1、引言
冷軋窄帶鋼有著非常好的市場，但很多生產(chǎn)廠的軋機設備比較陳舊，特別是電氣的裝機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，當然也影響了企業(yè)的經(jīng)濟效益。總結(jié)前人的窄帶鋼冷軋機電控裝置的設計生產(chǎn)經(jīng)驗，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為控制核心，設計制造了一套五機架冷連軋機的電氣控制系統(tǒng)，而且實現(xiàn)了速度的級聯(lián)控制和張力的閉環(huán)控制，大大提高了設備和產(chǎn)品的各項性能指標，取得了較明顯的經(jīng)濟效益。
2、系統(tǒng)介紹
2.1 機組情況
圖1 窄帶鋼五機架冷連軋機布置圖
2.2 電氣系統(tǒng)
針對窄帶鋼五機架冷連軋機的工藝特點，選擇高性能的控制元器件是滿足控制要求的關鍵。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，在主操作臺設置了IM253DP從站和一塊TP270觸摸屏，在兩個壓下控制柜和卷取控制柜分別設置了S7-200從站，同時控制1-5#機架的直流控制裝置都安裝了PROFIBUS擴展板MD24，在1-5#機架的機旁操作箱以及卷取操作臺都分別設置了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)量達到了16個。作為主站的CPU 315-2AG12，本機自帶
直流電機的直流驅(qū)動單元采用的是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)設定，并可在線調(diào)整，可編程的模擬量和開關量輸入輸出，速度反饋可選擇電樞電壓、測速發(fā)電機和碼盤，電流環(huán)參數(shù)自整定功能，裝置自檢功能，自帶小功率磁場驅(qū)動及可配套的磁場控制模塊FXM5。為了節(jié)省投資，1-5#機架直流驅(qū)動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控制模塊FXM5，采用磁場換向的控制方式，滿足點動時對反向的工作要求。
3、系統(tǒng)的控制功能
窄帶鋼五機架冷連軋機的電氣控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)：機列的邏輯控制、直流傳動控制、速度級聯(lián)控制、機架間張力閉環(huán)控制和卷取張力控制。
3.1 機列的邏輯控制和直流傳動控制
這兩部分的控制屬于基本控制，邏輯控制上主要是在容錯方面做了較多工作，因為直流裝置采用的是不可逆裝置，而工作中，各單機又需要反向點動，做好電機磁場的換向及避免各種誤操作對設備造成損壞尤為重要。直流傳動控制由于采用了全數(shù)字直流控制裝置，保證了對給定信號的快速精確和穩(wěn)定可靠地響應，并能準確地反饋各種信號。
3.2 速度級聯(lián)控制
在冷連軋機的軋制過程中，各機架的速度匹配關系應始終遵循金屬秒流量相等的原則，針對五機架連軋機，確定3#機架為機列速度基準機架，1#和2#機架按逆向級聯(lián)方式進行，4#和5#機架按順向級聯(lián)方式進行。
按照金屬秒流量相等的原則，第i機架的速度計算公式是：
Vi=Vi+1/Ki+1
公式中，Vi是本機架的出口線速度，Vi+1是相鄰下游機架的出口線速度，Ki+1是相鄰下游機架的延伸率。
有三個信號對各機架的速度產(chǎn)生影響：一是機列的主速度給定，根據(jù)主操作手給定的機列速度，按相應的級聯(lián)關系分配給各機架；二是各機架的速度微調(diào)，3#機架是基準機架，不需要速度微調(diào)，1#、2#和4#、5#機架在操作臺上各有一個微調(diào)電位器，1#和5#機架是級聯(lián)終端，它們的微調(diào)Vw1、 Vw5分別只對本機架產(chǎn)生影響，而2#和4#機架的微調(diào)除了影響本機架，還應級聯(lián)調(diào)節(jié)1#和5#機架；三是張力閉環(huán)調(diào)節(jié)信號，1-2#機架間的張力調(diào)節(jié)信號Vz12，附加給1#機架的速度給定，2-3#機架間的張力調(diào)節(jié)信號Vz23，除了附加給2#機架，還要級聯(lián)到1#機架，3-4#機架間的張力調(diào)節(jié)信號Vz34，附加給4#機架，4-5#機架間的張力調(diào)節(jié)信號Vz45，除了附加給4#機架，還要級聯(lián)到5#機架，各機架的最終速度給定如下：
