轧机、PC 轧机等。目前，国内最常用的分类方式为按机架数分类，对于单机架冷轧机最常用的分类方式是按结构形式和轧制方向分类。单机架轧机根据轧制方向可分为可逆式轧机与不可逆式轧机两种。可逆式轧机结构较复杂、造价较高，具有生产辅助时间短、生产效率高等优势，但每改变一次轧制方向都必须调整压下、前后张力、工艺润滑及辊形等条件，才能轧出薄厚均匀及表面平直的带材，而且调整时轧制速度难以提高，轧制条件难以保持稳定，人工操作影响较大，因此使用并不普遍。冷连轧机代表目前铝合金冷轧机设备的最高水平，其主体设备组成示意图如图1-1 所示。目前国外的主要冷连轧机有：俄罗斯萨马拉冶金厂的 5 机架冷连轧生产线， 美国铝业公司田纳西轧制厂的全连续 3 机架冷轧生产线，加拿大铝业公司肯塔基州洛根卢塞尔维尔轧制厂于 1993 年投产的 3 机架 CVC 冷连轧。阿尔诺夫铝加工厂与1995 年初建成投产的一条冷轧双机架四辊 CVC 冷连轧生产线。中铝西南铝于 2009 年建成的一条双机架六辊 CVC 冷连轧生产线，是国内第一条也是目前唯一一条具有世界先进水平的高精铝及铝合金板带冷轧生产线1,6。S1S2测厚仪张力计测厚仪开卷机图 1-1 双机架冷连轧机主要设备组成示意图卷取机1.2.2 我国铝合金冷轧产业与技术的发展现状与趋势我国的铝合金冷轧产业的发展经历了蹒跚起步到自助设计开拓到引进国外先进技术以及快速发展等阶段。我国的铝合金生产可追溯到二十世纪三十年代，1932 年上海华铝钢精厂的投产标志着我国铝板、带、箔轧制生产的起步，由于当时中国还没有自己独立自主的工业，它是瑞、加拿大及英国的铝业公司投资建设，除生产铝箔外，还生产少量板带材，所需的原铝锭全部进口。从 1932 年第一个铝合金生产厂到解放后的 1960 年，这一阶段属于我国铝合金生产的起步阶段，这中间具有代表性的是，1956 年东北轻合金有限责任公司从苏联引进 2 台 1700mm 四辊可逆式冷轧机以及配套齐全的辅助设备，可生产宽度 1500mm 以下的 1 系8 系的所有铝合金板带第 1 章绪论材。此后由于国外的技术封锁，我国开始独立自主，进行自行设计制造以及建筑安装我做的铝合金加工厂，这一阶段属于我国铝合金冷轧的自主开拓阶段，这一阶段有代表性的成果是 1968 年和 1970 年正式投产的西北铝加工厂及西南铝加工厂，此外，在 20 世纪 60 年代，中国第一重型机器厂为西南铝加工厂设计制造了 1 台 2800mm 冷轧机，并于 1970 年投产。自此，中国可以生产宽度达 2500mm 的各种加工铝合金板带材。随着改革开放的推进及国外技术封锁的逐步解除，在 20 世纪 70 年末，我国进入到技术引进阶段，一大批具有国际先进水平的铝合金冷轧设备和先进工艺引入国内。主要的代表成果有：70 年代末，东轻厂从意大利米诺公司引进了 1 台 900mm 四辊冷轧机。80 年代中后期，华北铝加工厂从日本神户钢铁公司引进了 1600mm 冷轧及箔轧机。此后，中国先后从意大利、日本、德国、美国等国家大量引进铝板、带、箔轧机及其配套设备5-7。随着先进技术的引进，以及计算机技术、轧制理论的不断完善，我国新一轮的铝合金冷轧装备、生产工艺及控制技术也在不断的发展。截至 2009 年底，中国已有180 多个铝板带轧制企业，其中大中型企业 135 个，现代化四辊与六辊冷轧机 165 台， 冷轧生产能力为 660 万吨年，比美国的高 2.5%。2002 年至 2010 年冷轧能力增长30%以上，到 2010 年我国铝板带生产能力可超过 850 万吨。在建和拟建的大型项目12 个，将安装具有世界先进水平的大型宽幅高速冷轧机和国内自主研发的先进冷轧设备。由此可见，我国铝及铝合金轧制生产与设备正处于高速发展时期，中国不仅是世界的铝轧制大国，而且将成为世界铝轧制强国8-10。伴随着市场需求的不断增长和变化，近年来，我国铝轧制设备市场出现了多样化的要求，正逐步向高精度化、宽幅化、高速化以及高水平和连续轧制的方向发展。主要呈现以下几方面的特点：(1)向高精度化方向发展：厚度测控高精度和板形控制高精度以及相关的液压和电控水平的提高，使轧机的性能大大提高。