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1 概述
濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司年產(chǎn)20萬噸鋼帶連續(xù)熱鍍鋅機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱為濟(jì)鋼鍍鋅機(jī)組）的自動(dòng)化系統(tǒng)是國內(nèi)自行設(shè)計(jì)，由新冶高科技集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱為新冶集團(tuán)）負(fù)責(zé)總包成套的工程項(xiàng)目，該自動(dòng)化系統(tǒng)采用SIEMENS公司最新產(chǎn)品，具有國內(nèi)一流的裝備和控制水平。系統(tǒng)包括電氣傳動(dòng)及在線檢測(cè)儀表（L0）、基礎(chǔ)自動(dòng)化（L1）和獨(dú)立的爐區(qū)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)。其電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用交流全數(shù)字調(diào)速裝置，基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)采用PLC控制器，主令控制部分由新冶集團(tuán)負(fù)責(zé)，傳動(dòng)控制部分由SIEMENS公司負(fù)責(zé)，爐區(qū)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)采用全數(shù)字脈沖控制器。基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中的操作部分根據(jù)工藝區(qū)段劃分為：入口段、工藝段和出口段。
2 自動(dòng)化系統(tǒng)總體配置及特點(diǎn)
濟(jì)鋼鍍鋅機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與常規(guī)按區(qū)段功能劃分原則進(jìn)行設(shè)備配置的系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)直接以機(jī)組總體功能要求進(jìn)行設(shè)備配置，充分利用了當(dāng)今新技術(shù)產(chǎn)品的高性能和靈活的擴(kuò)展性，結(jié)合以往同類機(jī)組成功運(yùn)行的工程經(jīng)驗(yàn)，在SIEMENS公司的支持下構(gòu)建了嶄新的簡(jiǎn)約高效的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在不降低系統(tǒng)功能的前提下，有效地控制了系統(tǒng)的總體造價(jià)，特別適用于國產(chǎn)化高技術(shù)水平機(jī)組的推廣，其總體配置如圖1所示。
2.1 基礎(chǔ)自動(dòng)化
基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)分入口段、工藝段和卷取段三個(gè)控制區(qū)，分為主令控制器、傳動(dòng)控制器和爐區(qū)自動(dòng)化儀表三個(gè)控制單元，實(shí)行區(qū)段控制按功能統(tǒng)一在同一控制器實(shí)現(xiàn)的原則，即三個(gè)區(qū)段的主令操作及機(jī)組邏輯順控統(tǒng)一在主令控制器上完成，傳動(dòng)部分張力、速度的建立、協(xié)調(diào)在傳動(dòng)控制器上完成，爐區(qū)自動(dòng)化儀表作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制單元滿足工藝對(duì)連續(xù)還原爐控制功能的需要，從而實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)的功能分解和控制功能的標(biāo)準(zhǔn)化處理，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，滿足了濟(jì)鋼鍍鋅機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性要求。
濟(jì)鋼鍍鋅機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)的操作采用主令控制器與人機(jī)接口相結(jié)合的方式，由分區(qū)設(shè)置的操作站（HMI）、操作臺(tái)箱和機(jī)旁站將全線的主令及功能性信號(hào)通過大量設(shè)置（11個(gè)）的遠(yuǎn)程輸入輸出信號(hào)站（ET200）通過網(wǎng)絡(luò)（PROFIBUS-DP）傳送至主令控制器，由主令控制器完成相應(yīng)的順序邏輯判斷后輸出對(duì)應(yīng)的邏輯指令。為滿足現(xiàn)代化控制系統(tǒng)對(duì)高水平人機(jī)接口的要求，使生產(chǎn)過程和控制系統(tǒng)具有有良好的可視性和透明性，便于操作和維護(hù)，系統(tǒng)在各操作室配置了多臺(tái)操作員站，直接用于生產(chǎn)過程的集中監(jiān)控，另一方面，在標(biāo)準(zhǔn)操作員站功能的基礎(chǔ)上開發(fā)了數(shù)據(jù)庫背景的小型報(bào)表處理系統(tǒng)和物料跟蹤系統(tǒng)，具備了二級(jí)控制系統(tǒng)的部分功能，也為系統(tǒng)向二級(jí)擴(kuò)展提供了良好的基礎(chǔ)和接口功能。
