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梁  彬

1  廠況簡介

    安鋼集團第一煉軋廠高速線材連軋機組采用國內外先進技術與裝備，原料采用熱裝熱送工藝，加熱爐為引進日本中外爐關鍵燃燒裝置的步進梁式加熱爐，具有加熱質量好、成本低的特點。全車間共有30架軋機，其中粗、中軋平―立交替14架，45度預精軋4架，精軋機8架，減定徑機8架，設計最大速度140m/s，最大軋制速度120m/s，保證軋制速度為112m/s，全線設6個活套，3 臺飛剪和在線自動測徑裝置，產品公差±0.10mm；全線采用控制軋制和控制冷卻新工藝，有5套控冷水箱，大風量強冷式延遲型散卷保溫罩進行低溫軋制強制冷卻，實現索氏體處理，又可實現緩慢冷卻。設計能力為40萬t/年，主要產品為光面盤條線材：Φ5.5～Φ20mm，螺紋帶肋線材：Φ6.0～Φ16mm。生產鋼種有碳素結構鋼、優量碳素結構鋼、中高碳鋼、合金結構鋼等8個鋼種。

2  電氣自動控制系統的構成

    該系統配置5臺SIEMENS公司的S7-400系列PLC，設有3個操作站，加熱爐區、軋機區、精整區各1個，另外還在主電室設有工程師站。每個站均配有SIEMENS公司的 PIII工控機，操作面板采用PMU，各站操作系統為中文WindowsNT4.0，監控畫面采用美國GE Fanuc公司的FIXDMACS軟件編制。現場的潤滑、液壓系統以及軋線各區域配有59臺ET200M，主傳動采用SIEMENS公司的6RA70系列產品，交流輔傳動采用6SE70系列產品，每套傳動裝置均配有一塊CBP通信模板，用作6RA70和6SE70調速裝置與PROFIBUS-DP相連的接口板。操作站、工程師站、PLC之間的通信采用工業以太網，通信介質采用同軸電纜，PROFIBUS-DP主要完成PLC與6RA70、6SE70、WinCC以及遠程ET200M之間的數據信息通信功能，PROFIBUS-DP的通信介質采用工業屏蔽雙絞線。這條軋線配備了水平較高的電氣自動化控制系統，其配置如圖1所示。其中，PLC1：加熱爐區各段輥道的速度控制和順序控制等；PLC2：夾送輥，粗軋機，中軋機速度控制，微張力控制，1、2、3號飛剪，碎斷剪控制，預精軋機的速度及其活套控制，故障診斷，動態速度補償及聯鎖控制，軋輥控制等；PLC3：精軋機、減定徑機、夾送輥、吐絲機、斯太爾摩冷卻線及其風機等；PLC4：集卷筒及聯鎖控制、P/F線、稱重控制等；PLC5：液壓站、潤滑站等輔助設備。

    用于主站S7-400系列PLC的CPU選型為CPU416-2DP，該型CPU運算能力極強，帶有內部集成的PROFIBUS-DP接口，其組態靈活、速度快、操作簡捷。加熱爐區控制，收集區傳動控制，液壓潤滑站輔助設備控制選用單CPU，而主軋線粗中軋區傳動控制，主軋線精軋區傳動控制選用雙CPU，前者主要用于軋制過程中的快速性控制（級聯、微張、活套、飛剪等），后者用于一般性的操作和控制。每個PLC均采用一塊CPU模板和數塊SM422、SM421模板，完成整條軋線在網絡狀態下的順序控制和閉環控制。

圖1  電氣自動化控制系統配置圖

3  控制系統功能簡介

(1)  軋線速度設定自適應

    儲存在軋制程序表中的初始設定參數，如輥徑、速比、計算速度等不可避免會有誤差，這樣就不能完全適應各軋機之間的速度級聯關系，而在軋制的過程中，這些誤差會通過微張力控制、活套控制以速度修正信號的形式作用于相應的機架上來形成真實的速度配合關系。速度設定自適應功能就是根據速度修正信號來對相應機架的延伸率進行修正，并根據修正后的延伸率來修正速度的設定值，從而使下一個軋件軋制時，各機架間處于最佳的配合狀態。

    同時，為了把操作人員的經驗溶入到自動化系統中，操作人員可以對機架的速度進行手動調節。在主操作臺上設有各機架速度微調按鈕，用于對各機架間的速度協調關系進行人工調節，調節好后的機架間的速度協調關系，經人工確認，系統可自動存儲此時各機架的速度，作為該軋制程序下的速度級聯速度設定。

(2)  速度級聯控制

    軋線速度級聯調節是修正某一相鄰機架的速度關系，而不影響軋線其它機架已有的速度關系，速度級聯調節各機架延伸率的關系逆行速度設定。當有套量偏差或微張力控制時產生速度修正信號，以級聯方式對對應的相鄰機架速度進行修正，為保證精軋機出口速度的穩定，以提高飛剪的剪切精度，級聯調節方向為逆向調節，即從精軋末機架軋機向上游級聯。