(2)向宽幅化方向发展：轧制技术的日渐成熟使轧机的幅面迅速扩大。(3)向高速化方向发展：轧制速度大于 1200mmin 的高速轧机越来越多，(4)向高水平方向发展：高技术轧机中完善的工艺过程、自动化系统可保证生产达到最优化。(5)向连续轧制方向发展1,11-12。1.3 电气控制技术发展现状电气控制技术是以各类电动机为执行机构的设备或系统为被控对象，实现系统或者生产过程自动按照给定规律运行的控制技术，电气控制是实现工业自动化生产的关键技术和途径13。随着技术进步，工业技术革命从最开始的机械化到电气化到信息化，乃至最近兴起的工业 4.0 等，电气控制技术扮演了重要的角色。随着计算机技术、控制技术、信息技术等的快速发展，以及用户对产品及工艺提出新的要求，促进了电气控制技术的发展。电气控制技术的发展经历了从无到有、从简单到复杂的过程。早期的控制基本需要人的参与，称之为手动控制；发展到目前不需要人直接参与的自动控制，就控制设备而言，从最初的简单设备到现在的复杂精密控制系统； 从最初的基于继电器接触器等器件硬接线进行控制的控制系统到目前基于可编程逻辑控制器 PLC 为核心的软件控制系统，电气控制技术发生了质的飞跃。随着计算机技术、通信技术以及网络技术的不断发展，目前可编程控制器 PLC 的组网能力越来越强，带有现场总线和工业以太网功能的 PLC 与 DCS 系统比较而言，应用越来越广泛，对于电气控制系统设计来而言，电气控制系统设计可更多的借鉴最新的控制理论研究成果，从而使系统越来越“智能”14-15。电机调速及控制技术在以电动机为动力装置的系统或对象中占有重要地位，也是电机调速的一个关键技术。早期的电机调速多采用模拟技术，而模拟系统存在电子元器件易于老化，零点漂移以及受外界干扰等缺点，限制了电机调速技术的发展。随着电力电子器件的发展以及计算机技术通讯技术的进步，使得直流电机调速控制系统的数字化问题收到了世界各国的普遍重视，欧美发达国家如美国、德国、英国等国家先后开发了个字的数字化调速装置，如 ABB 公司的 DCS 系列、德国西门子公司的 6RA 系列以及英国欧陆公司的 SSD 数字直流调速装置等，这些调速装置已大量的应用在钢铁冶金企业中各类设计调速控制的机械设备当中16-17。我国在调速装置的数字化方面也取得了一定的成绩，但总体上与发达国家在技术上还有一定差距， 但目前来说，国内的相关产品也正逐步的被相关行业所接受，市场占有率正逐步增加。天津天传电气科学研究院公司在交直流调速装置的设计制造及调试方面从事了大量的研究工作，也取得了一定的成绩，由公司开发的具有自主知识产权的交直流数字调速设备在相关企业已获得成功应用18。直流调速系统通常采用调压调速和弱磁调速的形式，利用电力电子变换器件将三相交流电变换成电压可调的直流电压，通常采用反并联双向三相桥式整流电路， 进而完成电机供电调速功能。全数字直流调速装置所实现的监控、调节及控制功能均是通过大规模集成电路形式的微处理器等数字装置来实现，监控、调剂及控制等功能均已软件程序在微处理器中运行，实现相应功能。由于是程序实现，因而在系统运行过程中可进行内部信息交互处理，数据监控，便于处理故障，由于采用数字化处理控制技术，因而控制精度高，克服模拟系统所固有的问题。同时装置本身具有存储功能，因而不需额外附加装置即可实现参数设定及存储19,20。1.4 本文主要研究内容本论文通过对某铝厂 1850mm 四辊双机架冷连轧机的实际性能和要求的分析， 在充分了解系统设备配置、工艺及控制要求基础上，对其进行电气控制系统设计及开发工作，主要研究内容如下：第 1 章绪论第 1 章 利用学校图书馆丰富的电子资源和网络资源，查阅了大量相关研究资料文献，在此基础上总结了平整机研究发展状况，为下一步开展研究工作打下基础。第 2 章 对 1850mm 四辊双机架冷连轧机的结构、设备参数、控制要求等内容进行具体详细介绍。第 3 章 在充分了解 1850mm 双机架冷连轧机机械设备配置、系统参数及控制要求基础上，完成连轧电气控制系统硬件配置及控制网络设计、主要包括传动系统硬件设计、液压伺服控制系统设计、流体泵站部分硬件配置设计等。