濟(jì)鋼鍍鋅機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)的傳動(dòng)采用獨(dú)立的傳動(dòng)控制器，該部分軟硬件均由SIEMENS公司提供。該控制器用于機(jī)組區(qū)段速度、張力值的設(shè)定、調(diào)節(jié)，用于成組傳動(dòng)設(shè)備間的同步補(bǔ)償，用于開卷取設(shè)備的卷徑計(jì)算和帶鋼定位，用于入出口活套的位置控制等。同時(shí)傳動(dòng)控制器機(jī)架上還配置有專用處理模塊FM458，該模塊建有光整機(jī)控制模型和外部數(shù)據(jù)接口，用于光整機(jī)和拉矯機(jī)的控制與調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)各控制功能的穩(wěn)定運(yùn)行和平滑過度。機(jī)組張力分為11個(gè)區(qū)段，各區(qū)段名稱及調(diào)節(jié)范圍如圖2所示。
圖2 11個(gè)區(qū)段
濟(jì)鋼鍍鋅機(jī)組爐區(qū)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的特點(diǎn)之一是采用了與以往常規(guī)燃?xì)饪刂品绞讲煌拿}沖燃燒控制方式，由PLC實(shí)現(xiàn)溫度模型計(jì)算與給定，由成套引進(jìn)的霍克德專用脈沖控制器進(jìn)行脈沖調(diào)節(jié)，這樣根據(jù)爐區(qū)溫度分布確定的8個(gè)爐區(qū)溫度調(diào)節(jié)回路既具有獨(dú)立調(diào)節(jié)功能，又可滿足成組調(diào)節(jié)需要，
圖1 總體配置圖
同時(shí)避免了常規(guī)多回路并行雙交叉限幅控制運(yùn)算中的實(shí)時(shí)性問題，是當(dāng)今大型加熱爐控制系統(tǒng)廣泛采用的先進(jìn)技術(shù)；爐區(qū)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的特點(diǎn)之二是采用雙閉環(huán)脈沖控制技術(shù)，即以熱電偶反饋為內(nèi)環(huán)，輻射板溫計(jì)為外環(huán)調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該種控制方式在直熱式工業(yè)爐中已被廣泛采用，但在還原性氣氛中的還原退火爐中并不多見，近年來，由國外公司承建的相關(guān)機(jī)組大量采用該技術(shù)，技術(shù)日趨成熟，實(shí)際應(yīng)用中也使得其裝備水平和目標(biāo)控制精度大為提高，本系統(tǒng)建立的雙閉環(huán)控制模型是國內(nèi)自行設(shè)計(jì)開發(fā)，并在同類機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中投入運(yùn)行的國內(nèi)第一家雙閉環(huán)爐區(qū)溫控方案，在理論與實(shí)際應(yīng)用上均具有重要意義。
2.2 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)
電氣傳動(dòng)系統(tǒng)包括：交流變頻主傳動(dòng)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱為主傳動(dòng)系統(tǒng)）、交流變頻輔助傳動(dòng)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱為輔傳動(dòng)系統(tǒng)）和交流馬達(dá)控制中心（MCC）；系統(tǒng)總裝機(jī)功率合計(jì)約為4111kW。主傳動(dòng)采用IGBT交直交變頻控制器，由Master drive逆變器實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，供電采用兩段800kW公共直流母線，直流母線段上設(shè)備制動(dòng)方式為電阻能耗制動(dòng)。輔助傳動(dòng)系統(tǒng)采用SIEMENS工業(yè)風(fēng)機(jī)水泵類專用變頻控制器430系列產(chǎn)品MicroMaster430構(gòu)成，裝機(jī)功率約為405kW，MicroMaster430除了具有第四代變頻器的特點(diǎn)外，還具有用于風(fēng)機(jī)和泵類的硬件和軟件特性，尤其適合需節(jié)能、降噪的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。MCC系統(tǒng)用于在線定速電機(jī)的分合閘控制，為方便系統(tǒng)調(diào)試及維護(hù)，MCC配有獨(dú)立的操作單元（OP27），并通過遠(yuǎn)程輸入輸出信號(hào)站（ET200）與基礎(chǔ)自動(dòng)化的主令PLC進(jìn)行通訊從而節(jié)省了大量的控制電纜，提高了系統(tǒng)的可靠性，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和施工，MCC系統(tǒng)裝機(jī)功率約為1673.25kW。
2.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要由基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)以太網(wǎng)、過程現(xiàn)場(chǎng)總線、控制器間并行通信光纖及各種通信接口組成。
(1) 基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)以太網(wǎng)
