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六辊可逆冷轧机电气控制系统毕业论文 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外冷轧带钢的发展状况21.2.1 国外带钢冷轧机的发展概况21.2.2 国内带钢冷轧机的发展概况21.2.3 国内外对冷轧带钢控制系统的研究和开发41.3 控制系统及功能41.4 本论文的主要研究内容5第2章 轧制过程及控制系统整体设计方案72.1 轧机设备组成72.2产品生产流程72.3电控组成10第3章 控制系统的硬件配置123.1 供电系统123.1.1 高压供电系统123.1.2 低压供配电系统133.2主传动系统133.2.1主传动电机参数133.2.2全数字直流传动装置143.3控制系统163.3.1 PLC各模块的选型及参数183.3.2 现场总线与ET200M19第4章 六辊可逆冷轧机电气控制系统软件设计214.1六辊冷轧机组PLC程序设计214.2 PLC硬件组态214.3 总体程序结构框图224.4上卷小车244.5开卷机254.6 矫直机274.7左卷取机、主轧机、右卷取机控制程序294.7.1 轧机速度控制304.7.2 轧机张力控制30结论41参考文献42致谢44附录145附录248附录357附录461附录 566I第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景作为钢铁工业的主要产品形式之一，带钢已成为汽车、机械制造、化工、航空航天、民用建筑和造船等行业不可缺少的原材料。冷轧带钢产品具有表面质量好、尺寸精度高和良好的机械、工艺性能。随着现代工业技术的发展，对冷轧带钢的品种、规格和产量的要求也越来越高。与此同时，近年来随着我国经济的发展，钢材市场的需求结构也发生了巨大的变化。其中冷轧带钢成为我国缺口最大，进口最多，供需矛盾最为突出的品种，目前我国冷轧带钢生产主要存在以下几个问题：（1） 生产能力不足自1991年以来，冷轧带钢产量年递增率为约14.21%，而同期消费递增率约为31.61%，供需矛盾日益加剧，大量产品依靠进口，国产冷轧板的市场占有率不足50%。（2）品种规格不全高难度，高附加值的品种正在开发试制，虽有部分产品试制成功，但因需求有限，生产成本偏高，尚不能批量生产。（3） 质量差距较大内在质量(化学成分和力学性能)不稳定，主要是冶炼过程控制不稳定，热轧的终轧，卷取温度控制不严等造成的。尺寸精度不够高，厚度不均匀，钢板平直度不够好。因此，冷轧带钢在我国具有巨大的市场潜力。国内冶金企业将在今后相当长时间内改造、新建一批冷轧生产线。在这些冷轧生产线中，冷连轧机的特点是产量较高，但投资大，并且不适合多品种，小批量的生产，这使其使用范围受到一定的限制，而单机架冷轧机由于其投资少，产品质量高而将占有很大份额。国内现有的单机架冷轧机装备水平较低，这集中体现在设备和控制系统这两方面。首先，国内现有的一些设备比较落后，不能满足市场对冷轧带钢质量、产量越来越高的要求，因此必须对落后的冷轧机进行改造或更新。目前，世界上比较先进的冷轧机有HC，UC，CVC等。它们都具有良好的板形控制能力和较强的生产能力。其中，以UC轧机更为突出，它是在HC轧机的基础上开发出来的，与其有相似的辊系结构，除具有中间辊横移和工作辊弯辊外，又增加了中间辊弯曲和工作辊小辊径化，使其既能轧制较宽，较硬和较薄的带钢，又能获得良好的板形。其次，在控制系统中，过程控制是现代化冷轧生产不可缺少的控制手段，它是轧钢工艺在控制系统中的体现。它决定了轧制过程中的工艺制度及控制参数。模型系统计算得到的参数直接决定了生产过程是否能够顺利进行以及产品的产量和质量，因此对过程控制的模型系统做全面的、细致的掌握不仅可以维护正常生产，而且可以为改进生产制度、优化工艺参数奠定基础，而目前国内的单机架冷轧机却很少有具备完整的过程控制系统的。1.2 国内外冷轧带钢的发展状况1.2.1 国外带钢冷轧机的发展概况自1972年日立公司开发了新型冷轧机一HC冷轧机之后，世界相继出现了多种新型冷轧机，如日立公司的UC，西马克的CVC，三菱的PC，住友金属的VC等。这些轧机机型新颖，结构各异，各有独到之处。其中HC冷轧机系列（包括UC轧机)用得最广。进入90年代后又陆续开发了一些新的冷轧机及冷轧技术。如日立公司的UCMW冷轧机等。1.2.2 国内带钢冷轧机的发展概况1962年鞍钢冷轧厂建成，成为我国冷轧板生产的发源地。当时从前苏联引进了1700mm和1200mm单机架四辊可逆轧机，设计生产能力约为30万吨冷轧板卷。1978年武钢冷轧厂建成，该厂建有我国第一套1700mm 5机架串列式冷轧机，其工艺设备和技术全部由德国引进，生产冷轧板卷、热镀锌板卷及锡板、设计生产能力100万吨。