第 4 章 基于 S7 400 PLC 完成全线控制逻辑、辅助装置、流体泵站以及开卷机和卷取机张力控制编程，采用西门子 TDC 控制器完成压下伺服系统、机架间张力控制、主令速度及全线厚度控制编程及调试工作。第 5 章 完成双机架冷连轧机电气控制系统的上位机人机交互界面设计，主要包括基础自动化设备控制设备监控见面编程及数据监控、故障诊断报警等。论文最后对所做的工作进行了总结。燕ft大学工程硕士学位论文第 2 章双机架铝连轧机设备及工艺概况1850mm 双机架铝连轧机的电气传动及全线自动化系统由我公司承担的企业横向科研开发课题，类似生产线有两条，本设计以其中的一条生产线为代表，讲述双机架铝连轧机电气控制系统设计过程，包括硬件选型设计，传动控制、液压厚度自动控制系统，主令速度控制系统，机架间张力控制系统等。2.1 冷连轧机组设备概况2.1.1 双机架冷轧机组组成机组组成如图 2-1 所示设备见图如图 2-2 所示图2-1 1850mm双机架冷连轧机组组成图2-2 1850mm双机架冷连轧机组设备简图第 2 章 双机架铝连轧机设备及工艺概况2.1.2 机组主要技术参数(1) 轧机主传动电机容量如下：1#机架： S1 冷轧机主电动机: Z7108002 台DC750V1600kW2270A350/960r/minS1 冷轧机联合齿轮箱速比i= 3.028571429S1 冷轧机最高轧制速度V1max = 497.913m/min S1 冷轧机额定轧制速度VH = 181.531m/minS1 冷轧机最高轧制速度轧辊输出力矩Mmin= 92.538kNm S1 冷轧机额定轧制速度轧辊输出力矩Mmax = 253.822kNm2#机架： S2 冷轧机主电动机：Z7108002 台DC750 V1600kW2270A350/960r/minS2 冷轧机联合齿轮箱速比i= 1.692307692S2 冷轧机最高轧制速度V1max = 891.07m/min S2 冷轧机额定轧制速度VH = 324.869m/minS2 冷轧机最高轧制速度轧辊输出力Mmin= 51.697kNm S2 冷轧机额定轧制速度轧辊输出力Mmax = 141.798kNm开卷机： 开卷电动机：Z4450422 台DC400V1254 A453kW360/1200r/min开卷变速箱高速档速比i11 = 4.232926829开卷变速箱低速档速比i12= 7.681050657高速档最大开卷速度V1-1max = 543.276 m / min低速档最大开卷速度V1-2max = 299.392m / min卷取机： 卷取电动机：Z4450423 台DC400V1254A453kW360/1200r/min卷取变速箱高速档速比i2-1 = 2.173913043卷取变速箱低速档速比i2-2 = 3.787878788高速档最大卷取速度V2-1max = 1057.837m / min低速档最大卷取速度V2-1max = 607.106m / min(2) 轧辊尺寸：工作辊新辊时辊间开度 30mm工 作 辊 新 辊 直 径 500 mm 工作辊最小使用辊直径 470mm 一对工作辊许用力矩 300kNm- 9-支 承 辊 新 辊 直 径 1200mm 支承辊最小使用辊径流 1130mm 支 承 辊 辊 身 长 度 1850mm许用最大轧制力30000kN(3) 推上油缸：尺寸：850*750mm行程 ：120mm 最大工作油压：26.5Mpa 推 上 速速 ：2.0m/s 最大正负弯辊力 1500kN牌坊立柱断面750*750mm轧制力：F1 Max 30000kN F2 Max 30000kN(4) 张力：1#轧机入口张力：MaxkN机架间张力：1#、2#轧机间：Max kN卷取张力：MaxkN(5) 工艺冷却润滑技术参数每台轧机供油净油泵2 台(1 台工作,1 台备用) 132 kW1450r / min两连轧机过滤油污油泵3 台(2 台工作,1 台备用) 90 kW1450r / min每台轧机循环加热供液泵1 台11 kW1450r / min每台轧机电加热器功率AC368.0 = 114.0 kW(6) 设备润滑技术参数S1 