《電子技術(shù)應(yīng)用》
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窄帶鋼五機(jī)架冷連軋機(jī)電氣控制系統(tǒng)
摘要: 紹一種五機(jī)架窄帶鋼冷連軋機(jī)的電氣控制系統(tǒng),特別是PLC的系統(tǒng)組成和傳動(dòng)裝置、機(jī)列速度和張力閉環(huán)的控制方法及實(shí)際效果。
Abstract:
Key words :

1、引言

    冷軋窄帶鋼有著非常好的市場(chǎng),但很多生產(chǎn)廠的軋機(jī)設(shè)備比較陳舊,特別是電氣的裝機(jī)水平和控制性能較差,直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、成材率和產(chǎn)量,當(dāng)然也影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。總結(jié)前人的窄帶鋼冷軋機(jī)電控裝置的設(shè)計(jì)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合用戶的具體要求,本著高性能,低成本的原則,選擇德國VIPA 300S系列PLC和英國CT不可逆全數(shù)字直流調(diào)速裝置MENTOR-Ⅱ?yàn)榭刂坪诵模O(shè)計(jì)制造了一套五機(jī)架冷連軋機(jī)的電氣控制系統(tǒng),而且實(shí)現(xiàn)了速度的級(jí)聯(lián)控制和張力的閉環(huán)控制,大大提高了設(shè)備和產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo),取得了較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

2、系統(tǒng)介紹

2.1 機(jī)組情況

    五機(jī)架冷連軋機(jī)是由開卷機(jī)、螺旋儲(chǔ)料裝置、1-5#四輥冷軋機(jī)和卷取機(jī)等主要機(jī)械設(shè)備組成,全線沒有活套機(jī)構(gòu),在1-2#2-3#3-4#4-5#機(jī)架間設(shè)有張力計(jì),1#機(jī)架入口和5#機(jī)架出口各有一臺(tái)測(cè)厚儀,以測(cè)量來料厚度和成品厚度;每個(gè)機(jī)架為獨(dú)立的直流傳動(dòng)系統(tǒng),1-5#四輥冷軋機(jī)均為工作輥傳動(dòng),輥縫按工藝人工擺放,壓下控制采用四象限全數(shù)字直流調(diào)速裝置電動(dòng)壓下替代交流電動(dòng)壓下,卷取機(jī)也采用了四象限直流傳動(dòng)系統(tǒng)。圖1是機(jī)組的組成圖。

                                         窄帶鋼五機(jī)架冷連軋機(jī)布置圖

 2.2   電氣系統(tǒng)

    針對(duì)窄帶鋼五機(jī)架冷連軋機(jī)的工藝特點(diǎn),選擇高性能的控制元器件是滿足控制要求的關(guān)鍵。作為控制核心的PLC,選擇了VIPA公司300S系列的CPU作為PROFIBUS系統(tǒng)的主站,在主操作臺(tái)設(shè)置了IM253DP從站和一塊TP270觸摸屏,在兩個(gè)壓下控制柜和卷取控制柜分別設(shè)置了S7-200從站,同時(shí)控制1-5#機(jī)架的直流控制裝置都安裝了PROFIBUS擴(kuò)展板MD24,在1-5#機(jī)架的機(jī)旁操作箱以及卷取操作臺(tái)都分別設(shè)置了VIPA公司的IM253DP作為從站。