1987年该厂又增建了彩涂板生产线，使我国冷轧板生产有了很大改观。80年代末至今，我国冷轧板生产有了空前的发展。1989年，宝钢建成2030冷轧厂，该厂建有2030mm5机架无头轧制冷连轧机，主要工艺设备和技术由德国、日本、美国引进，生产冷轧板卷及热镀锌，电镀锌，彩涂板卷，设计生产能力为210万吨。这使我国冷轧板生产迈上新台阶。1990年上海宜昌薄板有限公司从法国引进二手设备1220mm 5机架串列冷轧机，其他工艺设备由地利，美国引进，生产冷轧板卷，1995年增建了产能10万吨的镀锡板生产系统，总设计生产能力为50万吨。1996年，攀钢冷轧厂引进了由墨西哥转来原日立制造的新二手1220mm六辊HC四机架串列式冷连轧机，其余关键工艺设备和技术由奥地利，德国，日本引进，设计生产能力为50万吨，生产冷轧板卷和热镀锌板卷。80年代末到90年代，在沈阳、天津、无锡、南京、武汉、海口等地陆续建设了一批单机架可逆冷轧机，这些冷轧机多为生产厚度在0.4mm以上的冷轧板卷，只有武汉冷轧厂建设的1250mm六辊HC可逆冷轧机能轧制厚度很薄的镀锡基板。从此，武钢冷轧厂5机架冷轧机不再轧制镀锡基板，其生产能力扩大到120万吨。最近鞍钢冷轧厂准备淘汰运行了近40年的1200mm可逆冷轧机及1700mm可逆冷轧机。此外，我国还建设了一批电工钢及不锈钢板冷轧厂。1978年武钢冷轧硅钢片厂建有2套二十辊森吉米尔可逆冷轧机，全部工艺设备及软件均由新日铁总包，设计生产能力为7万吨电工钢，其中取向电工钢3万吨。90年代后期，该厂完成二期扩建工程，增加一套二十辊森吉米尔轧机及相应设备，使生产能力达到26.5万吨。太钢六轧厂于1998年由法国引进一套二十辊森吉米尔轧机及相应的工艺设备，生产中低牌号电工钢，设计生产能力为10万吨。1998年宝新不锈钢有限公司一期工程建成，引进日本三菱重工十二辊CRM可逆冷轧机及辅助工艺机组，设计产能8万吨。同期投产的张家港浦项不锈钢有限公司，引进美国二十辊森吉米尔可逆冷轧机2套及相应工艺设备，设计产能为I1万吨。这些冷轧厂的建成使我国到2000年已具备了大约950万吨冷轧板生产能力，其中电工钢71.5万吨，不锈钢板卷27万吨。能生产从一般商用级到超深冲级别的碳素冷轧板及高强度冷轧板一定数量的IF钢，BH钢及镀锡板、热镀锌板等。到2003年我国已建成9套冷连轧机，二十余套单机架可逆冷轧机，主要生产碳素冷板卷及涂镀层板卷；并建成11套多辊冷轧机，生产电工钢及不锈钢冷轧板卷。1.2.3 国内外对冷轧带钢控制系统的研究和开发60年代以来，自动化技术获得巨大发展，并在工业控制领域取得显著成效。美国首先将计算机用于带钢热连轧生产控制，并获得成功。在此基础上，于60年代末带钢冷连轧机组也实现了自动化控制。最初带钢连轧机组的控制系统，主要由一台中小形计算机对生产过程进行集中控制，将生产管理到轧制过程的实时控制融于一体。这种方法容易造成各功能模块工作不匹配，计算机系统软件与控制软件维护困难。一旦某个控制环节出现问题，将造成整个生产线停机，严重影响轧机的生产效率。自70年代末期，随着自动化技术的快速发展，现代化冷轧带钢生产线全部采用分布式计算机，实行分级控制。控制系统是保证带钢冷轧机正确而有条不紊地运行的不可缺少的中心环节。现代冷轧机的控制系统一般由三级计算机控制系统组成，三级机作为生产管理级，负责生产计划的输入，以及产品数据的管理，在大的企业中生产管理级还可以分为：公司管理级、工厂管理级和车间管理级等。二级机为过程控制级，主要任务有：与上下级的通讯、带钢的跟踪、轧制规程的选择和计算、设定数据的输出、以及数学模型的自学习、记录与打印报表等。一级机作为基础自动化级，具体负责轧机的速度调节、压下调节、厚度调节、张力调节和弯辊调节等功能。1.3 控制系统及功能由计算机、PLC以及各从站构成的自动化控制系统的任务是完成冷轧机生产过程的监视、数据收集及处理、过程的控制和调节。该控制系统能够自动运行的先决条件是知道每时每刻带钢在轧机的位置，从而准确的匹配所需要的参数和数据。根据生产计划首先将钢坯的各项数据、预设定的轧制速度、板带张力等存储在系统中。根据生产计划的顺序，由吊车将钢卷吊至开卷机前的上卷小车鞍座上，人工拆除捆带。钢卷由上卷小车上卷，经开卷机(具有卷纸功能)开卷，经过铲头将带钢头部从钢卷引出，通过开头机、送入轧机、再送往出口的卷取机，借助助卷器(厚带采用钳口)对带钢进行卷取并形成轧制后张力，轧机进行多道次往复轧制，轧制后的带钢经卷取机卷取后，再由卸卷小车卸卷，送往钢卷存放鞍座上。钢卷在鞍座上打捆、称重后，由吊车送到中间仓库存放。在轧制生产过程中，带钢跟踪功能根据设定点的不同位置，启动设定计算，组织协调生产过程及实际数据的测量，通过HMI画面向操作人员显示带钢实际运行的位置及其相关的数据。