铬钢酸洗线的三电控制系统

 张文斌

 （山西太钢工程技术有限公司电气科，山西  太原  030009）

摘要：主要介绍了铬钢酸洗线的三电控制系统，即二级过程计算机系统、一级基础自动化控制系统、零级现场自动化系统的构成及实现的主要功能。 

关键词：铬钢酸洗线；三电控制系统；功能中图分类号：TP273：TG335. 11

0引言

 近年来，随着市场对400系不锈钢的需求越来越大，太钢集团公司逐年加大了400系不锈钢的生产比重。由于绝大多数400系不锈钢需要通过罩式炉进行退火，而常规的退火酸洗线配有退火炉，这将造成不必要的浪费，加大生产成本，因此，热轧铬钢连续酸洗线应运而生。它针对已经经过罩式炉退火的铬钢带卷不再配置退火炉，因而避免了其他原料线处理铬钢卷时对炉温的调节，并且没有燃气介质的消耗。由于新建热轧铬钢连续酸洗线的专业化生产，大大减少了生产组织和生产准备的工作和时间，各原料线也不会因为频繁更换钢种而增加排酸次数，造成工艺的不稳定和成本的提高。

1铬钢酸洗工艺简介

 新建热轧铬钢连续酸洗线以铬钢专用酸洗而得名，其工艺流程如下：钢卷小车→开卷机→矫直机→剪机→焊机→人口活套→破鳞机→抛丸机→重刷→硫酸酸洗→次重刷→混酸酸洗→清洗烘干→出口活套→检查台→剪机→卷取机→钢卷小车。铬钢酸洗工艺流程简图如图1所示。

2铬钢酸洗线三电控制系统构成

 新建热轧铬钢连续酸洗线设备总装机容量为8 693 kW．处理带钢厚度为2.0 mm～6.0 mm，设计产量为38万吨／年。为了完成该机组的控制要求，必须开发出自动化程度高、控制系统复杂、控制功能完善的三电一体化系统。本项目的三电一体化系统包括：二级过程自动化系统、一级基础自动化系统、零级现场自动化系统及网络系统。三电控制系统配置简图如图2所示。

2.1  二级过程自动化系统

 三电控制系统中的二级过程自动化系统由2台惠普PROLIANT服务器、1台工程师站、4台操作员站构成。两台服务器一用一备，一台作为在线运行服务器，一台作为后备服务器。如果在线服务器出现故障，另一台后备服务器立刻接管，自动投入运行，以便连续运行，防止生产故障中断运行。每台服务器装有两块硬盘，组成RAID-1磁盘阵列形式，当一个硬盘失效时，系统可以自动切换到镜像硬盘上读／写，并且不需要重组失效的数据，实现数据的冗余，保护数据的安全。二级过程自动化系统主要实现以下功能：通过以太网与一级基础自动化相连接和通讯；通过以太网与厂级生产控制系统进行连接和通讯；根据生产要求进行设定计算，然后将设定值传送给一级基础自动化系统；执行机组的物料跟踪；提供人机对话和数据通讯功能；收集实际生产数据并进行处理和生成各种生产报表；将生产结果上传给厂级生产控制系统。

2.2  一级基础自动化系统

 三电控制系统中的一级基础自动化系统采用了7套西门子S7-400PLC，CPU选用S7-416。其实现的主要功能是：与传动、工艺功能和仪表相关的过程控制；带钢运行的设定和实际值处理；从入口到出口钢卷传输的自动顺序控制；物料跟踪；工艺参数控制，如张力等；过程监视；接收过程计算机（二级计算机）指令；操作工通过HMI输入带钢数据，过程信息、机组状态和各种测量值以符号形式、数量值、棒图和图表形式在HMI画面上显示。

 各个PLC系统的具体功能如下：

 (1)入口1#PLC:入口段的主令控制，包括钢卷的卷径计算、张力设备的张力和速度控制、人口活套的定位和监控、钢带的断带检测和监控、根据工艺段自动调节入口段的速度等。

 (2)入口2#PLC:入口段顺序控制和工艺段顺序控制，包括入口段设备的逻辑控制、顺序控制、联锁控制，工艺段设备的逻辑控制、顺序控制、联锁控制等。

 (3)入口3#PLC:全线的物料跟踪，包括全线的自动焊缝跟踪、焊缝检测、焊缝设定值传送、钢带的带头和带尾定位等。

 (4)出口1# PLC:工艺段主令控制，包括工艺段设备的张力和速度控制、工艺段在线带钢的点动和穿带控制、工艺段的自动速度控制等。

 (5)出口2# PLC：出口段主令控制，包括出口段设备的张力和速度控制、出口段在线带钢的点动和穿带控制、出口段的自动速度控制，钢卷卷径计算、出口活套的定位和监控、钢带的断带检测和监控等。