    該套PLC系統(tǒng),以VIPA公司的Speed7系列的CPU 315-2AG12作為主站,從站數(shù)量達(dá)到了16個(gè)。作為主站的CPU 315-2AG12,本機(jī)自帶1M內(nèi)存(50%程序,50%數(shù)據(jù)),運(yùn)算速度高達(dá)每毫秒100,000指令,主要采集各個(gè)從站的數(shù)據(jù),同時(shí)向各個(gè)從站傳遞指令,控制整個(gè)軋機(jī);1-5#機(jī)架從站主要功能是接受主站傳輸?shù)闹噶詈蛿?shù)據(jù)(例如合閘、運(yùn)行、速度給定等)以控制每個(gè)機(jī)架電機(jī),同時(shí)向主站傳遞信息和數(shù)據(jù)(例如故障、速度反饋、電流反饋等)以反映每個(gè)機(jī)架電機(jī)的狀態(tài);1-5#架旁操作箱從站分別采集各個(gè)機(jī)架控制的開關(guān)量信號(hào);卷取機(jī)從站主要功能是傳遞卷取電機(jī)的各種信息和接受主站的各種指令,同時(shí)還進(jìn)行卷取卷徑的計(jì)算以實(shí)現(xiàn)張力恒定;兩個(gè)壓下從站的功能是控制1-5#壓下十臺(tái)電機(jī),同時(shí)還計(jì)算2#5#壓下驅(qū)動(dòng)側(cè)和操作側(cè)的位置;系統(tǒng)200V從站主要采集主操作臺(tái)對(duì)整個(gè)機(jī)列的操作信號(hào);TP270觸摸屏,通過MPICPU 315-2AG12通訊,主要用于顯示各種機(jī)列數(shù)據(jù)(例如機(jī)列速度、卷取卷徑和設(shè)備的故障情況等)。

    在本控制系統(tǒng)中,大量選用VIPA公司的IM253DP作為從站,是節(jié)省投資的另一個(gè)主要方面。IM253DP具有很高的性價(jià)比,使用上可以和ET200M相媲美;同時(shí)VIPA公司的IM253DP的尺寸較小,采用35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝,可以減小機(jī)旁操作箱的尺寸,接線采用彈簧卡接的型式,快速,可靠。圖2PLC的配置圖
                                                 2 五機(jī)架冷連軋機(jī)PLC系統(tǒng)配置圖

 

    直流電機(jī)的直流驅(qū)動(dòng)單元采用的是C.T公司的MENTOR--Ⅱ系列全數(shù)字直流控制裝置。該系列全數(shù)字直流控制裝置具有典型的雙閉環(huán)控制特性,全數(shù)字菜單式參數(shù)設(shè)定,并可在線調(diào)整,可編程的模擬量和開關(guān)量輸入輸出,速度反饋可選擇電樞電壓、測(cè)速發(fā)電機(jī)和碼盤,電流環(huán)參數(shù)自整定功能,裝置自檢功能,自帶小功率磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)及可配套的磁場(chǎng)控制模塊FXM5。為了節(jié)省投資,1-5#機(jī)架直流驅(qū)動(dòng)單元都選用單象限工作的不可逆全數(shù)字直流控制裝置及磁場(chǎng)控制模塊FXM5,采用磁場(chǎng)換向的控制方式,滿足點(diǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)反向的工作要求。

3、系統(tǒng)的控制功能

    窄帶鋼五機(jī)架冷連軋機(jī)的電氣控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn):機(jī)列的邏輯控制、直流傳動(dòng)控制、速度級(jí)聯(lián)控制、機(jī)架間張力閉環(huán)控制和卷取張力控制。

3.1   機(jī)列的邏輯控制和直流傳動(dòng)控制

    這兩部分的控制屬于基本控制,邏輯控制上主要是在容錯(cuò)方面做了較多工作,因?yàn)橹绷餮b置采用的是不可逆裝置,而工作中,各單機(jī)又需要反向點(diǎn)動(dòng),做好電機(jī)磁場(chǎng)的換向及避免各種誤操作對(duì)設(shè)備造成損壞尤為重要。直流傳動(dòng)控制由于采用了全數(shù)字直流控制裝置,保證了對(duì)給定信號(hào)的快速精確和穩(wěn)定可靠地響應(yīng),并能準(zhǔn)確地反饋各種信號(hào)。