为了实现实现冷轧机自动化控制的任务，控制系统需要具备的功能有：通讯功能，PLC与计算机、各调速系统、远程控制箱之间通过总线或以太网实现数据的相互传输，保证数据传递的及时性与准确性。轧制程序计算，根据生产计划，按照要轧制的钢卷数据，选择最佳的轧制规范，准备相应的模型参数，进行设定计算，并把设定值传给下级系统执行控制的调节任务。故障记录系统，用于记录故障和操作信息，为分析和排除故障提供可靠的依据。1.4 本论文的主要研究内容本文的主要研究内容是1780六辊可逆冷轧机的电气控制系统，具体包括以下几个方面的内容：（1） 供配电系统：根据轧机直流电机电压等级及电机容量要求，系统配备了四台独立的整流变压器，其中1#整流变压器为主轧机供电，2#、3#整流变压器分别为左卷取机和右卷取机供电，4#整流变压器为开卷机供电。低压供电系统由供电柜向控制系统供电。（2） 主传动系统：机组主传动电机指开卷机、入口卷取机、主轧机和出口卷取机。开卷机由一台直流电动机传动，入口卷取机由两台直流电动机串联连接传动，主轧机的上下工作辊分别由两台直流电动机独力传动，出口卷取机由两台直流电动机串联连接传动。相应的为主传动电动机供电的调速装置采用西门子（6RA70系列）全数字控制的晶闸管整流装置。（3）控制系统：1780六辊可逆冷轧机基础自动化系统选用一块CPU315-2DP模块作为处理器，完成整个机组的信息采集及逻辑顺序控制。S7-300PLC通过Profibus-Dp总线与调速系统（6RA70）以及ET200M组成分布式结构，使得整个系统的配置简单、可靠、实用、便于调试和维护。PLC控制，完成的主要功能有：顺序控制、操作运转连锁、生产辅助设备运转控制、传动控制、轧机前后张力控制、机组速度控制、自动甩尾控制。机架控制，完成的主要功能有：轧机压下控制、AGC控制、弯辊控制、串辊控制等。HMI，完成的主要功能有：原始钢卷资料录入及轧制计划表存储、轧制预订计算、生产过程监控、设备状态监控、生产统计报表、故障报警、及报警记录与打印等。41 第2章 轧制过程及控制系统整体设计方案第2章 轧制过程及控制系统整体设计方案2.1 轧机设备组成1780mm六辊可逆冷轧机组机械设备由开卷机、上卷车、开头矫直机、左卷取机、卸卷车、机前装置、六辊可逆冷轧机列、机后装置、换辊装置、右卷取机等设备组成，如图1所示。图2-1 冷轧机组成2.2 产品生产流程要想有一个完美的控制系统，就必须先了解产品具体的生产流程，这样才能编写出与轧机相匹配的程序。经过大量查阅相关资料，六辊可逆冷轧机生产流程如下：机组设备的顺序控制功能就是机组的各个设备根据带钢生产工艺流程和外部连锁条件自动地顺序起动/停止。1780六辊可逆冷轧机可轧制的钢卷厚度一般为2-5mm，成品厚度为0.2-2mm，宽度为800-1600mm。钢卷由轧前库运输到轧机入口侧1#号或2#号鞍开卷位置，带头靠近鞍座以便解捆后外圈不致于松卷。开卷机钢卷小车移入，接受钢卷，将钢卷横移。在横移过程中自动进行钢卷宽度和直径的测量。随后，开卷机卷筒收缩，对中设备中心线外支撑轴承打开。在小车横移过程中，钢卷和开卷机卷筒自动对中并将钢卷装入卷筒。钢卷装入卷筒后，外支撑闭合，卷筒胀大以便把持住带卷，压辊压下到带卷表面以防止外圈松卷。钢卷小车降下，开卷机反向点动直至带头处于开卷位置。随后，穿带导板抬起并伸出到钢卷带头下的开卷位置。通过旋转开卷机卷筒，带头在穿带导板的引导下停在打开的夹送辊和直头机下。此时缩回穿带导板，直头机压下到带钢头部，往上弯曲带钢头部。根据带头情况，可反向运行带钢，使带钢头部平直，利于后续工序顺利穿带。在开卷机的卷筒和穿带导板之间安装有CPC中间位置控制装置，用其控制卷筒和机组中心线对齐，在正常轧制过程防止带钢跑偏。经过直头后的带钢，穿过降下的过渡导板，并穿过准备好的入口挡板进入轧机对中导卫，随后穿过打开的轧机，并停止在轧机出口侧。联合点动开卷机、夹送辊，带钢继续穿过打开的出口挡板，从出口转向辊上穿过。在带头穿过出口转向辊时，上辊偏导辊压靠在带钢表面，经过直头后的带钢，穿过降下的过渡导板，并穿过准备好的入口挡板进入轧机对中导卫，随后穿过打开的轧机，并停止在轧机出口侧。联合点动开卷机、夹送辊，带钢继续穿过打开的出口挡板，从出口转向辊上穿过。在带头穿过出口转向辊时，上辊偏导辊压靠在带钢表面。带头进入出口卷取机的钳口，并让带头在出口卷取机上缠绕2-3圈，在缠绕过程中开卷机和出口卷取机之间对带钢施加静张力，以便带钢紧紧缠绕在卷筒上。穿带完毕后出口穿带导板缩回。轧机前后的X射线测厚仪开进，出口安全罩关闭，开始轧制。穿带过程中，如果出现带钢偏离设备中心线，可以手动启用导位装置，轻轻排击带钢，使带钢靠近设备中心线继续穿带。轧制前或穿带过程中，由操作工在主操作室的HMI中对轧机以及机组的各个设备核定张力、辊缝、导位的开口度等初始设定值。轧机启动时，自动同步启动轧机的乳化液系统和空气吹扫系统。