5#機架：V5=V4*K5 +Vz45+Vw5
4#機架：V4=V3*K4 +Vz34+Vw4
2#機架：V2=V3/K3 +Vz23+Vw2
1#機架：V1=V2/K2 +Vz12+Vw1
作為1#和5#機架的速度微調(diào)，因為它們只影響本機架的速度給定，其實是可以直接進直流控制器的，但是為了充分利用PLC資源，利用PROFIBUS的優(yōu)點，減少現(xiàn)場布線，所以將各微調(diào)信號都送到了PLC。
3.3 張力閉環(huán)控制
連軋機機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，所以改變軋機的速度就能改變金屬秒流量，從而達到控制張力的目的。
圖3 張力控制框圖
需要說明的是，1-2#和2-3#機架間的張力控制信號對應1#和2#機架的速度給定是正極性，也就是1-2#機架間的張力偏大的時候，PID計算的張力調(diào)節(jié)信號VZ12是使1#機架的速度增加，反之減小；而3-4#和4-5#機架間的張力控制信號對應4#和5#機架的速度給定則是負極性的，也就是3-4#機架間的張力偏大的時候，PID計算的張力調(diào)節(jié)信號VZ34是使4#機架的速度減小，反之增大。
3.4 卷取機張力控制
卷取機的張力控制由卷取機的從站S7-200來完成，為了使卷取機以恒張力的卷取特性工作，就必須實時計算卷取機的帶材卷徑；本系統(tǒng)將測速輥的編碼器接入S7-200的高速計數(shù)通道中，以計算帶材長度，同時將卷取機的測速編碼器的零脈沖接入高速計數(shù)通道，在S7-200的程序中做了事件中斷，本系統(tǒng)設置了卷取機的測速編碼器每轉(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。
帶材卷徑計算出來后，即可通過程序計算出所需的卷取張力值，當卷徑較小速度又較快時，卷取電機的速度有可能超過基速，電機則需要弱磁，此時電機的力矩會減小，為了獲得恒定的力矩，需要從卷取機直流裝置中讀取電機的實時轉(zhuǎn)速，計算出弱磁的倍數(shù)，按倍數(shù)加大卷取電機的電流給定，以補償弱磁后的力矩減小。
4、系統(tǒng)特點和應用效果
4.1系統(tǒng)特點
A、 將原來人工分別調(diào)各機架速度來保持機架間張力，改造為張力自動閉環(huán)工作方式，系統(tǒng)響應的快速性、穩(wěn)定性得到了保證，消除了人為因素的影響；
B、在300S PLC的編程中，應用OB35系統(tǒng)塊的定時中斷功能，對張力閉環(huán)采取內(nèi)外環(huán)的控制方式，也就是說以3#機架為速度基準，先調(diào)用2#和3#PID環(huán)，以調(diào)節(jié)2#和4#機架的速度，在下一個循環(huán)周期再調(diào)用1#和4#PID環(huán)，以調(diào)節(jié)1#和5#機架的速度，這樣就避免了同時調(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進行，從而在整個軋制過程中實現(xiàn)了張力控制，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率；
D、 因為整個系統(tǒng)都應用了PROFIBUS通訊，省去了柜子之間以及和操作臺之間的布線，大大降低了系統(tǒng)故障率，同時在主操作臺設置了良好的人機畫面，為客戶檢修故障提供了方便。
4.2 應用效果
采用上述控制技術，窄帶鋼五機架冷連軋機的機列速度從