基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)以太網(wǎng)是一個(gè)符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，采用CSMA/CD（帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問）介質(zhì)訪問控制協(xié)議，并使用2通道光纖傳輸為載體的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它遵循ISO/OSI（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/開放系統(tǒng)互聯(lián)）7層參考模型對(duì)數(shù)據(jù)連路層和物理層的定義原則，通過對(duì)傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層定義的TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/互連網(wǎng)協(xié)議）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。
主令PLC、傳動(dòng)PLC、爐區(qū)自動(dòng)化儀表PLC和各操作室的HMI設(shè)備通過各自的以太網(wǎng)接口與3COM交換機(jī)直接連接，該交換機(jī)具有10M/100Mbps自動(dòng)識(shí)別和轉(zhuǎn)換傳輸功能，可作為未來聯(lián)系二級(jí)的通道。由于入出口操作室與工藝操作室分布在機(jī)組的兩側(cè)（操作側(cè)與傳動(dòng)側(cè)），距離較遠(yuǎn)，所以采用光纖作為傳輸可有效的提高信息傳輸?shù)男逝c可靠性。
(2) 過程現(xiàn)場(chǎng)總線
過程現(xiàn)場(chǎng)總線是采用歐洲工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)EN 50170的開放型通信系統(tǒng)，為主從工作方式，主要用于連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。本系統(tǒng)中采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)用于連接傳動(dòng)變頻器通訊板（CBP）與傳動(dòng)控制器間的高速數(shù)據(jù)傳送（光纖方式下最大為12Mbps），用于連接遠(yuǎn)程輸入輸出站（ET200）通訊模塊（IM153）與主令控制器間的數(shù)據(jù)傳輸（專用電纜傳送速率為1.5Mbps）。
2.4 爐區(qū)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)
以連續(xù)還原退火爐溫度控制為核心的爐區(qū)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)采用SIEMENS公司S7-414 PLC為控制器，主從方式配置的4套遠(yuǎn)程輸入輸出單元根據(jù)就近原則設(shè)置在爐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)，各單元機(jī)架上配有溫度專用處理模塊FM355，F(xiàn)M355 有 4 個(gè)分離的閉環(huán)控制通道，具有下列特點(diǎn)：
? 預(yù)制的控制器結(jié)構(gòu)可用于：固定的設(shè)定點(diǎn)控制、級(jí)聯(lián)式控制、比例控制、3組件控制；
? 根據(jù)所選控制器結(jié)構(gòu)，幾個(gè)控制器可以組合成為一個(gè)結(jié)構(gòu)；
? 模式選擇自動(dòng)模式、人工模式、安全模式、后續(xù)模式和備份模式；
? 采樣時(shí)間（根據(jù)模擬輸入和補(bǔ)償輸入的分辨率）：12 bit：20 ms~100 ms，14 bit：100 ms~500 ms（取決于使能的模擬輸入數(shù)目）；
? 2個(gè)閉環(huán)控制算法：自行優(yōu)化溫度算法、PID算法；
? 用戶友好型控制器優(yōu)化：溫度算法的自行優(yōu)化功能儲(chǔ)存在模塊內(nèi)，在設(shè)定點(diǎn)的變化大于 12% 時(shí)，它會(huì)自動(dòng)激活。PID 控制算法是利用配置包內(nèi)的參數(shù)設(shè)置屏幕格式進(jìn)行優(yōu)化的；
? 備份模式：一旦 CPU 發(fā)生故障或 CPU 停止工作，控制器能夠獨(dú)立地繼續(xù)工作。為此目的，利用“備份模式“ 功能設(shè)定一個(gè)可參數(shù)化的安全設(shè)定點(diǎn)，或一個(gè)可參數(shù)化的安全可操縱變量；
? 擾動(dòng)變量輸入：模擬輸入可用于輸入擾動(dòng)變量以及實(shí)際值；
? 模糊溫度控制器的所有參數(shù)可以讀出和編程；
? 模塊參數(shù)可以聯(lián)機(jī)改變；
? 功能模塊和實(shí)例數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)比較；
? 由于通信是通過I/O訪問而不是通過 SFC RD_REC和WR_REC 顯著地加速了操作；
? 爐區(qū)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)功能框如圖3所示。
圖3 爐區(qū)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)功能框圖