轧机和张力卷取机，第一道次为出口卷取机和开卷机，同步加速到设定的速度，并建立给定的轧制张力，AGC自动投入，带钢的厚度逐道减少。带钢的板形通过操作正弯和负弯辊、轧辊乳化液喷嘴集管的开启和AGC油缸的不对称调整进行手动控制。在换辊后开始轧制前应进行轧机的调零。当第一道次的轧制快结束时，机组降速到甩尾速度。当带钢尾部在开卷机卷筒上剩下2-3圈时，将轧机入口侧的夹板降下并夹持住带钢，以便在轧机和压板之间形成张力，同时轧机入口侧的夹板和开卷机之间的带钢失去张力。带尾出开卷机后停止在切断剪后方的过渡导板上切尾。同时，开卷机卷筒收缩，外支承打开，进行下个钢卷开卷的准备工作。如果上一卷带钢尚未轧制完毕，开卷机开卷后的带头，经过直头停止在直头机的出口。当第一道次轧制完毕时，入口卷取机区域的相关设备已经准备就绪，其中包括外支承闭合，卷筒钳口自动定位，穿带导板准备就绪。然后选择入口穿带导板相关按扭或选择开关，移动经切尾后的带尾直至入口卷取机的钳口上，卷筒膨胀夹紧带尾，转动卷筒并让带钢在卷筒上缠绕2-3圈后，建立起静张力，穿带导板缩回，入口和出口X射线测厚仪开进。然后选择轧机运行模式按扭，轧制过程将继续，带钢经过反复轧制直至目标厚度。其中除了最末道次外，带头和带尾从不离开卷筒。在轧制过程中，带钢跟踪以及卷径自动记忆功能自动地将轧机停止并以在卷筒上剩下圈数最少，通常为2至3圈，来进行每个道次的反向。通常在入口张力卷取机和出口张力卷取机间一直保持张力直至所有轧制道次全部完成。由于在出口卷取机侧卷取方式为下卷取，可以在轧制过程中由操作工肉眼观察带钢下表面质量并进行相应处理。根据轧制规程，最末道次轧制完毕后，带尾自动定位，可以在出口侧进行卸卷，也可以在入口侧进行卸卷。轧制完毕后，安全罩打开尾辊压住带钢尾部，带卷小车移到入口卷取机或出口卷取机下，并抬起直至接触到带卷。卷筒收缩，外支撑轴承打开，尾辊缩回，需要时可由卸卷器辅助卸卷，带卷小车移动，将带卷从卷筒上移走并运送至1#鞍座，并在此进行钢卷称重。出口钢卷小车负责横移钢卷，根据需要从第#1号鞍座移动到第#2号鞍座上并进行打捆。换辊模式下，在操作侧进行工作辊、中间辊和支承辊的更换。其中更换工作辊和中间辊由设置在操作侧的带横移装置的换辊小车迅速完成，支承辊由液压缸拉出，旧辊运至磨辊区域。2.3 电控组成轧机的电气系统主要由高压供电系统、低压供配电系统、传动系统和控制系统组成。开卷机传动为一台直流电机传动，左、右卷取机传动分别为两台直流电机串联连接传动，上、下辊传动分别为两台直流电机串联连接传动，传动装置为西门子6RA70系列直流调速系统。自动化系统为西门子S7-300PLC控制，网络有工业以太网通讯、PROFIBUS-DP等网络。S7-300PLC完成所有逻辑控制、轧机运行速度控制、卷取张力控制、轧机运行状态和数据指示功能。轧机的整个控制系统可分为三级控制系统，L0级、L1级和L2级。L0级系统为现场自动化系统，主要由6RA70和ET200M组成，它们之间通过一条PROFIBUS-DP总线连接，PROFIBUS-DP网络用于连接所有直流传动装置和现场所有的远程I/O设备。L0级系统主要实现的功能有：现场信号（温度、位置、液位等）的采集，现场执行机构的控制，直流电机的控制、现场操作箱的工艺操作控制。L1级系统为基础自动化系统，主要由CPU模块、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块、高速计数器模块、通信模块等组成。L1级系统主要实现的功能有：生产过程的参数控制，机组的联锁和顺序控制，各设备运行状态的监视和报警，液压站、乳化站等的工艺控制，主轧机的速度控制、开卷机和卷取机的速度以及张力控制，主轧机轧辊负荷平衡控制，断带检测和保护，上卷小车和卸卷小车的工艺控制，与L0、L2级系统进行通信。L2级系统为监控自动化系统，主要由装在工控机中的WinCC监控系统组成。其功能主要有：原始钢卷资料录入和轧制计划表存储，轧机预设定计算，轧制模型自适应和自学习功能，生产过程、设备状态的监控，生产准备条件，生产统计报表，历史资料存储，故障报警，报警记录与打印等。其控制系统框图，见图2-2。图2-2 控制系统结构框图第3章 控制系统的硬件配置第3章 控制系统的硬件配置3.1 供电系统3.1.1 高压供电系统供电电压为10KV，50HZ，主要为直流电动机供电。而直流电机的额定供电电压为DC440-660V，所以要用到整流变压器，以下为所用到的整流变压器技术参数：轧机主传动油浸式整流变压器，1台ZS9-4000/10，4000kVA，1022.5%/0.69kV，Ud=6.5%左右卷取机主传动油浸式整流变压器，2台ZS9-2000/10，2000kVA，1022.5%/0.69kV，Ud=6.5%开卷机主传动油浸式整流变压器，1台ZS9-630/10，630kVA，1022.5%/0. 