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攀鋼線材廠西門子控制系統的設計與應用

供稿:中國工控網 2003/11/24 0:00:00

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1 改造背景
目前,攀鋼線材廠的生產工藝較低,原設計的精軋機線速度為50米/秒,而現在最大只能達到30米/秒。軋線上的輔助設備也未全部使用,不能實現全線高效自動聯動控制和機架間的活套檢測控制,各機架的速度調整只能由操作工手動操作,經常出現拉鋼或堆鋼現象,嚴重影響軋制產量和質量。另外,因無預精軋機組,現在生產的產品規格、品種也受到嚴重限制。攀鋼集團公司針對攀鋼線材廠精軋區目前因采用模擬式直流可控硅傳動裝置而存在控制精度不高、設備運行不穩定、維護調試困難、產品產量低、產品質量及品種規格已難滿足市場要求等具體問題,準備對攀鋼線材廠精軋區的模擬式直流可控硅傳動裝置進行改造,全部改為全數字直流傳動裝置(注:根據攀鋼線材廠的招標要求,全數字傳動裝置必須選用ABB公司的產品),同時增加基礎自動化控制系統。另增加預精軋機組,以達到提質降耗、擴大品種的目的。2 攀鋼線材廠控制系統的設備選型及配置
由于該項目為中標項目,所以在控制設備選型方面存在較大的風險。當時我們面臨幾個難以決定的技術問題:
  1)如何通過PROFIBUS完成S7PLC控制器與ABB公司的全數字傳動裝置進行通訊(注:當時在國內只有沈陽造幣廠采用過這種通訊模式,但還僅處于調試階段);
  2)如何用最少的錢實現二級網絡控制;
  3)如何在S7PLC控制器中完成飛剪控制功能,實現快速響應的目的;
  4)用全套西門子的控制系統(包括控制器、網絡、軟件等)來完成高速線材的控制在國內還沒有,完全由我們自己設計,能否達到目的。為了克服上述問題,達到最佳的控制效果和控制配置,我們從理論和實際兩個方面作了大量而深入仔細的工作。一方面,收集了許多與西門子公司控制設備及控制系統有關的技術資料,并組織專人對有關問題進行分析研究,同時寫出針對性很強的技術分析報告和相關技術附件;另一方面,又組織專人北到沈陽、北京,南到昆明、成都,去各線材廠和相關研究單位考查學習,同時與西門子公司及ABB公司方面專家進行了廣泛的技術交流,最后對攀鋼線材廠新增基礎自動化系統作出了如下的設備選型和配置。如圖一所示。



  攀鋼線材廠精軋區改造后的生產工藝特點是:A、B兩條線材生產線相對獨立作業,并且生產工藝條件完全一樣。根據其生產特點,我們作了如圖一所示的設備配置和控制思路,即A、B兩線分開控制,各選用一套西門子公司的S7-400PLC(注:PLC電源為PS407/10A、CPU為CPU414-2 DP、H1網的通訊接口板為CP443-1TF、計數器模塊為FM450-1、另外還配有一塊16點的模擬量輸入板/二塊8點的模擬量輸出板/四塊32點的數字量輸入板/二塊32點的數字量輸出板/二塊16點帶繼電器的數字量輸出板)作為其控制系統;另外A、B兩線S7PLC控制器與遠程控制單元(ET200)及傳動裝置之間通訊完全獨立,其通訊網絡均選用PROFIBUS-DP網(注:通訊電纜為屏蔽雙絞線)。為了便于生產操作和生產管理,我們的設計思想是A、B兩線共用一個監控站,A、B兩線各設一個操作站,同時要求A、B兩線操作站能互相冗余。要實現上述目的,則A、B兩線的操作站、共用監控站、A、B兩線的S7-400PLC控制器之間的通訊采用SINEC H1網絡系統(注:總線適配器為TRANSCEIVER/雙口/單口,通訊電纜為727-0 LAN主通訊線及727-1 LAN輔通訊線)。