联合齿箱和开卷机变速箱配备稀油润滑站为：XYHZ1600 型油泵电动机2AC30kW电加热功率48 kWS1 联合齿箱和开卷机变速箱配备稀油润滑站为：XYHZ1600 型油泵电动机2AC30kW电加热功率48kW- 9 -第 2 章 双机架铝连轧机设备及工艺概况轧机轴承润滑:采用油雾润滑(7) 液压设备技术参数S1 机架压上系统压上泵电动机90kW2 台弯辊系统泵电动机75 kW2 台S2 机架压上系统压上泵电动机90kW2 台弯辊系统泵电动机75 kW2 台S1、S2 两机架共用一套辅助系统，辅助系统电动机 55 kW3 台(8) 来料规格及性能材质：铝及铝合金来料厚度：6.00mm 最大宽度：860-1560mm 卷 内 径：F610mm卷 外 径：F1200-F2300mm 卷重：Max 15000KG成品带材厚度：最小 0.20mm2.2 工艺自动化控制中现场检测仪表的基本配置(1) 测厚仪依据系统控制功能要求，确定设置三台测厚仪，分别安装在 F1 机架的入口、出口、F2 机架的出口。测厚仪的主要技术指标：测量精度：0.1%分辨率：1 mm偏差模拟输出： 10V 对应100 mm以太通讯设定： TCP/IP 协议(2) 张力计共设置 1 台张力计，用于 F1-F2 机架间张力检测。张力计的主要技术指标：测量精度：0.1%重现性：0.02%线性度： 0.3%测量信号：420mA(总张力、张力偏差)最大过载能力：正常负荷的 300%带包角补偿功能(3) 压力传感器用于轧制压力与弯辊力的测量，安装在每个机架两侧液压缸和弯辊系统的阀台上。对压力传感器的主要技术指标：测量精度：0.2%重现性：0.15%线性度：0.2%响应时间：1ms测量信号：420mA(4) 液压缸位移检测仪共设置 4 台，每个机架 2 台，用于测量液压缸的位移。位移检测仪技术参数：MTS 内置安装在油缸内测量精度：0.001mm 响应速度：50mm/s测量信号：25 位格雷码 SSI 输出(5) 测速编码器在 F1 入口、出口及机架间张力辊上安装编码器，测量带材长度，技术指标为：信号输出：差分信号推挽或线驱动输出； 脉 冲 数：2048 脉冲。2.3 双机架冷连轧机组电气控制系统主要功能连轧机组电气控制功能主要包括：(1) 电机传动部分控制功能 连轧机组运行控制：连锁逻辑；穿带逻辑及速度控制，自动减速与准确停车，开卷机和卷取机恒张力控制，机组加减速控制；卷径测量与计算，带长及卷取圈数计算与显示，断带保护，钳口定位等21。(2) 液压伺服系统控制功能：压下伺服缸的基础闭环控制，包括位置控制闭环和压力控制闭环，两侧液压缸同步控制，液压压下连锁，正/负弯辊力控制，故障报警等功能。(3) 工艺自动化控制功能：连轧机组机架间张力控制，速度主令，压下负荷分配， 双机架连轧机厚度闭环控制等。(4) 上位机人机交互界面：传动部分速度、张力、电流、连锁逻辑等，全线自动控制逻辑控制部分连锁条件；流体部分启停控制及状态显示；压下伺服缸部分的液压缸位置、轧制力、厚度设定及实测值，轧制过程参数设置，历史数据记录，实时数据显示，故障报警记录查询与提示。2.4 本章小结本章详细介绍了 1850mm 双机架铝连轧机组设备布置情况、给出了机组设计的工艺参数及相关控制工艺需求，从而为下一步电气控制系统设计与调试提供根本保证。- 20 -第 3 章冷连轧机组电气控制系统设计第 3 章冷连轧机组电气控制系统设计1850mm 双机架铝连轧机组电气控制系统设计以具有先进的综合技术水平和扩展性为目标，对延伸率控制系统应选用在满足工艺控制要求方面行之有效，并具有较高的技术经济指标的控制系统及相关设备，确保系统具有较高的可靠性、开放性、可扩展性和可维护性。3.1 连轧机组电控系统总体结构双机架连轧机组电气控制系统主要完成辅助设备控制、流体设备控制、电气传动系统调速、AGC(自动厚度控制)、ATC(自动张力控制)、APC(自动位置控制)、弯辊、主令速度设定等自动化控制系统的设计及实施22,23。