    當軋件在兩機架間斷開時，級聯調節取消；軋件在兩機架間連續軋制時，級聯軋制重新建立。

(3)  微張力控制

    微張力控制的目的是使中軋機組各機架之間的軋件按微小的張力進行軋制。微張力控制是保證高速線材軋機順利軋制和提高產品質量的必要手段，張力控制是一個復雜的過程，高速線材采用“電流―速度”間接微張力控制法。它的基本思想是：張力的變化是由線材的秒流量差引起的，而調整軋機的速度就能改變秒流量，以達到控制張力的目的。其控制方法同軋機速度的級聯調節方向有關，如果級聯速度為逆調，則需控制各機架的前張力；如果級聯速度為順調，則需控制各機架的后張力，即當鋼坯咬入下一機架后，根據本機架同下游機架之間的堆拉關系來調整下機架的速度設定，使本機架與下機架之間的張力維持在設定值。

    在實際實施中，著重解決以下兩個難點：

    ①  無張力矩的存儲

    在本系統中沒有測張元件，微張控制的控制目標足以使軋機在無張力矩下軋制。所以，無張力矩的計算與存儲就成為微張控制中的關鍵。無張力矩是靠軋件的頭部來確定的。

    ②  微張力控制程序框圖

    各機架的控制過程基本一致，控制程序框圖如圖2所示。

(4)  速度沖擊補償

    當軋機咬鋼或運行中產生沖擊負荷時，速度會瞬間降低，機架間正常的速度關系受到破壞，會形成軋件堆積。速度沖擊補償的目的是幫助軋件順利咬入軋機，減小和消除速度波動，實現方法是在軋件進入軋機之前提高此機架的速度。速度提高的百分數及撤掉此值的過程時間可從上位機上調整而且可存儲到軋制表中。另一方面，在機架間有活套控制時，動態速降有利于活套形成，其速度補償量可適當減小。

(5)  軋件跟蹤控制

    通過設置在機架前、后的熱金屬檢測器或活套檢測器及機架電機咬鋼時的沖擊電流信號，作為軋件的跟蹤信號，實時監控軋件頭、尾的位置。全線下列控制功能需要了解軋件頭、尾的位置：微張力控制、活套控制活套的起套控制、飛剪控制、夾送輥、吐絲機及軋件運輸順序控制、軋件冷卻閥的控制等。同時通過對軋件的位置跟蹤還可以判斷軋制過程中出現的堆鋼等故障，當判斷出堆鋼故障后可自動或手動起動故障點前的飛剪、碎斷剪、卡斷剪對軋件碎斷處理。

圖2  微張力控制程序框圖

(6)  活套控制

    活套是用來檢測和調節相鄰機架間速度關系從而實現無張力軋制的設備。一般用于軋件截面較小的場合，活套控制分為套高（或套量）控制和起套輥控制：活套調節器是通過檢測到的活套高度偏差產生速度修正信號，調節機架速度以維持活套高度保持在給定值不變、實現機架速度秒流量平衡，通過活套調節使軋件在軋制過程中形成自由的弧形，保持軋制過程為無張力狀態。

    總之，在軋件頭部進入活套后面軋機之前不允許起套輥升起；在軋件頭部進入活套后面軋機后起套輥必須立即升起。當軋件尾部離開活套前面軋機時，起套輥必須立即下降。

(7)  飛剪的剪切控制   

    在中軋機組、預精軋機組和精軋機組前，均設有切頭、切尾飛剪，PLC通過接收熱檢及碼盤信號，對軋件切頭、切尾。當發生事故時，前兩臺飛剪都可進行碎斷，第3#飛剪對軋件分段后由碎斷剪碎段。在切頭及碎斷時，剪子的線速度一般高于其前機架速度的5％~15％。

    對于飛剪控制，設有兩個檢測回路。主要由安裝在剪刃軸上的碼盤和PLC的高速計數器組成；另一個是軋件頭、尾從HMD（高溫計）到飛剪距離的檢測回路，主要由安裝在上游機架的碼盤、HMD及PLC的高速計數器組成。

    無論軋制速度的高低，軋件從HMD到飛剪所走過的距離是固定的。安裝在上游機架電機軸上的碼盤所產生的脈沖數與軋輥所轉過的角度成正比，從而也與軋件所走過的距離成正比。當HMD檢測到軋件頭部或尾部時，啟動高速計數器累加上游機架碼盤的脈沖數，當計數到所設定的值時啟動飛剪。

(8)  吐絲機前夾送輥控制

    吐絲機前夾送輥控制功能主要包括開/閉控制、張力調節和軋件尾部控制。

    夾送輥開/閉控制 包括尾部夾送、頭尾夾送、全長夾送。

    夾送輥張力調節 夾送輥的速度設定稍高于減定徑機組出口速度，以便當夾送輥閉合時，在軋件上獲得一個恒定的張力，以防止軋件在水箱中的顫動，張力值由操作站設定。當軋件尾部到達精軋機之前夾送輥閉合夾住軋件后0.25秒，軋件上自動產生強力；當軋件尾部進入精軋機，啟動張力保持模式，鎖住張力調節器對夾送輥的速度修正，防止夾送輥加速至超前速度，即防止夾送輥與軋件之間出現相對運動而影響產品表面質量；在夾送輥被要求打開后0.5秒，張力調節器和保持模式關閉。

    夾送輥尾部控制 包括尾部減速和尾部加速兩種情況。

(9)