3.2        速度級(jí)聯(lián)控制

    在冷連軋機(jī)的軋制過程中,各機(jī)架的速度匹配關(guān)系應(yīng)始終遵循金屬秒流量相等的原則,針對(duì)五機(jī)架連軋機(jī),確定3#機(jī)架為機(jī)列速度基準(zhǔn)機(jī)架,1#2#機(jī)架按逆向級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行,4#5#機(jī)架按順向級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行。

    按照金屬秒流量相等的原則,第i機(jī)架的速度計(jì)算公式是:

           Vi=Vi+1/Ki+1

     公式中,Vi是本機(jī)架的出口線速度,Vi+1是相鄰下游機(jī)架的出口線速度,Ki+1是相鄰下游機(jī)架的延伸率。

    有三個(gè)信號(hào)對(duì)各機(jī)架的速度產(chǎn)生影響:一是機(jī)列的主速度給定,根據(jù)主操作手給定的機(jī)列速度,按相應(yīng)的級(jí)聯(lián)關(guān)系分配給各機(jī)架;二是各機(jī)架的速度微調(diào),3#機(jī)架是基準(zhǔn)機(jī)架,不需要速度微調(diào),1#2#4#5#機(jī)架在操作臺(tái)上各有一個(gè)微調(diào)電位器,1#5#機(jī)架是級(jí)聯(lián)終端,它們的微調(diào)Vw1 Vw5分別只對(duì)本機(jī)架產(chǎn)生影響,而2#4#機(jī)架的微調(diào)除了影響本機(jī)架,還應(yīng)級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)1#5#機(jī)架;三是張力閉環(huán)調(diào)節(jié)信號(hào),1-2#機(jī)架間的張力調(diào)節(jié)信號(hào)Vz12,附加給1#機(jī)架的速度給定,2-3#機(jī)架間的張力調(diào)節(jié)信號(hào)Vz23,除了附加給2#機(jī)架,還要級(jí)聯(lián)到1#機(jī)架,3-4#機(jī)架間的張力調(diào)節(jié)信號(hào)Vz34,附加給4#機(jī)架,4-5#機(jī)架間的張力調(diào)節(jié)信號(hào)Vz45,除了附加給4#機(jī)架,還要級(jí)聯(lián)到5#機(jī)架,各機(jī)架的最終速度給定如下:

          5#機(jī)架:V5=V4*K5 +Vz45+Vw5

          4#機(jī)架:V4=V3*K4 +Vz34+Vw4

           2#機(jī)架:V2=V3/K3 +Vz23+Vw2

           1#機(jī)架:V1=V2/K2 +Vz12+Vw1

    作為1#5#機(jī)架的速度微調(diào),因?yàn)樗鼈冎挥绊懕緳C(jī)架的速度給定,其實(shí)是可以直接進(jìn)直流控制器的,但是為了充分利用PLC資源,利用PROFIBUS的優(yōu)點(diǎn),減少現(xiàn)場(chǎng)布線,所以將各微調(diào)信號(hào)都送到了PLC

3.3        張力閉環(huán)控制

    連軋機(jī)機(jī)架間張力的變化主要是由金屬秒流量的變化引起的,由于在軋制過程中,輥縫基本上是不做調(diào)節(jié)的,所以改變軋機(jī)的速度就能改變金屬秒流量,從而達(dá)到控制張力的目的。

    軋制過程中,PLC定時(shí)對(duì)機(jī)架間的張力反饋值進(jìn)行采樣,根據(jù)相應(yīng)的張力給定計(jì)算出張力偏差值,調(diào)用PID控制指令,計(jì)算出張力調(diào)節(jié)信號(hào),變換為速度信號(hào)形式,分配給相應(yīng)的機(jī)架,達(dá)到通過速度實(shí)現(xiàn)對(duì)張力控制的目的。圖3 是張力控制框圖