46kV，Ud=6.5%单线图如图3-1所示图3-1 供配电系统单线图3.1.2 低压供配电系统（1）电机控制中心MCC设备由于本机组负荷较小，因此不设负荷中心。本机组负荷MCC（即电机控制中心）将采用GGD3柜，包含MCC的受电、馈出回路、UPS系统、比例、伺服阀控制回路和照明开关柜，开关柜额定短路短时承受能80kA/s。额定短路分断能力与电网短路电流相适应，Icu50kA根据需要配置必要的电流、电压表计，端子板采用Phoenix端子。单机架可逆冷轧机组设一套MCC，不同容量不同控制类型的回路至少有一个备用回路。注：主传动电动机均配置有空间加热器，这些加热器是在长期停机时防止电机绕组受潮而设置的。由本MCC供电。注：为了保证乳化液站的检修供电，需要检修电源或者备用一路供电回路。MCC设备供货清单见附录5。（2） UPS电源，为保证控制系统运行的可靠性，机组设置一套容量为10kVA的UPS电源为机组控制系统（PLC、AGC控制器、HMI设备等）提供可靠稳定电源。电池和逆变器选用进口产品。容量：10kVA，30min；进线：220V AC3.2主传动系统3.2.1主传动电机参数机组主传动电动机指开卷机、入口卷取机、轧机和出口卷取机。主传动电动机采用直流电动机，相应地为主传动电动机供电的调速装置采用西门子（6RA70系列）全数字控制的晶闸管整流装置。主传动的电动机技术参数见表3-1。主传动电动机设有若干Pt100电阻以检测电动机绕组和轴承温度。自动化系统通过16路热电阻信号放大器（FCS-1002T）循回检测Pt100的阻值，以实现对电动机绕组和轴承温度的监控。名称参数开卷机左卷取机主轧机右卷取机电动机容量（kW）350260046002600基速过载能力（倍/1min.）2.02.02.02.0高速过载能力（倍/1min.）1.51.51.51.5额定电枢电压（V）440660660660额定电枢电流（A）865981981981额定励磁电压（V）220220220220励磁方式他励他励他励他励额定励磁电流（A）2432632.6326表3-1 主传动电动机技术参数3.2.2 全数字直流传动装置冷轧机组直流电动机驱动装置内部的混装直流模块采用SIEMENS公司6RA70全数字控制单元，保证动态、静态调节品质，提高系统的抗干扰能力。混装直流模块与SIEMENS公司的6RA70全数字控制单元完美配合，使装置具有完善的故障保护功能；具有过压、过流、超速、失速、电网电压过高、过低、速度反馈故障等等。便于判断、检查、维护。励磁控制单元与之配套，为非独立励磁系统。其接线图，如图3-2。图3-2 6RA70与电机接线图传动装置配置PROFIBUS卡，完成与控制系统的通讯；通讯内容有设备起/停、速度设定、速度反馈、故障信息等。为主传动电动机供电的全数字晶闸管整流装置将采用SIEMENS公司6RA70系列全数字控制系统，装置配置有PROFIBUS-DP网卡，可实现与S7-300PLC（或WINAC）自动化系统快速地通讯。主轧机上、下工作辊分别由一台电机驱动，两台电机独立供电调速，考虑负荷均衡和速度匹配。入、出口卷取机各由两台电机同轴驱动，卷取机的两台电机独立供电调速，考虑负荷均衡并带有张力控制。主传动装置的主要技术参数见表3-2。表3-2主传动装置的主要技术参数开卷机入口卷取机可逆轧机出口卷取机传动装置型号及数量6RA7018-6DV62-0 1套6RA7018-6DV62-0 2套6RA7018-6DV62-0 4套6RA7018-6DV62-0 2套传动整流进线电压（AC V）460690690690传动整流输出电压（DC V）480725725725传动整流额定输出电流（DC A）2000200020002000励磁电压（DC V）220220V220V220V励磁电流（DC A）255050503.3 控制系统六辊可逆冷轧机控制系统的核心设备是可编程控制器，可编程控制器（PLC）是专门为工业过程而设计的控制设备。自1968年诞生以来，经过不断地创新与发展，尤其是PLC被应用到计算机、通信、自动控制等领域，使得PLC不但能够完成简单的逻辑运算，在模拟量控制、网络通信、HMI等领域的应用也越来越广泛和深入。德国西门子公司推出的S7-200/300/400等一系列的PLC，满足了不同场合的工业要求越来越受到用户的欢迎。PLC主要有以下六大特点。1. 高可靠性（1） 所有的I/O接口电路均采用光电隔离，是工业现场的外电路与PLC内部电路之间在电气上隔离；（2） 各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10-20ms；（3） 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；（4） 采用性能优良的开关电源；（5） 对采用的器件进行严格的筛选；（6） 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止事故扩大。