  A、B兩線操作站的PC機選用研華586系列工控機,其基本配置為:內存64M、硬盤3.5G、3寸軟驅、主頻300Hz、19寸彩色顯示器(注:PC機內置一塊CP1413通訊接口板,用于將PC機連接到H1網上)。
  ABB公司的全數字整流傳動裝置配有一塊NPBA-02通訊接口板用于PROFIBUS網絡連接。
  A、B兩線操作臺的數量及大小主要是根據生產工藝來進行設計,其分布為在4#主操作室內置有一臺用于A、B兩線的主操作臺,在5#操作室內置有一臺用于A線的操作臺,另外在現場配有兩個就地操作箱分別用于預精軋機和精軋機操作。4#主操作室內主操作臺配有一個遠程I/O單元(ET200M)用于4#主操作臺與S7PLC控制器之間通訊。A、B兩線S7-400PLC控制器安裝在2#主電室內,監控站安裝在計算機室內,操作站安裝在4#主操作室內。
A、B兩線分別用了6個熱金屬檢測器、三個活套檢測器和三個紅外雙色測溫儀。熱金屬檢測器主要用于檢測軋線上的軋件位置,以完成軋件的自動邏輯順控;活套檢測器主要用于軋件的活套調節,以實現軋件的無張力軋制;紅外雙色測溫儀主要用于軋件溫度檢測,以實現軋件的溫度控制。
  A、B兩線的電機軸上分別安裝有增量式編碼器(1024個脈沖)。飛剪園盤剪上另外還裝有一個位置式增量編碼器(帶Z脈沖),精軋傳動是通過雙電樞同軸電機來實現的,其主從控制方式是通過切換開關來完成;2#預精軋電機的增量式編碼器應該有二個,但實際上只有一個,因此只有通過端子上并接出兩路,一路送傳動柜,而另一路送PLC計數器模塊,以實現飛剪同步剪切。
其操作站及監控站工控機的供電分別由3000KVA的UPS電源完成。另外在主操作臺上配有二臺LQ1600打印機用于生產實時打印。3 攀鋼線材廠控制系統軟件的設計說明
根據上述的設備選型及系統配置,我們可以看出這種設計是合理的,它充分發揮了西門子產品的優勢和其便捷的通訊網絡。在全數字傳動柜的設計成套過程中,我們還選用了西門子S7-200PLC控制設備用于內部邏輯控制,最終結果表明這種配置達到了滿意的效果。
當控制設備選型及系統配置完成后,其相應的開發軟件和應用軟件也就確定了。在這套控制系統中我們配置了如下應用軟件:
  1)S7-200開發編程軟件一套;
  2) S7-400 / STEP 4.0版本編程軟件二套(監控站配有一套STEP 4.0,平時可作為編程器通過H1網對A、B兩線的S7-400PLC控制器進行編程;另一套STEP 4.0安裝在專用PC編程機上);
  3) WinCC / 4.0管理編程軟件RT256二套;
  4) WinCC / 4.0管理編程軟件RC256一套;
  5) CP1413通訊驅動軟件三套;
  6) S7-NCM H1網絡組態軟件二套;
  7) FM450-1高速計數模塊組態軟件一套;