 (6)出口3#PLC:出口段顺序控制和公辅系统控制，包括出口段设备的逻辑控制、顺序控制、联锁控制，入口和出口液压站控制等。

 (7)酸洗PLC：酸洗系统控制，包括酸洗循环系统控制、酸洗段的上酸和退酸控制、酸洗段的监控等。

2.3  零级现场自动化系统

 全线的传动电机分为3套传动控制柜进线控制，其分别为主传动控制柜、辅助传动控制柜和抛丸机传动控制柜。传动控制设备均采用西门子公司SINAMICS系统的S120传动装置，主传动和辅助传动设备均采用带公用直流母线的IGBT整流、逆变单元的供电方式，以提高功率因素，实现能量回馈电网的功能，采用增量型旋转编码器作为速度反馈的矢量控制，可实现定位控制和带钢跟踪，同时提高控制精度。为保证系统的可靠运行，机组现场传感器和特殊仪表均采用国际知名品牌，其中全线对中装置包括CPC和EPC均采用EMG的产品，焊缝检查设备采用PAULY的产品，张力计采用ABB产品，接近开关和光电开关采用图尔克的产品，旋转编码器采用施克的产品。

2.4  网络系统

 本系统的网络通讯系统主要是由工业以太网和PRIFIBUS网络组成，二级过程计算机系统服务器与三级系统的通讯，二级过程计算机服务器、工程师站、操作员站与一级基础自动化系统的PLC、HMI、工程师站、其他外部设备之间均采用工业以太网通讯，工业以太网采用星形网络拓扑结构，通过这种结构可以传送更多的显示数据、测量值、过程计算机数据，PLC与HMI之间传送数据的实时性更高，可靠性更强。在PLC与远程I/O站、SINAMICS S120装置、传感器与执行机构、特殊仪表等设备之间采用PROFIBUS网络，由于PROFIBUS网络具有极强的开放性，保证了与其他设备之间良好的互联互通。

3  三电控制系统主要功能

 铬钢酸洗线的三电系统设计内容非常多且非常杂，其内容包括设备设计、传动设计、系统设计、硬件配置和软件设计等。在三电系统软件设计中，主要控制功能有：全线张力控制、全线速度控制、焊缝检测和纠偏系统等。

 全线张力控制分为直接张力闭环控制和间接张力闭环控制。直接张力控制是利用安装的张力测量仪进行张力测量，将张力设定值与测量反馈值均送到张力控制器进行比例积分调节控制，张力辊采用主从控制，张力比例积分调节器作为速度环的外环，从辊具有负载平衡调节器，直接张力控制S张力辊采用这种直接张力控制方式。间接张力控制是传动装置未装有张力测量仪，张力设定值与通过数学计算的反馈值送到张力控制器的比例积分调节器进行比例积分调节控制，间接张力控制的张力辊采用速度饱和加力矩限幅方式，张力辊在控制上区分前张力和后张力，开卷机和卷曲机采用基于最大力矩原则的间接张力控制，间接张力控制S张力辊和活套电机采用这种间接张力控制方式。

 全线速度控制传动设备均装有相应的脉冲发生器，通过各传动装置速度控制器在速度设定值与测量反馈值比较差值情况下进行高精度的比例积分调节器控制，各传动装置的速度设定值及机组速度的协调由主令斜坡函数发生器模块控制。任何张力的增多或减小均会引起速度的增加或减小，机组各段控制的加减速通过提供附加加减速转矩来实现。在入口段、工艺

段、出口段均设有一台S张力辊作为本段的速度基准，S张力辊每个辊由一台电动机拖动，其中一台电动机用于主辊，其余作为从辊，主从间采用负载平衡方式，主辊电动机为速度闭环，从辊电动机在速度环外加转矩比例积分调节，主从辊电动机转矩应与各自额定转矩百分比相同。

 焊缝控制是铬钢生产线实现自动控制的重要环节，其原理是在钢带焊接后，在焊缝附近打孔，通过焊缝检测器进行焊缝的实时跟踪定位。生产线中的特殊设备破鳞机、剪切夹送辊等需要检测焊缝的实际位置，防止这些特殊设备通过焊缝时发生危险，如损伤到破鳞机的辊系、焊缝超过剪机的剪切位置。自动化系统根据焊缝检测信号和带钢线速度判断焊缝位置，临近破鳞机时，破鳞机辊系打开，使焊缝通过设备后破鳞机辊系再闭合工作；当到达剪切夹送辊时，带钢自动降速，剪切夹送辊夹紧带钢，切头剪将焊接处剪切掉，卷取机才能够开始新一个钢卷的卷取。

4结束语

 热轧铬钢连续酸洗线项目通过设计、施工、调试、运行，整个项目历经两年多的时间，在各方的配合支持下，三电系统的所有内容全部上线运行，设备硬件、系统功能和控制水平均取得了令人满意的效果。系统的张力控制精度、速度控制精度、带钢跟踪精度、传动系统的利用率、硬件设备的负载率均取得了一定的成功。