自动化控制系统在冷轧重卷线的应用
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摘要：本文介绍了西门子PLC和变频调速器组成的自动化控制系统在莱钢冷轧重卷线的应用，实现了机组的各项控制功能，从而达到稳定、高效的目的。
关键字：自动化控制系统PLC 变频调速
1.概述
重卷机组是冷轧产品的一道重要工序，用于将厚度为0.2～0.65mm的大直径钢卷经切头、切尾、切边、检查及涂油后，重卷分切成小直径钢卷，并将钢卷称重、打捆。随着市场经济的不断完善和发展，生活水平的要求越来越高，使得冷轧产品的需求量越来越大。高效稳定的自动化系统对保证冷轧产品的生产效率至关重要。本文主要介绍基于西门子PLC控制系统，如何实现重卷全线自动化控制，以及相关参数的配置。
2．重卷线自动化控制系统简介
莱钢重卷线采用西门子公司的S7―400系列及PROFIBUS-DP现场总线, 系统中配有TCP/IP协议的以太网通讯接口。自动化控制系统工作时可由操作人员通过本地计算机（HMI）设定运行参数，包括来料的各种参数，然后将这些参数与设定的机组运行速度、张力等参数进行运算后，控制变频调速器的控制指令使各个变频调速器带动电机按一定的速度比例运转。通过工控机WINCC画面实现人机交互控制整条生产线的正常运行。设备运行的状态、参数、实时过程数据都通过画面显示出来，并作为历史数据保存在数据库中。对异常情况如变频器故障、电机过热、油压异常等进行报警，并存储报警记录。自动控制各主传动电机之间的速度、张力的大小，风机、油泵的启停、阀门的开闭。系统还可以对生产数据库及历史数据库管理，并可查询及打印相关数据。
3.控制系统功能
3.1张力控制与速度控制
瞬时卷经计算：
对于瞬时卷径的计算可以根据同一时间内，导向辊上带钢走过的长度与卷筒上带钢走过的长度相等，同侧卷筒和导向辊上带钢的线速度相等，因此：
πDCNC=πDSNS
DC=NS*DS/NC
DC-----------卷筒上的带钢瞬时直径
DS-----------导向辊的直径
NC-----------卷筒的转速，以脉冲计量
NS-----------导向辊的转速，以脉冲计量
开卷机转矩计算：
张力给定Zset由Profibus DP网传给开卷机变频装置，首先由计算出钢卷的实际瞬时直径D，然后再根据直径计算出开卷机的转矩M，做为开卷机的转矩限幅，从而保证张力的恒定，具体的计算公式如下：
n=nact÷i (rmp)
πD=Vact÷n(m)
M=Zset*D/2(Nm)
Nact-----------电机实际转速
i--------------开卷机减速比rmp每分钟旋转次数
Vact------------钢带线速度
重卷机组中，开卷机控制是带卷径计算的张力控制，卷取机控制是带卷径计算的速度控制。下面进一步说明如何通过自动化的控制满足工艺的要求。
公式一：电动机的力矩
M=KMФI枢
KM----电机结构常数；Ф ----电机磁通；I枢----电机电枢电流
公式二：张力T与力矩M关系
T=2M/D
D-----带卷直径
公式三：带钢线速度
V=πDn电/60i
n电------电动机转速rmp；i------电动机和卷筒的速比
公式四：电机电枢电势
E=KCФn电
KC-------是常数
公式一、三、四带入公式二可得下面公式
T=CEI枢/V
C-------常数C=2πKM/60iKC
由此式可得E不变，V也不变，则带钢张力T与电枢电流I枢成正比。
控制框图如下：
Zset张力设定 电流输出
偏差i
计算张力Zi
卷取机的速度控制的实质是，若卷取时带钢线速度不变，采用电流调节器使I枢保持恒定，就可保证张力恒定。
Vset速度设定 电流输出
偏差i
计算速度Vi
实际上，随着带钢卷径的变化，线速度是变化的。所以可以通过电势调节器调整电动机的磁通Ф，以改变电机的转速，保持线速度恒定。或者磁通Ф一定时，通过调节电流调节器，保持张力恒定。
3.2自动分切控制
切分剪
开卷机入口转向辊 出口转向辊 卷取机
钢卷重量计算公式如下：
BG=(D2―Di2)*π/4*B*ρ
式中 BG―带钢重量；D―钢卷直径；Di―钢卷内经（=2*Ri）；
B―带钢宽度；ρ―带钢密度。
分切控制
n=BG/Gset；（n=BL/Lset）
n---分切次数；Gset----卷重设定；Lset---长度设定。
4.系统特点和优势
4.1采用了网络及现场总线传递过程数据，多种信息的交换仅依靠网缆或屏蔽双绞线即可完成，传输的数据量大并且稳定，也方便系统的维护和故障的查找。避免了模拟量传输所带来的漂移、抗干扰等问题，大大提高了系统的稳定性。
4.2操作人员、计算机与控制设备三者之间的联系均通过网络完成，人机界面可以使全线生产过程的视窗控制中心，确保安全可靠控制生产全过程。
4.3全数字化、控制器及所有控制功能均有参数设定功能，控制精度高；控制参数能通过优化功能自动设定；能方便的实现与PLC和其它装置的联网；通过相应的软件可实现张力、速度、位置、同步等高精度控制要求。
5.总结
莱钢冷轧重卷线自动化系统经过生产实践证明，控制系统稳定，控制精度高，而且抗干扰能力强，对冷轧产品的品质和产量提供了可靠的保障。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。