基础自动化系统，选用一套西门子公司 S7-400PLC，传动级采用西门子公司6RA70 全数字调速器，配置 CBP 通讯板，基础自动化系统和传动系统及远程 I/O 站之间通过 PROFIBUS-DP 网进行数据通讯，系统设置两台上位级工作站分别为：操作员工作站(OS1)和工程师操作站，基础自动化级和上位级通过以太网进行数据通讯，既可以提高整个系统的控制水平又可以减少电缆敷设量，便于现场维护24,25。厚控系统部分选用西门子最先进的控制器 TDC 来完成；TDC 与传动 PLC 之间通过工业以太网进行数据通讯，TDC 与传动变流器 6RA70 之间通过 DP 总线进行数据通讯，PLC 完成工艺自动化控制系统与传动控制，系统网络结构如图 3-1 所示。辅助设备控制PLC上位机HMI报表打印机TD C控制器H MI以太网交换机DP网远程I/ODP网开卷电机 卷取电机完成HAPC、弯辊、AGC、ATC、速度主令等控制功能辅助设备1机架主机 1机架从机 2机架主机 2机架从机图 3-1冷连轧机组工艺自动化控制系统结构3.2 电控系统控制元器件选型由于冷连轧机属于高速、高精度、复杂控制系统，对自动化程度要求较高，因而需要高性能控制器完成全线顺序逻辑控制动作及电气传动和液压伺服系统控制， 需要寻找一种模块化的控制器，其性能允许大型系统的闭环控制和计算，开环控制和监视、信号传送、记录以及通讯。此外考虑到双机架连轧机组除了要完成每个机架的液压压下控制还要完成全线电机速度主令控制、厚度自动控制(AGC)和张力自动控制(ATC)，控制系统复杂，若仅仅是将单机架轧机的配置复制成两套，控制结果肯定会是失败的，必须从整体考虑。由于德国西门子(SIEMENS)公司生产的可编程序控制器在我国的应用相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。并且西门子 S7 系列 PLC 体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性高。S7 系列 PLC 产品可分为微型 PLC(如 S7-200)，小规模性能要求的 PLC(如S7-300)和中、高性能要求的 PLC(如 S7-400)等。因此，本项目考虑采用西门子 S7-400 PLC 用于全线逻辑和辅助设备控制，控制过程中涉及大量的浮点数运算、伺服控制闭环等功能不采用适用于单机架的 PLC+FM458 控制模块的形式，选用西门子的高级控制器 TDC 来完成26。SIMATIC TDC 擅长解决处理复杂的驱动、控制和通讯任务，在单一平台上拥有最大数量的框架和最短的循环周期，是对 SIMATIC S7 理想的扩充。SIMATIC TDC 是一种集成在 SIMATIC 中的工艺和驱动自动化系统，其组态和编程也可使用SIMATIC 工具进行，因此也是全集成自动化理念中的一部分。SIMATIC TDC 由一个或多个模板机架组成，其中可以插入所需模板。多处理器运行方式可以实现性能的几乎无限制扩展。使用 SIMATIC TDC，可以工厂操作员的指令变得高效、简捷而经济。SIMATIC TDC 还是一种可靠而面向未来的系统，不但可以提高生产质量，而且还可以提高生产效率。SIMATIC TDC 采用模块化的系统结构，硬件可扩展，采样时间间隔短，可达100s，特别适用动态控制任务；中央处理器采用 64 位结构，具有最大性能；同步多处理器运行，每个机架最多可有 20 个CPU，可最多同步耦合 44 个机架。使用 STEP7组态工具进行图形化组态：连续功能图(CFC)和顺序功能图(SFC)27。整个生产线自动化系统配置一套西门子 S7-400 PLC，实现基础自动化控制，包括全线启停逻辑、辅助设备控制、流体设备控制、开卷及卷取张力控制等等，单电第 3 章冷连轧机组电气控制系统设计机传动控制调试在传动装置中调试完成，工艺自动化部分由西门子高端控制器 TDC 来完成，包括液压 APC、AFC、AGC、ATC 以及主令速度等，控制软件采用西门子STEP 7 和模块化编程的 CFC 实现。HMI 采用 Intouch 组态软件开发。3.3 传动系统电气设计3.3.1 供电系统设计全线传动控制系统共设计三台整流变压器：(1) T1 整流变压器为 S1 机架 2 台直流电机控制柜供电，容量：4800KVA；结构形式：油浸、裂解式双付边的整流变压器；联结组别：D/D-12/Y-11。