轧钢生产线直流电机传动控制系统技术方案

.棒线、高线传动・产品详述轧钢生产线直流电机传动控制系统技术方案1.概述本工程项目生产线为一条轧钢生产线，根据贵方要求，就轧钢生产I、II线上的6台交流绕线式电动机改用直流电动机拖动及电气自动化控制系统提供技术方案和初步报价。1.1设备配置原则：电气自动化系统是紧密配合生产工艺的。电气自动化设备的配置与选型，在满足工艺控制要求的前提下，充分考虑系统的先进性、可靠性，综合考虑设备的性价比，提出能最大限度地减少投资的方案。整个控制系统的水平，一方面要达到目前国内主流的先进水平，代表将来的发展方向。另一方面要能够安全、稳定、可靠地运行。做到低维护率、低事故率、低消耗率。1.2直流传动设备选型：由于SIEMENS公司直流调速装置以其优异的性能、可靠的质量在国内冶金行业得到了广泛应用，因此直流调速装置我们选用SIEMENS公司6RA70系列产品，而功率单元则可采用由进口生产线生产的国产可控硅元件，以节省资金。两者结合确保了整个装置具有很高的性价比。在每台6RA70数字调节装置内配PROFIBUS-DP通讯板（CBP2），作为与PLC的通讯。传动系统功率容量方面，整流回路的功率部分按电动机额定电流1.1倍长期、1.5倍短时过载运行，确保设备运行的可靠性。1.36RA70直流传动装置的特点及性能：1.3.1具有很高的轧机调速可靠性：SIMOREG6RA70系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其传动系统调速优越性有：系统调节精度0.01%静态速降 0.5%动态速降 2.5%恢复时间 250ms1.3.2接口能力强：装置本身带有参数设定单元，不需要其它的任何附加设备即可完成参数的设定。所有的控制、调节、监视及附加功能都由微处理器来实现；可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量，外部信号的连接（开关量输入/输出，模拟量输入/输出，脉冲编码器等）通过插接端子排实现，具有测速机及脉冲编码器两种测速反馈，具有单独上网能力。1.3.3保护性能强：6RA70传动装置控制精度高、抗干扰性好、运行可靠、不受元器件老化和温度漂移的影响，能长期保持稳定的控制精度；使用、调试、维护方便；具有很强的自诊断处理功能，提供有关故障原因的补充信息，具有故障标号，运行中检查的故障多，故障分类清楚，故障提示信息多，便于故障处理。1.4自动化设备选型：现场有6台轧机：分别为I线4台，II线2台；两线轧机共用一套PLC，作为控制中心的PLC所需处理的信息量较大，因而对I、II线选用西门子S7-400/CPU412-2DP系列产品，操作站工控机选用台湾研华产品，显示器选用飞利蒲21英口寸显示器。操作台用不锈钢台面，并配机旁操作箱。2.自动化网络综合考虑现场控制对象的实时性和管理职能的大信息量传送等特点，我们将整个轧线的自动化控制系统分为三级：“基础执行级、过程控制级、管理监控级”。基础执行级由带16位计算机芯片的直流传动装置6RA70系列组成，过程控制级由西门子S7-300、ET200等PLC组成，管理监控级由工业控制计算机组成。采用PROFIBUS-DP网，MPI网等工业控制网络，用于三级计算机之间的通讯，即节约大量电缆投资，总的投资省，运行安全可靠，抗干扰强，维护方便，维修率低，便于远程监控。2.1PLC硬件组成S7-400系列PLC控制器：采用德国西门子公司的SIMATICS7系列S7-400系列PLC，该系列PLC适用于大中型控制领域的可编程控制器。其功能强大、运算速度快，控制性能好，工作可靠性很高，强大的通讯能力和友好的用户操作性，坚固耐用、扩展方便；S7-400CPU的最强大功能也可用一个集成的PROFIBUS-DP接口达到，并可作为主设备或从设备设置或与扩展接口模块ET200M通讯，可连接64个站（1个ET200M站最多可插入8个模块）。最多可将164个PROFIBUS-DP站连接到主设备。数据传输率为12M位/S，这种CPU肯定加速通信过程。分布式I/O以与中央I/O完全相同的方式（即用STEP7）进行配置和编程。换言之：你不必担心通信线路！如果你在寻找实现现场分布式智能的、灵巧的方式，作为从设备连接到PROFIBUS-DP的SIMATICS7-400单元是最理想的解决方案。同时该系列PLC具有很高的电磁兼容性，可允许环境温度高达60°C，它抗冲击、耐振动，能最大限度地满足各种工业标准的考验，在冶金的连轧生产线已广泛应用，技术上已很成熟。