2. 可编程PLC控制系统的控制作用的改变主要不是取决于硬件的改变，而是取决于程序的改变。即硬件柔性化。柔性化的结果使整个系统的可靠性提高，给控制系统带来一系列好处。计数器、定时器、继电器等器件在PLC中变成了编程变量，控制作用的实现更加容易。3. 丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈和控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，PLC还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，他还有多种通信网络的接口模块。4. 采用模块化结构可以适应各种工业控制需要除了整体式的小型PLC以外，绝大多数PLC军采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源和I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要进行自由组合。5. 安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需要将现场的各种设备与PLC相应的I/O端口连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用了模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。3.3.1 PLC各模块的选型及参数可编程控制器的硬件系统主要由CPU、存储器、输入单元和输出单元等部分组成，其中，CPU是PLC的核心,输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与PLC之间的接口电路，也称为输入接口和输出接口。此外，可编程控制器的硬件系统还包括通信接口、扩展接口和电源等。整体式的PLC，其所有部件都装在同一机壳内；对于模块式的PLC，各部件封装成模块，各模块通过总线连接安装在导轨上，如图3-1所示。图3-1 模块式PLC的硬件结构此次六辊可逆冷轧机控制系统选用的是西门子S7-300PLC，S7-300PLC完成所有的逻辑控制、轧机运行速度控制、卷取张力控制、轧机运行状态和数据指示功能。以下是PLC主站控制系统自动化配置清单如表3-3所示。表3-3 PLC主站自动化配置清单序号名称型号数量1主机架(11槽)6ES7 390-1?0-0AA012CPU315-2DP6ES7 315-2AF00-0AB013电源6ES7 307-1KA00-0AA014DI(16)6ES7 321-1BH00-0AA025DO(16)6ES7 322-8BH00-0AB016AI(8)6ES7 331-7KF02-0AB017AO(8)6ES7 332-5HF00-0AB018CP343-1高级以太网处理器（4口）6GK7 343-1EX00-0XE013.3.2 现场总线与ET200M在大型的工业自动化现场，一般都配置了数量庞大的传感器、执行器、远程I/O、仪器、仪表、控制器等一系列的现场设备。这些设备传送或接收的既有模拟量信号也有数字量信号，他们都必须接收现场控制器的控制，其中模拟量信号必须经过变送器转换成4-20mA或0-10V的标准信号后与控制器连接。1984年，现场总线的概念得到了正式提出并逐渐应用到工业现场，从而取代传统的控制方式。所有集成了现场总线接口的设备都被挂接到现场总线上，控制器与现场设备之间仅通过一根总线电缆相连，结构非常简单，节省安装费用和维护开销。控制器与现场设备可以实现双向数字通信，克服了模拟信号精度不高、抗干扰能力差的缺点，提高了系统的可靠性。自动控制系统的体系结构正在由模拟与数字的分散型控制系统向全数字现场总线控制系统转换，现行的现场设备和仪表的产品结构也将发生重大的改革。现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；同时也为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。这里选用的是PROFIBUS-DP总线，PROFIBUS-DP用于分散外设与控制设备间的高速数据传输，适用于加工自动化领域，可以取代4-20mA的模拟信号传输。PROFIBUS-DP使用了ISO/OSI模型的第一层（物理层）和第二层（数据链路层），使网络获得较高的传输速率。PROFIBUS-DP特别适合于PLC与现场分布式I/O（如SIEMENS的ET200）设备之间的通信。