(2) T2 整流变压器为 S2 机架 2 台直流电机控制柜供电，容量：4800KVA；结构形式：油浸、裂解式双付边的整流变压器；联结组别：D/D-12/Y-11。(3) T3 整流变压器为开卷、卷取机 5 台直流电机控制柜供电，回路分别设置进线电抗器；容量：2100KVA；结构形式：油浸、单付边的整流变压器；联结组别：D/D-12。(4) T4 动力变压器交流辅助系统供电，容量：2500KVA；结构形式：油浸动力变压器；其他：符合相关国家标准。3.3.2 传动系统调速装置设计直流传动控制系统全部采用德国西门子公司 6RA70 全数字控制装置，可实现四象限控制，基速以上弱磁调速，使用增量式脉冲码盘作为速度检测元件，以提高速度的控制精度。全数字控制系统中，采用带有调节角预控的电流调节回路，提高了系统的动态性能。逻辑无环流切换死时最短为 2-3ms。由于采用数字触发脉冲的形成与控制，脉冲对称度好。全数字控制还包括 EMF 计算及磁场特性测试等，并可实现电流环和速度环的自动优化。系统具有 80 余种故障自诊断功能。系统参数不受温度、时间变化的影响。因而具有调试方便，参数宜于量化和保存等诸多优点。通过PROFIBUS-DP 网与上一级自动化系统通讯，在网上实现速度设定以及速度、电压、电流实际值的采集28,29。(1) 开卷、卷取机的参数为：P=453kW，Ua=DC440V，Ia=1254A，调速装置选择如下：1) 开卷及卷取机控制系统，控制部分采用 SIMENSE 公司 6RA70 系列全数字调速装置，功率部分采用电传所自行研制的 ZX 系列晶闸管整流装置。2) 晶闸管整流装置型号：ZX2A-1550/440-11-S/ ZX3A-1550/440-01-S，装置参数：单柜额定输出(直流)电压 440V，单柜额定输出(直流)电流 1550A，装置过载能力：单柜过载 1.5 倍，1650A，过载时间 60S。该型号的整流装置，晶闸管采用西安电力电子研究所 2500V/1650A，2 英寸元件，用 2 只晶闸管元件和 1 套铝型材风冷散热器构成直接反并联功率组件，采用强迫风冷。其中，开卷机 2 台电机，控制系统 1 台可逆 1 台不可逆；卷取机 3 台电机，控制系统 1 台可逆 2 台不可逆。(2) S1、S2 机架参数为：P=1600kWUa=DC750VIa=2270A，具体选型为：1) S1、S2 主机控制系统，控制部分采用 SIMENSE 公司 6RA70 系列全数字调速装置，功率部分采用电传所自行研制的 RG 系列晶闸管整流装置：2) 晶闸管整流装置型号：RG2A-3600/750-11-S/ RG2A-3600/750-01-S，装置参数：单柜额定输出(直流)电压 750V，单柜额定输出(直流)电流 3600A，装置过载能力：单柜过载 1.5 倍，4200A，过载时间 60S。该型号的整流装置，晶闸管采用西安电力电子研究所 2500V/2500A，3.5 英寸元件，用 2 只晶闸管元件和 1 套热管风冷散热器构成直接反并联功率组件，采用强迫风冷。晶闸管变流装置均带有导通监视单元，安装在每台变流柜柜门上，监测每个桥臂由于快熔熔断、缺脉冲、误触发等引起的缺臂故障。一旦发现桥臂故障，可以及时发出报警信号，进行系统联锁。并具有记忆功能，可准确报告故障的桥臂，便于系统维护。该型号的大功率热管整流柜在大功率直流电机和大功率同步电机控制系统的许多工业现场应用，实践表明可以比同规格铝散热器整流柜提高出力 50%以上。电气传动系统整体结构如图 3-1 所示，其中开卷机和卷取机的控制由 S7-400 PLC 进行速度及张力控制，S1 和 S2 主机由 TDC 完成速度设定及张力控制功能。电机本身的调速装置设计，以 S1 主机为例，如图 3-2、图 3-3 和图 3-4 所示，表示主机可逆调速系统整体框图、触发供电风机以及功率单元相关原理及接线原理图。