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1 概述
濟南鋼鐵集團總公司年產(chǎn)20萬噸鋼帶連續(xù)熱鍍鋅機組（以下簡稱為濟鋼鍍鋅機組）的自動化系統(tǒng)是國內(nèi)自行設(shè)計，由新冶高科技集團有限公司（以下簡稱為新冶集團）負責(zé)總包成套的工程項目，該自動化系統(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)包括電氣傳動及在線檢測儀表（L0）、基礎(chǔ)自動化（L1）和獨立的爐區(qū)自動化儀表系統(tǒng)。其電氣傳動系統(tǒng)采用交流全數(shù)字調(diào)速裝置，基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)采用PLC控制器，主令控制部分由新冶集團負責(zé)，傳動控制部分由SIEMENS公司負責(zé)，爐區(qū)自動化儀表系統(tǒng)采用全數(shù)字脈沖控制器。基礎(chǔ)自動化系統(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 自動化系統(tǒng)總體配置及特點
濟鋼鍍鋅機組自動化系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與常規(guī)按區(qū)段功能劃分原則進行設(shè)備配置的系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)直接以機組總體功能要求進行設(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展性，結(jié)合以往同類機組成功運行的工程經(jīng)驗，在SIEMENS公司的支持下構(gòu)建了嶄新的簡約高效的自動化控制系統(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，特別適用于國產(chǎn)化高技術(shù)水平機組的推廣，其總體配置如圖1所示。
2.1 基礎(chǔ)自動化
基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)分入口段、工藝段和卷取段三個控制區(qū)，分為主令控制器、傳動控制器和爐區(qū)自動化儀表三個控制單元，實行區(qū)段控制按功能統(tǒng)一在同一控制器實現(xiàn)的原則，即三個區(qū)段的主令操作及機組邏輯順控統(tǒng)一在主令控制器上完成，傳動部分張力、速度的建立、協(xié)調(diào)在傳動控制器上完成，爐區(qū)自動化儀表作為一個相對獨立的控制單元滿足工藝對連續(xù)還原爐控制功能的需要，從而實現(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)的運行效率，滿足了濟鋼鍍鋅機組自動化系統(tǒng)控制的實時性要求。
濟鋼鍍鋅機組自動化系統(tǒng)的操作采用主令控制器與人機接口相結(jié)合的方式，由分區(qū)設(shè)置的操作站（HMI）、操作臺箱和機旁站將全線的主令及功能性信號通過大量設(shè)置（11個）的遠程輸入輸出信號站（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應(yīng)的邏輯指令。為滿足現(xiàn)代化控制系統(tǒng)對高水平人機接口的要求，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，系統(tǒng)在各操作室配置了多臺操作員站，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)庫背景的小型報表處理系統(tǒng)和物料跟蹤系統(tǒng)，具備了二級控制系統(tǒng)的部分功能，也為系統(tǒng)向二級擴展提供了良好的基礎(chǔ)和接口功能。
濟鋼鍍鋅機組自動化系統(tǒng)的傳動采用獨立的傳動控制器，該部分軟硬件均由SIEMENS公司提供。該控制器用于機組區(qū)段速度、張力值的設(shè)定、調(diào)節(jié)，用于成組傳動設(shè)備間的同步補償，用于開卷取設(shè)備的卷徑計算和帶鋼定位，用于入出口活套的位置控制等。同時傳動控制器機架上還配置有專用處理模塊FM458，該模塊建有光整機控制模型和外部數(shù)據(jù)接口，用于光整機和拉矯機的控制與調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)各控制功能的穩(wěn)定運行和平滑過度。機組張力分為11個區(qū)段，各區(qū)段名稱及調(diào)節(jié)范圍如圖2所示。
圖2 11個區(qū)段
濟鋼鍍鋅機組爐區(qū)自動化儀表系統(tǒng)的特點之一是采用了與以往常規(guī)燃氣控制方式不同的脈沖燃燒控制方式，由PLC實現(xiàn)溫度模型計算與給定，由成套引進的霍克德專用脈沖控制器進行脈沖調(diào)節(jié)，這樣根據(jù)爐區(qū)溫度分布確定的8個爐區(qū)溫度調(diào)節(jié)回路既具有獨立調(diào)節(jié)功能，又可滿足成組調(diào)節(jié)需要，
圖1 總體配置圖
同時避免了常規(guī)多回路并行雙交叉限幅控制運算中的實時性問題，是當(dāng)今大型加熱爐控制系統(tǒng)廣泛采用的先進技術(shù)；爐區(qū)自動化儀表系統(tǒng)的特點之二是采用雙閉環(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)機組大量采用該技術(shù)，技術(shù)日趨成熟，實際應(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)計開發(fā)，并在同類機組實際運行中投入運行的國內(nèi)第一家雙閉環(huán)爐區(qū)溫控方案，在理論與實際應(yīng)用上均具有重要意義。
2.2 電氣傳動系統(tǒng)
電氣傳動系統(tǒng)包括：交流變頻主傳動系統(tǒng)（以下簡稱為主傳動系統(tǒng)）、交流變頻輔助傳動系統(tǒng)（以下簡稱為輔傳動系統(tǒng)）和交流馬達控制中心（MCC）；系統(tǒng)總裝機功率合計約為4111kW。主傳動采用IGBT交直交變頻控制器，由Master drive逆變器實現(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)備制動方式為電阻能耗制動。輔助傳動系統(tǒng)采用SIEMENS工業(yè)風(fēng)機水泵類專用變頻控制器430系列產(chǎn)品MicroMaster430構(gòu)成，裝機功率約為405kW，MicroMaster430除了具有第四代變頻器的特點外，還具有用于風(fēng)機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)用于在線定速電機的分合閘控制，為方便系統(tǒng)調(diào)試及維護，MCC配有獨立的操作單元（OP27），并通過遠程輸入輸出信號站（ET200）與基礎(chǔ)自動化的主令PLC進行通訊從而節(jié)省了大量的控制電纜，提高了系統(tǒng)的可靠性，簡化了設(shè)計和施工，MCC系統(tǒng)裝機功率約為1673.25kW。
2.3 計算機網(wǎng)絡(luò)