為滿足工藝對(duì)帶鋼目標(biāo)溫度的直接控制要求，系統(tǒng)在爐溫間接閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上疊加板溫前饋和反饋閉環(huán)控制功能，系統(tǒng)不但在功能上能夠?qū)崿F(xiàn)板溫閉環(huán)與爐溫閉環(huán)的獨(dú)立控制，而且可通過雙閉環(huán)嵌套控制算法實(shí)現(xiàn)兩種控制功能的平滑切換，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定和爐區(qū)溫控經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕ⅰ?BR>
2.5 過程檢測(cè)儀表
濟(jì)鋼鍍鋅機(jī)組配置了大量的過程檢測(cè)儀表以滿足高自動(dòng)化水平機(jī)組連續(xù)運(yùn)行的條件，在技術(shù)條件滿足工藝要求的前提下，設(shè)備供應(yīng)商多采用國產(chǎn)設(shè)備，主要內(nèi)容如表1所示。
表1
3 自動(dòng)化系統(tǒng)的性能指標(biāo)
性能指標(biāo)包括工藝保證值和電氣保證值兩部分。
工藝保證值是對(duì)帶鋼工藝參數(shù)，如溫度、機(jī)械延伸率、鍍層厚度和表面質(zhì)量等的考核要求，由工藝專業(yè)與電氣共同負(fù)責(zé)。考核方法是根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品及生產(chǎn)實(shí)測(cè)值，參照相應(yīng)的國家檢驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行檢測(cè)。本機(jī)組產(chǎn)品檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T2518-1988。
電氣保證值是對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)性能指標(biāo)及控制系統(tǒng)可用率的考核要求，由新冶集團(tuán)和SIEMENS公司共同負(fù)責(zé)。
(1) 傳動(dòng)系統(tǒng)（由SIEMENS公司負(fù)責(zé)）
靜態(tài)速度精度≤0.01%；速度響應(yīng)時(shí)間≤60ms；張力間接控制精度≤5%；張力直接控制精度 ≤3%；電流響應(yīng)時(shí)間≤15ms。
(2) 控制系統(tǒng)可用率
PLC控制器和數(shù)字控制系統(tǒng)：95%；傳動(dòng)系統(tǒng)：99%；工藝檢測(cè)儀表：99%；HMI硬件：99%
4 FM458控制模塊
作為本機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)獨(dú)立模型的硬件單元，F(xiàn)M458具有如下特點(diǎn)：
FM458 應(yīng)用模塊（功能模塊）設(shè)計(jì)用于SIMATIC S7-400 PLC 系統(tǒng)內(nèi)的高性能開環(huán)和閉環(huán)控制任務(wù)。
與兩類擴(kuò)展模塊組合使用時(shí)，F(xiàn)M458 允許更多高動(dòng)態(tài)性能尤其是與驅(qū)動(dòng)相關(guān)的應(yīng)用，如以下的場(chǎng)合：
? 用于變頻器進(jìn)給直流和交流驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)轉(zhuǎn)矩，速度和位置控制，例如用于閉環(huán)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，張力調(diào)節(jié)輥或張力控制，纏繞機(jī)，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，齒輪/電機(jī)測(cè)試臺(tái)，復(fù)雜設(shè)定點(diǎn)計(jì)算和橫裁斷機(jī)與“防破壞”電動(dòng)軸的閉環(huán)控制；
? 高動(dòng)態(tài)性能的水力驅(qū)動(dòng)裝置。
在本機(jī)組中FM485模塊建有光整機(jī)控制模型及外部數(shù)據(jù)接口，用于光整機(jī)和拉矯機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)的功能有：光整機(jī)延伸率控制；光整機(jī)軋制力控制；位置控制；張力控制；彎輥控制；過焊縫控制等。
FM485的應(yīng)用可利用 STEP7 和CFC（連續(xù)功能圖表）自由的組態(tài)。組態(tài)的程序必須裝到FM485的MC521存儲(chǔ)器卡中。
5 結(jié)語
本文介紹了一套嶄新的帶鋼連續(xù)熱鍍鋅機(jī)組的自動(dòng)化配置方案及其主要技術(shù)特點(diǎn)，濟(jì)鋼鍍鋅機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)的裝備水平和操作水平在國內(nèi)同類機(jī)組中具有較高水平，其功能設(shè)置和設(shè)備配置采用了當(dāng)前國際流行的最新技術(shù)和產(chǎn)品，體現(xiàn)了簡(jiǎn)約、高效的設(shè)計(jì)理念，對(duì)于國產(chǎn)高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，該設(shè)備配置方案日臻成熟，已開始在國內(nèi)推廣。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)