第 3 章冷连轧机组电气控制系统设计图 3-2可逆整流柜系统框图图 3-3 触发脉冲电源及风机回路第 3 章冷连轧机组电气控制系统设计图 3-4 功率单元回路燕ft大学工程硕士学位论文3.3.3 传动系统控制功能(1) 开卷、卷取控制 开卷机，卷取机的主要工艺控制功能由西门子公司带标准卷绕软件的 T400 工艺板完成，主要功能：张力设定，带厚、带宽补偿，加减速惯量补偿，固定机械惯量补偿，变速摩擦惯量补偿，断带自动保护，卷径计算，基准速度设定。(2) 主从控制功能开卷机、主机架电机分别为两台电机同轴串联钢性连接，控制系统均采用主从控制系统，两台直流电机的电枢分别由两套晶闸管整流装置单独供电，电枢电流是独立控制的，两台电机由一个速度调节器控制，即两台电机有着相同的电枢电流给定值，之所以采用这样的电机传动方式，目的是为了尽可能减少电动机的转动惯量，以获得最好的快速响应特性。双电机传动系统，两台电机是通过机械刚性同轴联结，保持速度同步。区别于单电机传动系统，两台电机的控制系统不是独立的而是彼此相互关联的。若两台电机传动都作为独立的速度控制，轧钢时，两台电机的出力难于调整，况且其中一台电机无法安装作为速度反馈的脉冲编码器。既要保证整个系统的速度同步，又要保证两台电机的力矩均衡，我们把控制系统设计成一个速度环，两个电流环的主从控制结构。控制单元，采用西门子公司SIMOREG K 6RA70 数字装置，功率部分自行研制的大功率整流装置，四象限控制， 主从控制结构图如图 3-5 所示。卷取机三台电机主从控制形式实现与两台电机控制形式相同，为一主两从的方式,。图 3-5主从控制传动系统框图(3) 励磁控制励磁电流的调节控制均在 6RA70 装置中完成，每个系统配置一台励磁功率单元，额定容量 50A。第 3 章冷连轧机组电气控制系统设计(4) 通讯 在传动控制系统中，全数字装置均带有 CBP 通讯板，和自动化系统通过 Profibus-DP 网进行通讯。(5) 过电压保护 接于主整流变压器次级绕组输出端，采用高能氧化锌压敏电阻,用于抑制变流装置进线侧浪涌过电压及主回路储能器件(如电机电枢电感)能量释放瞬间产生的尖峰过电压，当尖峰过电压幅值过高时有可能造成晶闸管元件的损伤或击穿，每套整流装置的电源进线侧都设置一套产品型号为 KPB 系列，标称电压：U10MA =1.15ULN /0.75 =2.2 ULN式中，U10MA为压敏电阻元件通过 10MA 恒流电流时的端电压值(即该产品的额定电压)ULN为晶闸管元件电源进线线电压有效值，ULN=660V/440V标称电压：U10MA = 1400V/960V选择残压比h ：它反映 KPB 元件在予击穿区，伏安特性曲线的陡度，此值越小保护特性越好。选择残压比h =1.5 以下。(6) 辅助交流系统控制1) 变频控制电机轧线交流电机功率大于 55kW，控制系统采用变频控制，变频器选用 SIMENSE公司 MM430 系列风机泵类专用变频器。2) 其他辅助交流电机对于其他辅助交流电机 55kW 以下电机采用 MCC 控制方式，55kW 选用软启动器，低压器件选用合资或国产优质品牌。3.4 辅助装置电气系统设计为完成 1850mm 双机架冷连轧机组生产操作过程，机组本身还需完成大量的顺序逻辑动作，例如上卷、轧机启停、卸料、流体站控制等任务。具体的动作逻辑关系可根据电气任务书要求，在设计好硬件连接原理图的基础上，通过 PLC 编程实现。对于现场大量的数字量 IO 的采集与输出控制等可按照功能集中的原则，利用西门子PLC 的现场总线 PROFIBUS DP 完成相关功能的实现。在进行硬件原理图设计时， 需考虑系统的后期维护及可扩展行，预留 10%左右的富余量，便于将来功能扩展和硬件点损坏的备用，在此基础上完成相关硬件选型及数量的确定。3.4.1 流体泵站电机控制硬件设计为便于维护和管理，高高压站、低压站等流体站的液压泵电机控制采用马达控制中心 (MOTOR CONTROL CENTER，简称 MCC)驱动，这样做的好处是可以进行统一的封闭母线供电，将某一区域的电机集中控制，便于管理和维护，同时 MCC 具有过载保护功能30。本系统高压站主液压泵电机控制回路如图 3-6 所示，其他液压泵电机的 MCC 控制回路类似，均基于此设计，在此就不一一赘述。