WINCC画面组态软件：上位监控软件采用德国西门子公司WINNC组态软件，SIMATIC_WinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。无论是单用户系统，还是冗余多服务器/多用户系统，WinCC均是最佳选择。通过ActiveX，OPC，SQL等标准接口，WinCC可以非常方便地与其它软件进行通讯。WinCC还提供许多功能强大的选件，如实现在工业应用中通过Internet监视生产过程的网页浏览器可选软件包，连接MES和ERP可选软件包等。集成用户管理：使用WinCC用户管理器，可以分配和控制组态和运行时的访问权限。你还可作为系统管理员，随时（包括在运行时）建立最多128个用户组（每组最多包含128个单独的用户），并为他们分配相应的访问WinCC功能的权限。所有操作员工作站都包括在用户管理范围内，例如WebNavigator客户机。图形系统：WinCC的图形系统可处理运行时在屏幕上的所有输入和输出。你可使用WinCC图形设计器来生成用于工厂可视化和操作的图形。不管是少而简单的操作和监视任务，还是复杂的管理任务，利用WinCC标准，可为任何应用生成个性化组态的用户界面，以期实现安全的过程控制和整个生产过程的优化。2.2现场通讯网络自动化 两线轧机共用一套PLC系统网络通讯图三级自动化系统通讯中，PROFIBUS-DP现场总线和MPI现场总线、用于各过程PLC、各直流交流传动装置间、各扩展机架，管理监控级、工程师站之间的高速双向通讯。其传输介质为双绞屏蔽线。管理监控级通过现场总线将设定参数和控制指令传送到PLC，PLC通过现场总线控制指令等传送到直流传动装置，直流传动装置、现场设备将采集到的各种实时运行参数（电压电流转速转矩等），通过现场总线控制指令等传送到过程PLC和管理监控级计算机，并对这些参数进行分析、判断、计算，根据计算结果及时调节全线各轧机的运行状态，同时也把相关的电气参数在上位管理监控级计算机显示屏上显示。过程自动化级具有以下控制功能：n轧线设备的起/停、正反点动爬行、试小样以及紧急停车控制。n根据设定的基准机架的线速度，各机架的辊径和延伸率，自动生成其他各机架级联速度。n自动级联或手动速度的设定与控制。n轧机咬钢冲击速降自动补偿。n活套套量自动调节与起落套自动/手动控制。n微张力自动控制。n各调速装置的控制与参数显示。n润滑、液压与轧线的连锁与故障报警。n系统故障诊断及报警。n状态反馈信号：系统状态，转速、电枢电流、电压、励磁电流等等。2.3管理监控自动化网管理监控自动化网以PROFIBUS-DP网和MPI网构成，用以连接PLC与上位机工作站。管理级硬件配置由1台（或多台）工控机（作为上位机）、打印机等组成，其中工控机作为操作站放在主操作台室内，供操作人员监视系统运行状态，在线设定各种生产数据，在必要时可以修改数学模型，生产时供操作人员对整个系统的控制和显示实时数据功能。管理监控自动化级具有以下功能：2.3.1管理功能n根据工艺要求设定轧线设备组态。n工艺参数设定与修改。n全线生产运行状态显示与监控或区域显示与监控。n实时运行参数显示的画面切换。如线速度、转速、电流、电压、给定值等画面。n计算机程序监控、修改，检查、下载、上传。2.3.2设定画面n主菜单和子菜单。n轧机速度和轧辊辊径设定/修正画面。n轧制程序表画面。2.3.3显示画面n主轧线模拟轧制画面，实时显示各机架开/停机、过钢等过程。n各机架主要参数的数字量显示画面，包括实时线速度、转速、电枢电流、电枢电压、励磁电流等。n各机架主要参数如电流、速度等趋势棒图。n轧线故障（电机温度报警等）及PLC故障的诊断与报警画面。操作人员可通过上位机进行轧线各参数的设定，如轧制程序表的输入、修改、贮存及调用。用鼠标指定需要修改的数据后便可进行设定、选择、修改等操作。事故及报警表通过屏幕显示并可自动存盘，自动打印，传动柜故障可在人机接口上很方便地查询到故障原因，这样可大大节省故障处理时间。2.3.4画面参考n以往工程画面参考如下：2.4操作台及机旁箱（1） 由现场操作站、操作台和机旁操作箱构成直流电机控制系统。上位机站主要用于工艺和电气参数的设定、运行方式的选择等；操作台主要用于自动方式运行时的手动干预和手动操作；操作箱主要用于现场手动和检修等。当操作台使能时，操作箱操作无效。操作台内设ET200站，作为PLC柜的扩展接口。