电气自动化控制生产过程中新技术的应用

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【摘 要】本文介绍了马钢2250常规热连轧带钢生产线的工艺特点以及其电气传动系统应用效果。

【关键词】电气系统; 自动化控制系统；过程控制系统；工艺特点

1 前言

自1960 年冶金工业的第一台控制用计算机应用于带钢热连轧机辊缝和速度设定以及70 年代带钢轧制实现计算机控制以来, 30 年中计算机控制已经经历了四、五代的变迁, 控制系统的硬件和软件更新速度越来越快。冶金工业的多级冶金自动化控制系统开始呈现出新的特点, 以马钢2250 热轧带钢生产线为例: 电气传动系统更加稳定、大型化; 基础自动化系统接近分布式系统, 功能更加标准化; 过程控制级网络通讯高速化, 使得许多传统热连轧自动化控制系统中基础自动化系统的功能已经成功移植到过程控制系统, 过程控制系统的高速数据采集以及高速在线控制功能使得轧制模型计算精度已经达到了前所未有的高度; 基础自动化与过程控制系统结合更加紧密, 基础自动化系统与过程控制系统之间的界限逐渐模糊。

2 工艺布置以及工艺特点

如图(1) 所示, 马钢2250 热轧带钢生产线由三座加热炉, 大压下侧压机, 1号立辊轧机, 1号粗轧机, 2号立辊轧机, 2号粗轧机, 保温罩, 切头剪, 7机架精轧机组, 层流冷却, 3座地下卷取机以及托盘式运输线等组成。

图1 生产线线工艺布置图

跟其他传统轧线相比:

2.1 宽度控制能力更强、也更复杂

由于大压下侧压机的使用, 使得马钢2250 热轧带钢生产线的最大减宽量可达350mm, 但是由于侧压机形成的狗骨的变形恢复原理与传统的立辊轧机形成的狗骨的变形恢复原理大大不同, 因此造成了侧压机出口宽度精度不高。这就要求粗轧前的立辊轧机设定更加准确, 道次要求更加严格。

2.2 轧制节奏更快

目前, 马钢2250热轧带钢生产线的轧制节奏最高已达每小时29 卷, 接近每2 分钟1 卷。

2.3 轧制计划自由度更大

马钢2250热轧带钢生产线的自动化控制系统有丰富的手段根据实际工艺情况在线调整道次规程以满足目标要求, 同样各级自动化控制系统特别是过程控制系统能非常良好的适应来料尺寸(板坯钢种、宽度、厚度)、轧制计划(成品厚度、宽度)的突然变化,因此由于生产订单的复杂性造成的马钢2250热轧带钢生产线钢种变化频繁、成品宽度厚度跳变剧烈等等在传统热轧带钢生产线所无法容忍的轧制情况已对该生产线的生产和质量不再造成巨大影响。

3 自动化控制系统

3.1 系统组成

热轧板带生产线特点是连续、高速、实时、高精度, 在马钢2250 热连轧线控制系统完全体现了这样的特点。

3.2 高速、稳定的通讯技术

通常, 常规热轧生产线的各级自动化控制系统拥有数量种类众多的控制器, 如服务器, PLC 控制器, 单片机等等; 操作系统也五花八门, 如WINDOWS,UNIX, LINUX, VMS 或者嵌入式操作系统。为了实现简单网络拓扑上的高速稳定的通讯, 马钢2250 热轧生产线采用了EGD 技术和TCNET 技术。

3.2.1 EGD 技术

EGD 是英文“Ethernet Global Data” 的缩写,是美国GE 公司首倡的一种TCP/IP 通讯协议, 通过EGD 通讯技术, 可以实现计算机之间高速的数据交换。可以实现各种操作系统下的TCP/IP 通讯是其最大优点之一。马钢2250 热轧带钢生产线实现了过程控制服务器, 基础自动化PLC 控制器, 特殊仪表之间高速的EGD 通讯, 部分数据交换速度已达20ms。

3.2.2 TCNET 技术

TCNET 技术是日本TOSHIBA 公司研制的一种以太令牌光纤环网(根据控制要求, 也可以设置成以光纤双环网或者单环网), 通过TCNET 技术, 可以实现PLC 控制器及计算机之间高速的数据交换。通过TCNET 技术,马钢2250 热轧线PLC 控制器之间的部分数据流交换速度已达1ms, 这极大地满足了高速控制器特别是HGC 控制器之间的通讯要求。

3.3 传动系统趋于更加稳定、过载能力更强马钢2250 热轧带钢生产线, 其主传动变频器选用TMEIC 公司生产的大功率IEGT 变频器, IEGT 是英文“Injection Enhanced Gate Transistor”的缩写,IEGT 变频器为三电平交- 直- 交变频器。TMEIC 公司生产的IEGT 变频器的控制特点:系统保持高稳定性, 速度调节器拟合了反超调控制技术, 系统输出没有超调; 采用模拟跟随控制技术( SFC 控制) , 降低了冲击速降, 避免了扭振与机电共振; 功率因数控制技术, 系统功率因数为1, 电网不须要安装高次谐波滤波器与静态无功补偿装置; 使用高性能测速元件(Resolver) , 系统静态精度达0.01%, 同时IEGT 元件能忍受很高的di/dt 与dv/dt。这些特点决定了马钢2250 热轧带钢生产线的主传动系统更加稳定、过载能力更强。