图 3-6高压主泵接线原理图- 29 -第 3 章冷连轧机组电气控制系统设计3.4.2 液压伺服系统硬件设计双机架连轧机液压缸伺服系统由西门子高性能控制器 TDC 完成控制功能，其输入输出接口通过信号板卡SM500 完成31。信号采集模块完成模拟量输入和输出信号、增量式编码器、绝对值编码器的信号采集。TDC 的硬件配置图如图 3-7 所示，信号采集模块 SM500 接线图如图 3-8 所示，信号接口模块接线图如图 3-9 所示。图 3-7TDC 硬件配置图图 3-8SM500 信号接口模板图 3-9SM500 信号接口模块接口接线图第 3 章冷连轧机组电气控制系统设计3.5 本章小结本章根据双机架冷轧机组的设备组成及控制要求，给出了电控系统的控制网络结构，确定选用西门子 S7-400 PLC+TDC 的形式作为电气控制系统的核心控制装置， 在此基础上根据实际情况确定相关输入输出模块数量，完成相关电气控制系统的详细硬件设计，为下一步软件设计奠定硬件基础。燕ft大学工程硕士学位论文第 4 章电气控制系统软件设计4.1 引言PLC 和 TDC 做为下位机通过以太网与上位机 HMI 进行数据交互，配合相关的操作台箱，与上位机 HMI 完成平整机组控制任务，上位机 HMI 完成控制指令输入， 过程数据显示、故障报警、实时监控等功能，这部分内容在第 5 章介绍，PLC 下位机主要实现对双机架冷轧机组传动系统、泵站、以及整个机组的顺序逻辑控制等， TDC 控制器主要完成主令速度、压下伺服系统控制、自动张力控制、自动厚度控制等功能。下位机程序的优劣是系统控制性能及机组运行稳定性的关键保证，因此下位机程序设计的好坏是系统能否平稳运行的关键。4.2 电气控制系统整体设计按照图 3-1 所示冷轧机组控制系统结构，基于西门子 STEP 7 平台软件，完成全线自动化控制功能，完成全线逻辑及辅助装置控制功能的 S7-400 PLC 硬件组态图如图 4-1 所示图 4-1S7-400 PLC 组态配置图第 4 章 电气控制系统软件设计TDC 控制器硬件组态图如图 4-2 所示图 4-2 TDC 硬件组态配置图硬件组态配置并编译成功后，组态信息下载到相应的控制器中，完成整个电气控制系统的硬件配置。在此基础上，可进行全线电控系统软件程序设计与编程。在S7-400 PLC 编程调试过程中，采用模块化编程思想，按照系统要求的功能和所在区域，编写成程序功能块，这类似于高级编程语言中的子函数。这样做的好处是，功能分区明确，便于集中调试，出现故障时易于排查。本系统程序模块主要包括，上卷区(包含上卷及入口操作控制)、全线联动、轧机区、出口区、开卷电机控制、卷取电机控制、基础操作逻辑、轧制线调整、高压站、低压站及轧制油控制等等，如图4-3 所示。为保证控制程序的准确性，在 S7-400 PLC 中编写的程序可采用 STEP7 中的仿真组件 PLCSIM 进行软件模拟调试，从而确保实际运行程序能够运行无误，从而可以进行提前编程准备，从而客服需要等待具体硬件设备具备条件才能编程测试问题，缩短系统调试时间32。而对于压下伺服控制、弯辊控制、机架间的张力控制，主令速度以及双机架自动厚度控制则由 TDC 控制器完成，采用 CFC (Continuous Function Chart)语言完成相应功能的实现，如图 4-4 所示。图 4-3S7-400 PLC 控制程序图 4-4TDC 中的程序4.3 张力系统控制设计在连轧机组控制过程中，传动系统控制是重要的一环，主要包括开卷电机、卷第 4 章 电气控制系统软件设计取电机、1 机架传动电机和 2 机架传动电机等，其中单电机调试均在调速装置中完成， 具体过程就不一一赘述。在轧制过程中，带材张力的稳定性，尤其是动态过程的稳定性将极大影响 AGC 控制系统精度及带材成品质量，因此对张力稳定控制，是电气控制系统的核心之一， 下面将对张力的设定及补偿控制做一一论述。本机组张力控制包括两部分，一部分是开卷和卷取的张力控制，另一部分是机架间的张力控制33-35。4.3.1 开卷机和卷取机张力控制通常张力控制分两种类型，一种是直接张力控制，根据张力计采集的张力值， 进行张力闭环；另一种是间接张力控制，不需要张力测量装置，控制系统