将操作台的指令和信号接入ET200站内的I/O模块内，以通讯方式读取命令或传送信号，以减少柜台之间的连线，提高可靠性。（2） 操作方式分：集中（主操作台控制）、就地（机旁控制）二种，通过上述站、台、箱，进行选择切换。保护连锁：轧机自动化系统设置了完善的连锁保护。如当润滑系统、液压系统、各可控硅装置正常时，才允许轧机起动，开轧；如果上述设备发生故障，则要发出相应的报警，视情况延时停车或紧急停车。（3） 急停和快停n急停：当面临人身危害或设备损坏时，为了安全，必须紧急停车。按急停钮后，轧机按给定积分器急停曲线停机，各电磁阀接PLC规定顺序停止工作。n快停：快停可自动，也可手动，快停时各轧机以协调、固定的比例关系快速停车。3、系统功能描述经双方技术人员的初步交流，就I、ii线直流传动自动化系统的系统描述如下：3.1、 改造设备清单如上简单工艺图所示，此次项目所改造电机及附加设备有：nI线设备：F3、F4、F5、F6四台直流电机。nII线设备：F3、F4两台直流电机。nI线F2机架与F3机架之间必须加防护罩。nI、II线共6台直流电机分别加装脉冲编码器反馈实际速度。3.2、 工艺功能描述如工艺图所示，以I线为举例说明如下：由于原F2机架的电机设备是交流电机，没有脉冲编码器反馈实际速度，实际电流也没有反馈，对原电机进行加装脉冲编码轴的难度是显而易见的，按照轧机自动控制逆调调速原理对此项目也是行不通，因为F2轧机电机速度已调定，末机架F6电机速度往前机架调速时，F3机架电机与F2机架电机速度不能协调，不仅将会造成堵钢现象，还会延慢生产工序；对此，经双方技术人员仔细探讨后，采用顺调方法即从F3机架往F6机架方向调整轧机主速度级联系统。在4台轧机机组中，各机架速度均遵循“秒流量相等”的关系设定上，公式如下：H1*V1=H2*V2=H3*V3=H4*V4式中：H1/H2/H3/H4---F机架到F6机架带钢的出口截面积；V1/V2/V3/V4---F机架到F6机架带钢的出口线速度；速度设定是由过程计算机，根据轧制工艺状况及设备能力情况，按照负载分配得到各机架出口截面积，并根据目测观察F2机架出口速度来调定F3机架线速度后，用秒流量方程推出F4、F5、F6各机架设定值；存储在上位机轧制表中，由操作人员根据所轧带钢的品种规格选择合适的轧制规程，并下传到PLC控制器中作为速度设定值，设定值与速度调节器部分微调量相加，即为主传动系统速度主导值。3.3、 电气功能描述如下直流调速系统概述图所示，作为连续式轧机，F3-F6机架间的速度保持着严格的关系，以精轧机旁的操作台上的电位器或者上位机作为F3机架电机速度主给定，级联控制沿顺轧制（F3-F6）方向进行，以确保轧材的高质量；操作台速度主给定到PLC，根据PLC内部轧制表程序和金属秒流量相等公式换算出的角速度通过DP通讯网络分别传送到F3/F4/F5/F6各机架的直流电机调速装置内部速度环，各机架电机根据实际转速反馈与给定转速形成装置内部速度、电流双闭环调速系统，操作人员根据当前轧制情况，可通过操作台上的微调开关人工手动修正各机架的速度设定值，实现速度级联稳定控制。l注：在有可能的情况下，可对F2机架和F3机架之间加装一套“电动活套”控制系统，以形成速度级联的自动控制；所谓电动活套自动级联调节指的是活套调节器根据活套量偏差产生的速度修正信号，对级联速度进行修正，从而实现机架间的速度配合；每一个速度信号将对级联方向上的所有机架的速度产生同样比例的修正作用。在轧制过程中，由于咬钢动态的速降和厚度、钢温、材质等各种外部干扰；特别针对本项目F2机架和F3机架间的速度在动态、静态不能达到完全一致的情况下，在两机架间安装电动活套检测偏差信号，调节两机架间的速度，实现两机架之间保持恒定的微张力和活套量，以避免堆、拉钢情况，进一步保证产品质量。所谓的保持轧件设定的张力恒定，就是根据上位机预设定的张力和带钢自重以及当前检测到的活套实际角度计算出活套合成力矩的电流给定；一旦两机架间的轧件发生堆拉关系发生变化，活套角度也即发生变化，同时利用新角度反馈值重新计算活套合力矩，对活套电机的电流给定进行修正；随着活套角度和活套合力矩的相互变化，有效地保证了作用于轧件上的张力恒定。起套控制：根据F2主机架电流或热金属检测器有信号后，系统先以恒定的大电流起来，当到达设定工作角范围后，以上位机轧制规程设定的带重、张力计算出当前活套角度所对应的电动机转矩，进行活套控制。落套控制：当带钢离开上游机架后，根据当前的轧制速度和机架间的距离计算落套延时时间，延时落套时，