在马钢2250 热轧带钢生产线X80 钢种的开发过程中, 由于X80 的特点决定需要低温轧制, 超低的出炉温度, 超低的精轧开轧温度, 超低的精轧出口温度, 超低的卷取温度, 这是对主传动系统的严重考验:

3.3.1 由于材质太硬, 粗轧区域, 上下辊的负荷分配严重不平衡, 导致了上辊负荷有时可达190%;

3.3.2 精轧F6 甚至工作在170%的过载状态;

3.3.3 当目标厚度为20mm 时, 卷取机的卷取负荷处于过载状态;即使是工作在这样苛刻的环境下, 主传动系统没有因此而跳闸堆钢, 这是以前的主传动系统所没法比拟的。

3.4 基础自动化系统

目前, 一般热连轧生产线选择的基础自动化控制系统都是使用PLC 作为主要的控制器, 马钢2250热轧带钢生产线选用TMEIC 生产的V 系列控制器, 其特点为: 微型化、网络化、PC 化、高速化、分布式。

3.4.1 马钢2250 热轧带钢生产线的基础自动化系统的主要应用功能有:

（1）全生产线物料的实时位置跟踪及数据跟踪(微跟踪);

（2）全生产线所有设备的逻辑、顺序控制;

（3）全生产线的各种自动位置控制(APC);

（4）粗轧、精轧、卷取主令控制及其他设备的速度控制;

（5）全生产线的各种辊道控制;

（6）粗轧机负荷平衡控制;

（7）飞剪控制;

（8）精轧机活套控制;

（9）板坯宽度控制;

（10）带钢厚度自动控制(AGC);

（11）全生产线的模拟轧钢。

3.4.2 V系列控制器

V系列控制器属于PLC 范围, 在实际的应用中, 使用方法与工业控制PC 计算机非常相似。其特点是:PC 化: V 系列控制器的C3CPU 模块就完全可以说是一台计算机, C3CPU 模块拥有工业PC 机的全部硬件设备, 兼容WINDOWS 2000 或者其他操作系统, 有各种外设接口(如显示设备、键盘、鼠标接口、串并口、USB 口)。同时C3CPU 模块因为是PLC控制器, 还具有PLC 控制器特有的高速I/O 访问能力。高速化: V 系列控制器的STC 控制器拥有超高速的扫描能力, 扫描速率最快可达2 ms。网络化: V 系列控制器配有普通以太网模块TN721, 通过TN721 模块, 可以对V 系列控制器进行网络配置, 配置跟普通PC 计算机网卡原理一致;完成网络配置后, 工程师可以在同一网络上的任何计算机访问任意一台V 系列控制器, 这极大的简化了工程师的工作量, 同时也为V 系列控制器的分布式特性打下了基础。

3.4.3 V系列控制器的分布式监控、维护工具VtoolVtool 是V 系列控制器的监控、维护工具工具,其特点除了简单方便外、其最大特点是分布式访问。Vtool 与V 系列控制器之间采用分布式连接技术中最为复杂的“众播通知式联接”, 因此网络中任何有效安装了Vtool 工具包的节点都可以独立自由的访问同一网络中的V 系列控制器节点,Vtool 工具与V系列控制器的任何节点出了问题不会影响其他节点。

3.4.4 高速在线数据采集

系统ODGTMEIC 提供的基础自动化系统的在线数据采集ODG 可以提供非常高速的数据采集。最高速率可达5 ms 每次。

3.5 过程控制系统

马钢2250 热轧带钢生产线不仅仅只有基础自动化系统, 其过程自动系统(L2)同样具有高速控制,高速通讯能力, 许多以往只能在基础自动系统实现的功能在马钢2250 热连轧线由过程自动系统来实现。

3.5.1 过程控制系统主要功能有:

（1）生产和控制数据的输入及管理;

（2）工艺和控制数据的在线采集和处理;

（3）全生产线物料的实时位置跟踪及数据跟踪(宏跟踪);

（4）过程自动化各项设定值的计算;

（5）模型参数自学习以实现优化控制;

（6）轧制节奏控制;

（7）终轧温度控制(FTC);

（8）卷取温度控制(CTC);

（9）过程自动化级人机对话以实现全生产线的数据监控和数据处理;

（10)全生产线的模拟轧钢;

3.5.2 软硬件产品标准化

马钢2250 热轧带钢生产线的过程控制系统的硬件系统全部选用标准化商业计算产品, 软件系统选用TMEIC 的PASolution 系统平台。

3.5.3 过程控制系统实现高速数据采集由于马钢2250 热轧带钢生产线具有高度通讯功能, 过程控制系统直接采集工艺和控制参数, 并且在线向模型计算和自学习进行反馈, 大大提高了模型计算预设定精度。

4 结束语

马钢2250 热轧带钢生产线于2007 年2 月25日轧出第一卷(比设计要求提前三个月), 3 月投入正式运行, 于2007 年6 月班产达到设计产量。2007 年8月突破设计要求顺利实现X80 的轧制。马钢2250 热轧带钢生产线自动化控制系统采用了许多最新的控制技术, 特别是大型、稳定的传动系统, 基础自动化与过程自动化一体化发展的特点更为明显。