  8) ABB通訊模塊NPBA-02的通訊驅動軟件一套?! 】梢钥闯?,上面所述的各項管理編程軟件均為西門子公司近幾年隨新一代PLC控制產品開發出來的新軟件產品。其各項性能指標均優于過去開發的產品。下面我們將分別說明其用途:S7-200 / STEP2.0編程軟件主要用于S7-200PLC編程,完成生產線上各全數字傳動柜內部的邏輯控制程序設計;S7-400 / STEP4.0編程軟件主要用于S7-400PLC編程,完成線材A、B兩線生產線上的邏輯順控程序、活套控制程序、飛剪控制程序、事故報警程序、通訊數據程序等的設計;FM450-1高速計數模塊組態軟件主要用于高速計數模塊的組態和定義其的工作特性(如編碼器類型、供電電壓等級等相關參數);ABB通訊模塊NPBA-02的通訊驅動軟件主要用于ABB傳動裝置在PROFIBUS網上的通訊組態;S7-NCM H1網絡組態軟件主要用于S7-400PLC在H1網上的通訊組態;CP1413通訊驅動軟件主要用于研華586系列工控機在H1網上的通訊組態;WinCC / 4.0管理編程軟件RT256(或RC256)是一個通用的系統,在自動化領域中可用于所有的操作員控制和監控任務。在這次線材改造項目中,我們使用其開發管理、操作上的監控畫面和操作畫面(其主要畫面有:生產啟動、運行聯鎖條件監視畫面、軋制作業表計算及下裝畫面、各傳動柜電流/轉速實時顯示畫面、報警清單、各機架電流/線速度歷史曲線顯示畫面、現場工藝顯示畫面等)。
4 攀鋼線材廠控制系統的控制功能設計說明
速度設定以中軋機組為基準。全線各機組的速度設定都是根據金屬秒流量相等的原理來進行的?,F將速度設定過程說明如下:
  一般情況下,軋線上的各機組速度設定都是從最后一道次機組的速度開始往前進行速度分配的。但由于線材廠的中軋機轉速恒定,故速度設定以中軋機末架出口線速度為基準速度,中軋機末架出口線徑為φ21-φ24mm, 根據金屬秒流量相等的原理可求出精軋機及預精軋機的出口線速度,夾送輥及吐絲機的線速度設定略高于精軋機出口的線速度,飛剪切頭時的速度設定值取2#預精軋機線速度的1.03~1.05倍,飛剪切尾時的速度設定值取精軋機第一架線速度的1.03~1.05倍?,F將設計的幾個主要控制功能說明如下:  A、邏輯順控功能
  我們設計的全線邏輯順控程序的基本思想是:首先檢查所有運行條件及啟動條件是否準備好,若一切條件OK,則調用速度子程序,以完成所有機架的速度設定(含實際速度設定、動態速降補償及手動速度修正值,各機架的速度設定通過軋制規程表完成計算)。在軋制生產時,當2#熱金屬檢測器檢測信號為1且3#熱金屬檢測器檢測信號為0時,則判斷為軋件頭部,當2#熱金屬檢測器檢測到線材頭部時,延時T1秒,若1#預精軋機的咬鋼信號為1或2#熱金屬檢測器檢測到線材頭部后延時4.5秒,則打開1#側活套起套管;同理,當1#熱金屬檢測器檢測信號為0且2#熱金屬檢測器檢測信號為1時,則判斷為軋件尾部,延時T2秒后,調用1#側活套消套子程序。
當軋件頭部到達2#熱金屬檢測器檢測位置時,延時T3秒,若3#熱金屬檢測器未檢測到線材頭部,則預精軋機故障報警,啟動1#預精軋卡斷剪卡住軋件,進行故障處理,故障處理后,各機組恢復到待軋狀態;反之,若2#預精軋機的咬鋼信號為1時,則推出立活套起套輥,同理,當2#熱金屬檢測器檢測信號為0且3#熱金屬檢測器位置檢測信號為1時,則判斷為軋件尾部,延時T4秒后,調用立活套消套子程序。
當3#熱金屬檢測器位置檢測信號為1時,硬接線觸發計數器1計數,當計數值達到設定值時,調用飛剪切頭子程序;同理,當2#熱金屬檢測器位置檢測信號為0且3#熱金屬檢測器檢測信號為1時,則判斷為軋件尾部,當3#熱金屬檢測器位置檢測信號為0時,硬接線觸發計數器1計數,當計數值達到設定值時,調用飛剪切尾子程序。當3#熱金屬檢測器檢測信號為1且2

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