PROFIBUS-DP使用RS485传输技术，传输介质可以采用屏蔽双绞线和光纤等。网络拓扑结构可以采用树形、星形、环形以及冗余等结构.每一个网段最多可以组态32个站点，多于32个可以使用中继器，整个网络最多可以组态127个站点。PROFIBUS支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种模式。主站与主站之间采用的是令牌的传输方式。组建系统时，通常需要将过程的输入和输出集中集成到该自动化系统中。如果输入和输出远离可编程控制器，将需要铺设很长的电缆，从而不易实现，并且可能因为电磁干扰而使得可靠性降低。轧机控制系统设置一个主操作台，和四个机旁操作箱。分别为入口开卷区域ET200站控制箱、入口卷取区域ET200站控制箱、轧机区域操作台、出口区域ET200站操作箱以及液压、乳化区域ET200站操作控制箱。设备清单见表3-4。表3-4 操作箱设备清单序号名称型号数量1ET200接口模块6ES7 153-1AA01-0XB052DI(32)6ES7 321-1BL00-0AA023DI(16)6ES7 321-1BH00-0AA034DO(16)6ES7 322-1BH00-0AA045AI(8)6ES7 331-7KF00-0AB046AO(8)6ES7 332-5HF00-0AB047PROFIBUS连接器6ES7 972-0BA41-0XA05第4章 六辊可逆冷轧机电气控制系统软件设计第4章 六辊可逆冷轧机电气控制系统软件设计4.1 六辊冷轧机组PLC程序设计使用的软件是Siemens公司的STEP7，它是用于SIMATIC S7-300站创建可编程控制逻辑程序的标准软件，可使用语句表、梯形逻辑、功能块图等编程。通过它可以对PLC系统的硬件和网络进行组态，编辑、上传、下载用户程序，在线监测、调试、修改程序，并可对程序运行调试过程中出现的警告信息和故障进行在线诊断。通过STEP7，可以方便地创建一个PLC自动化系统的解决方案。4.2 PLC硬件组态硬件构成等在STEP7中构成，如图4-1所示。图4-1 系统构成然后进行系统组态，硬件组态通过STEP7的子模块完成，在硬件组态中主要完成以下工作：(1)组态PLC机架从硬件目录中选取和实际硬件相符合的CPU以及数字量与模拟量模块放入主机架相应的槽位中，设置CPU的相应属性，如循环扫描监视时间、启动特性、定时中断时间等，设置各信号模块(AI，AO，DI，DO)以及通信模块的I/O通道基地址。(2)组态PROFIBUS-DP网络设置现场总线的网络类别为DP类型以及总线的传输速率1.5Mbps，将各DP从站(调速器分布式I/O)挂接到总线上，为每个从站分配唯一的站地址，确定每个DP从站的PPO类型以及I/O通道所占用的字节数以及基地址。(3)编译并下载硬件组态当所有硬件组态完毕通过编译检查无误下载到PLC的CPU模块中后，硬件组态完成。STEP7中硬件组态的画面如图4-2所示。图4-2 系统硬件组态图4.3 总体程序结构框图PLC主流程主要包括机组部分和压下部分，机组部分所涉及的范围较广，要同时考虑液压泵、润滑泵等。在机组单动的时候，主传动电机与辊道电机相互独立，两两均由PLC控制其动作。在机组连动时，正常启动其他外部设备后，PLC向主电机控制单元发送运行信号，接收到该信号后，主控单元开始检测内部装置，在检测完电枢、内部风机、水泵等各状态正常后向PLC发出主电机正常信号，PLC接收到主电机发出的正常信号，同时检测到辊道、液压泵、润滑泵等设备正常后便向主传动电机，辊道电机发出允许运行信号。压下部分主要指压下电机调整压下辊的辊缝。辊缝的大小直接影响加工的精度，它与机组部分相互独立。其软件总流程图如图4-3。图4-3 PLC主流程图4.4上卷小车钢卷小车在左端装载钢卷，运行至右端，然后将钢卷装入开卷机，空载后返回左端。开卷小车在左右两端的位置时，限位开关提供信号。钢卷小车空载或满载时，传感器提供信号。操作面板上右启动（ON）按钮、停止(OFF)按钮、复位（RESET)按钮和自动/手动（AUTO/MAN)按钮。此外，还有手动控制按钮工作的按钮，它们是前进、后退。手动控制按钮在手动模式下有效。初始状态为空载并为于左端，复位后，回到初始状态。数字量输入地址定义如表4-1所示。数字量输出地址如表4-2所示。表4-1数字量输入地址定义地址数据类型注释I2.0BOOL小车启动按钮I2.1BOOL小车停止按钮I2.2BOOL小车复位按钮I2.3BOOL自动开关I2.4BOOL手动开关I2.5BOOL手动向右I2.6BOOL手动向左I2.7BOOL左限位开关I3.0BOOL右限位开关I3.1BOOL满载传感器I3.2BOOL空载传感器表4-2 数字量输出地址定义地址数据类型注释Q2.OBOOL运行方向，=1向右，=0向左Q2.1BOOL运动或停止，=1向右，=0向左Q2.2BOOL装载Q2.3BOOL卸载Q2.4BOOLON指示灯Q2.5BOOLOFF指示灯钢卷小车的PLC控制程序流程图如图4-1所示。