                                          3 張力控制框圖

    需要說明的是,1-2#2-3#機(jī)架間的張力控制信號(hào)對(duì)應(yīng)1#2#機(jī)架的速度給定是正極性,也就是1-2#機(jī)架間的張力偏大的時(shí)候,PID計(jì)算的張力調(diào)節(jié)信號(hào)VZ12是使1#機(jī)架的速度增加,反之減小;而3-4#4-5#機(jī)架間的張力控制信號(hào)對(duì)應(yīng)4#5#機(jī)架的速度給定則是負(fù)極性的,也就是3-4#機(jī)架間的張力偏大的時(shí)候,PID計(jì)算的張力調(diào)節(jié)信號(hào)VZ34是使4#機(jī)架的速度減小,反之增大。

3.4        卷取機(jī)張力控制

    卷取機(jī)的張力控制由卷取機(jī)的從站S7-200來完成,為了使卷取機(jī)以恒張力的卷取特性工作,就必須實(shí)時(shí)計(jì)算卷取機(jī)的帶材卷徑;本系統(tǒng)將測(cè)速輥的編碼器接入S7-200的高速計(jì)數(shù)通道中,以計(jì)算帶材長度,同時(shí)將卷取機(jī)的測(cè)速編碼器的零脈沖接入高速計(jì)數(shù)通道,在S7-200的程序中做了事件中斷,本系統(tǒng)設(shè)置了卷取機(jī)的測(cè)速編碼器每轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn),調(diào)用一次中斷程序,算出兩次的長度差,即可算出卷徑。

   帶材卷徑計(jì)算出來后,即可通過程序計(jì)算出所需的卷取張力值,當(dāng)卷徑較小速度又較快時(shí),卷取電機(jī)的速度有可能超過基速,電機(jī)則需要弱磁,此時(shí)電機(jī)的力矩會(huì)減小,為了獲得恒定的力矩,需要從卷取機(jī)直流裝置中讀取電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速,計(jì)算出弱磁的倍數(shù),按倍數(shù)加大卷取電機(jī)的電流給定,以補(bǔ)償弱磁后的力矩減小。

4、系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用效果

4.1系統(tǒng)特點(diǎn)

    A、   將原來人工分別調(diào)各機(jī)架速度來保持機(jī)架間張力,改造為張力自動(dòng)閉環(huán)工作方式,系統(tǒng)響應(yīng)的快速性、穩(wěn)定性得到了保證,消除了人為因素的影響;

    B、300S PLC的編程中,應(yīng)用OB35系統(tǒng)塊的定時(shí)中斷功能,對(duì)張力閉環(huán)采取內(nèi)外環(huán)的控制方式,也就是說以3#機(jī)架為速度基準(zhǔn),先調(diào)用2#3#PID環(huán),以調(diào)節(jié)2#4#機(jī)架的速度,在下一個(gè)循環(huán)周期再調(diào)用1#4#PID環(huán),以調(diào)節(jié)1#5#機(jī)架的速度,這樣就避免了同時(shí)調(diào)用1-4#PID環(huán)所容易引起的速度震蕩,效果非常良好。

    C、張力的投入是在穿帶過程中自動(dòng)進(jìn)行,從而在整個(gè)軋制過程中實(shí)現(xiàn)了張力控制,保證了產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率;

    D、   因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)都應(yīng)用了PROFIBUS通訊,省去了柜子之間以及和操作臺(tái)之間的布線,大大降低了系統(tǒng)故障率,同時(shí)在主操作臺(tái)設(shè)置了良好的人機(jī)畫面,為客戶檢修故障提供了方便。

4.2   應(yīng)用效果

    采用上述控制技術(shù),窄帶鋼五機(jī)架冷連軋機(jī)的機(jī)列速度從90m/min,提高到240m/min,張力控制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)閉環(huán),帶負(fù)荷試車一次成功,運(yùn)行一年半時(shí)間,PLC和直流控制裝置未出現(xiàn)任何故障,設(shè)備可靠性高,經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

 

 

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