計算機網(wǎng)絡(luò)主要由基礎(chǔ)自動化級以太網(wǎng)、過程現(xiàn)場總線、控制器間并行通信光纖及各種通信接口組成。
(1) 基礎(chǔ)自動化級以太網(wǎng)
基礎(chǔ)自動化級以太網(wǎng)是一個符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，采用CSMA/CD（帶沖突檢測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算機局域網(wǎng)。它遵循ISO/OSI（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/開放系統(tǒng)互聯(lián)）7層參考模型對數(shù)據(jù)連路層和物理層的定義原則，通過對傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層定義的TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/互連網(wǎng)協(xié)議）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。
主令PLC、傳動PLC、爐區(qū)自動化儀表PLC和各操作室的HMI設(shè)備通過各自的以太網(wǎng)接口與3COM交換機直接連接，該交換機具有10M/100Mbps自動識別和轉(zhuǎn)換傳輸功能，可作為未來聯(lián)系二級的通道。由于入出口操作室與工藝操作室分布在機組的兩側(cè)（操作側(cè)與傳動側(cè)），距離較遠，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)場總線
過程現(xiàn)場總線是采用歐洲工業(yè)現(xiàn)場總線標(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)場設(shè)備。本系統(tǒng)中采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)用于連接傳動變頻器通訊板（CBP）與傳動控制器間的高速數(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套遠程輸入輸出單元根據(jù)就近原則設(shè)置在爐區(qū)現(xiàn)場，各單元機架上配有溫度專用處理模塊FM355，F(xiàn)M355 有 4 個分離的閉環(huán)控制通道，具有下列特點：
? 預(yù)制的控制器結(jié)構(gòu)可用于：固定的設(shè)定點控制、級聯(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)，幾個控制器可以組合成為一個結(jié)構(gòu)；
? 模式選擇自動模式、人工模式、安全模式、后續(xù)模式和備份模式；
? 采樣時間（根據(jù)模擬輸入和補償輸入的分辨率）：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)化功能儲存在模塊內(nèi)，在設(shè)定點的變化大于 12% 時，它會自動激活。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，控制器能夠獨立地繼續(xù)工作。為此目的，利用“備份模式“ 功能設(shè)定一個可參數(shù)化的安全設(shè)定點，或一個可參數(shù)化的安全可操縱變量；
? 擾動變量輸入：模擬輸入可用于輸入擾動變量以及實際值；
? 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)機改變；
? 功能模塊和實例數(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)的獨立控制，而且可通過雙閉環(huán)嵌套控制算法實現(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?zāi)Ｐ偷慕ⅰ?BR>
2.5 過程檢測儀表
濟鋼鍍鋅機組配置了大量的過程檢測儀表以滿足高自動化水平機組連續(xù)運行的條件，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。
工藝保證值是對帶鋼工藝參數(shù)，如溫度、機械延伸率、鍍層厚度和表面質(zhì)量等的考核要求，由工藝專業(yè)與電氣共同負責(zé)。考核方法是根據(jù)實際產(chǎn)品及生產(chǎn)實測值，參照相應(yīng)的國家檢驗規(guī)范進行檢測。本機組產(chǎn)品檢驗標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T2518-1988。
電氣保證值是對傳動系統(tǒng)性能指標(biāo)及控制系統(tǒng)可用率的考核要求，由新冶集團和SIEMENS公司共同負責(zé)。
(1) 傳動系統(tǒng)（由SIEMENS公司負責(zé)）
靜態(tài)速度精度≤0.01%；速度響應(yīng)時間≤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%；傳動系統(tǒng)：99%；工藝檢測儀表：99%；HMI硬件：99%
4 FM458控制模塊
作為本機組自動化系統(tǒng)獨立模型的硬件單元，F(xiàn)M458具有如下特點：
FM458 應(yīng)用模塊（功能模塊）設(shè)計用于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)。
與兩類擴展模塊組合使用時，F(xiàn)M458 允許更多高動態(tài)性能尤其是與驅(qū)動相關(guān)的應(yīng)用，如以下的場合：
? 用于變頻器進給直流和交流驅(qū)動的閉環(huán)轉(zhuǎn)矩，速度和位置控制，例如用于閉環(huán)同步運轉(zhuǎn)，張力調(diào)節(jié)輥或張力控制，纏繞機，多電機驅(qū)動裝置，齒輪/電機測試臺，復(fù)雜設(shè)定點計算和橫裁斷機與“防破壞”電動軸的閉環(huán)控制；
? 高動態(tài)性能的水力驅(qū)動裝置。
在本機組中FM485模塊建有光整機控制模型及外部數(shù)據(jù)接口，用于光整機和拉矯機的控制，實現(xiàn)的功能有：光整機延伸率控制；光整機軋制力控制；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)熱鍍鋅機組的自動化配置方案及其主要技術(shù)特點，濟鋼鍍鋅機組自動化系統(tǒng)的裝備水平和操作水平在國內(nèi)同類機組中具有較高水平，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)了簡約、高效的設(shè)計理念，對于國產(chǎn)高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)機組的自動化系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用具有現(xiàn)實指導(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：11010802023656號