图4-4 钢卷小车PLC程序流程图4.5开卷机开卷机数字量输入地址定义，如表4-3所示。数字量输出地址定义，如表4-4所示。表4-3 开卷机数字量输入地址定义地址数据类型注释I3.3BOOL开卷机卷筒缩I3.5BOOL开卷机卷筒缩接近开关I3.4BOOL开卷机卷筒伸I3.6BOOL开卷机卷筒伸接近开关I3.7BOOL开卷压辊抬起I4.1BOOL压辊抬起接近开关I4.0BOOL开卷压辊压下I4.2BOOL左穿带导板伸I4.3BOOL左穿带导板收I4.4BOOL开卷机外支撑打开I4.5BOOL开卷机外支撑收回表4-4 开卷机数字量输出地址定义地址数据类型注释Q2.6BOOL开卷机卷筒缩Q2.7BOOL开卷机卷筒伸Q3.0BOOL开卷机外支撑打开Q3.1BOOL开卷机外支撑收回Q3.2BOOL开卷机压辊压下Q3.3BOOL开卷机压辊抬起Q3.4BOOL左穿带导板伸Q3.5BOOL左穿带导板收其PLC程序流程图，如图4-5所示。图4-5 开卷PLC程序流程图4.6 矫直机矫直机位于开卷机和左卷取机之间，夹送矫直机用于将开卷机传送的带钢头部矫直，切头剪用于将带钢头部切齐，以利于带钢的穿带轧制。矫直机的数字量输入地址定义，如表4-5所示。数字量输出地址定义，如表4-6所示。表4-5 矫直机数字量输入地址定义地址数据类型注释I4.6BOOL夹送矫直机冲动I4.7BOOL矫直机冲动停止I5.0BOOL矫直机压下I5.1BOOL矫直机抬起I5.2BOOL摆动台抬起I5.3BOOL摆动台回程I5.4BOOL摆动台接近开关1I5.5BOOL摆动台接近开关2I5.6BOOL切头剪压下I5.7BOOL切头剪复位I6.0BOOL右导板抬I6.1BOOL右导板降I6.2BOOL左导板抬I6.3BOOL左导板降I6.4BOOL右导板伸I6.5BOOL右导板缩I6.6BOOL左导板伸I6.7BOOL左导板缩表4-6 矫直机数字量输出地址定义地址类型注释Q3.6BOOL矫直机正冲Q3.7BOOL矫直机压下Q4.0BOOL矫直机抬起Q4.1BOOL摆动台抬起Q4.2BOOL摆动台将Q4.3BOOL右导板抬Q4.4BOOL右导板降Q4.5BOOL左导板抬起Q4.6BOOL左导板降Q4.7BOOL右导板伸Q5.0BOOL右导板缩Q5.1BOOL左导板伸Q5.2BOOL左导板缩Q5.3BOOL切头剪压下Q5.4BOOL切头剪复位开头矫直机的PLC程序流程图，如图4-6所示。图4-6 开头矫直机程序流程图4.7左卷取机、主轧机、右卷取机控制程序板带材轧制的主要环节集中在左卷取机、主轧机、右卷取机之间，其中的轧制过程颇为复杂。包括机组速度主令控制、张力控制、液压辊缝控制、串辊、弯辊控制等。本节重点还是定义这几个设备的输入、输出量，并且介着轧机的速度以及张力控制原理。4.7.1 轧机速度控制速度设定,是按照工艺要求，从上位机进行设定,通过以太网传递给PLC，PLC再分别传送到各个传动系统。速度设定是以主机架为线速度基准速度，通过设定工作辊的直径与减速箱的减速比,分别给出上下辊的转速给定值。根据控制功能，速度设定有正反向点动设定，用于故障处理；穿带速度设定,用于生产前轧机穿带；重卷速度设定，用于轧制后分卷；轧线速度设定，用于正常轧制情况。机组的速度可从轧制表中获取，也可由操作人员根据实际情况及经验进行调整。速度通过脉冲编码器测量。主操作台上设有：“升速（Speed Up）”、“降速(Speed Down)”、“保持(Hold)”、“快速停止(Quick Stop)”、“紧急停止(Emergency Stop)”等按键，其功能如图4-7。图4-7 机组速度控制图4.7.2 轧机张力控制在生产过程中，如果带钢张力不稳定，将影响带钢厚度控制的精度，同时还容易造成断带、折叠、跑偏等故障。系统采用间接张力控制，通过对卷取机电流的检测来间接计算带钢张力。PLC根据设定的张力值和机械设备的参数换算为电动机转矩值，并将此转矩设定值下达给全数字直流调速装置，由传动装置自动完成电动机转矩的死循环控制。卷取机系统,若忽略电动机的空载损耗,则有如下关系: (4-1)式中为电动机的电磁转矩；为电动机磁通；I为电动机额定电流;为机电时间常数；F为卷取机张力；D为卷径；i为机械减速比。由式(4-1)可知卷取机张力控制可近似看为卷取机的转矩控制，为保证张力控制的精度和稳定性，控制系统要获得线速度和卷径两个重要的变量。线速度测量,是通过PLC系统读取卷取机前的偏导辊上脉冲编码器进行计算而获得的。是卷径计算需要的一个重要变量。设偏导辊直径为D,每转一周发出L个脉冲，速度采样周期为T(ms),在一个采样周期共计得X个脉冲，则实际