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    隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，各級(jí)用戶對(duì)熱鍍鋅產(chǎn)品提出了更高的質(zhì)量要求，為了滿足這一要求，熱鍍鋅機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)必須具備如下特點(diǎn)：全數(shù)字化，高速度、高精度、高響應(yīng)；可靠性高，免維護(hù)性強(qiáng)；三電一體化，效率高，投資省；兼容性強(qiáng)，開放性好，便于開發(fā)和發(fā)展。

    某公司熱鍍鋅機(jī)組于2010.8順利實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷試車一次成功，目前正處于生產(chǎn)爬坡階段，其自動(dòng)控制系統(tǒng)采用了西門子自動(dòng)化產(chǎn)品，本文就其系統(tǒng)配置和特點(diǎn)、速度以及張力控制作一闡述。

    眾所周知，自動(dòng)控制系統(tǒng)一般采用分級(jí)式層次結(jié)構(gòu)，包括L2過(guò)程控制級(jí)、L1基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)以及L0現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行級(jí)，另機(jī)組中的退火爐采用獨(dú)立的DCS（含數(shù)學(xué)模型）進(jìn)行控制，限于篇幅，本文對(duì)L2及退火爐控制系統(tǒng)不作描述。

    1 工藝簡(jiǎn)介

    本機(jī)組采用美鋼聯(lián)工藝，在退火爐前設(shè)置清洗段，采用電解脫脂，可將帶鋼表面油污完全去除；采用全輻射管還原爐加熱帶鋼，因而鍍鋅層的表面質(zhì)量較好。機(jī)組設(shè)置3個(gè)立式活套，用于動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存帶鋼，緩沖和調(diào)節(jié)各段之間的生產(chǎn)節(jié)奏，確保機(jī)組連續(xù)生產(chǎn)。機(jī)組主要由入口段、工藝段、平整段及出口段4部分組成。

    入口段：步進(jìn)梁→鋼卷鞍座→鋼卷小車→開卷機(jī)→矯直機(jī)→入口剪→焊機(jī)→月牙剪→1號(hào)張力輥→入口活套。
工藝段：2號(hào)張力輥→清洗段→3號(hào)張力輥→跳動(dòng)輥→退火爐（由預(yù)熱段、加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段、熱張輥、爐鼻子等組成）→鋅鍋→氣刀→鍍后冷卻塔→5號(hào)張力輥。

    平整段：中間活套→6號(hào)張力輥→四輥平整機(jī)→7號(hào)張力輥→拉矯機(jī)→8號(hào)張力輥→后處理→9號(hào)張力輥。

    出口段：出口活套→月牙剪→圓盤剪→10A號(hào)張力輥→檢查臺(tái)→10B號(hào)張力輥→涂油機(jī)→飛剪→卷取機(jī)→鋼卷小車→鋼卷鞍座→鋼卷稱重與打捆→步進(jìn)梁。

    2 系統(tǒng)配置

    2.1 概述

    基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)采用SIMATIC S7-400可編程邏輯控制器（PLC），包括機(jī)架、電源模塊、中央處理單元（CPU）、信號(hào)模塊、接口模塊、功能模塊、通訊模塊等。軟件開發(fā)平臺(tái)為STEP 7、CFC、D7-SYS、GRAPH等，編程語(yǔ)言包括順序功能流程圖、結(jié)構(gòu)文本、功能塊圖、指令表、梯形圖。

    人機(jī)接口（HMI）采用Server/Client結(jié)構(gòu)，由1臺(tái)服務(wù)器、若干臺(tái)客戶機(jī)以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。服務(wù)器管理著過(guò)程通訊、數(shù)據(jù)存貯以及與客戶機(jī)的通訊；客戶機(jī)作為操作站，顯示從服務(wù)器發(fā)出的數(shù)據(jù)，接受操作員的輸入，并將它傳送至服務(wù)器。人機(jī)接口軟件采用WinCC，包括服務(wù)器版、運(yùn)行版和開發(fā)版。

    系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用三級(jí)架構(gòu)，HMI服務(wù)器與PLC之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP，ISO/OSI）進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，其最大通訊速率為100Mbps；HMI服務(wù)器與客戶機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)（TCP/IP）進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；現(xiàn)場(chǎng)總線采用當(dāng)今最重要的標(biāo)準(zhǔn)Profibus-DP，其數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6K～12Mbps，傳動(dòng)裝置配有CBP2通訊模塊與PLC進(jìn)行通訊。

    傳動(dòng)控制系統(tǒng)采用現(xiàn)代矢量控制（VC）的代表SIMOVERT MasterDrives 6SE70變頻裝置，主要由公用整流器、直流母線以及逆變單元三部分組成。逆變單元采用IGBT功率元件；公用整流器采用帶有預(yù)充電回路的晶閘管三相全控橋，傳動(dòng)維護(hù)工具為Drive ES。為了提高輸出電流將兩臺(tái)具有相同額定電流的整流裝置并聯(lián)。制動(dòng)方式采用能耗制動(dòng)，用于機(jī)組緊急制動(dòng)情況下系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的能量消耗，以確保直流母線不過(guò)壓。

    2.2 配置特點(diǎn)

    2.2.1 多CPU系統(tǒng)的應(yīng)用
 

    基于熱鍍鋅機(jī)組的復(fù)雜性，選擇較高級(jí)的CPU416-2作為PLC的中央處理器，并且采用多CPU系統(tǒng)，每個(gè)CPU的功能分配如下表所示。 
           
                                         表1
              

    2.2.2 應(yīng)用軟件編制采用單元結(jié)構(gòu)

    熱鍍鋅機(jī)組的應(yīng)用軟件編制分為不同的單元，每個(gè)單元完成相應(yīng)的功能，使軟件可讀性好，結(jié)構(gòu)清晰，易于修改和維護(hù)。

    (1)機(jī)組協(xié)調(diào)控制（Line Coordination Control，LCO）

    LCO主要功能有：操作模式處理；機(jī)組啟動(dòng)和運(yùn)行聯(lián)鎖條件的檢查確認(rèn)；操作指令及設(shè)定值的選擇和下達(dá)；輔助傳動(dòng)控制命令的產(chǎn)生；穿帶、甩尾、定位等自動(dòng)順序控制；傳動(dòng)的接通、關(guān)斷控制及狀態(tài)監(jiān)視；成組及單獨(dú)點(diǎn)動(dòng)操作；帶鋼位置監(jiān)視等。

    (2)主令速度生成器（Master Ramp Generator，MRG）

    MRG主要功能有：速度和加速度斜坡的產(chǎn)生；根據(jù)LCO的設(shè)定進(jìn)行帶鋼尾部的自動(dòng)減速以及帶鋼的自動(dòng)定位；張力的斜坡處理及開卷機(jī)、卷取機(jī)、活套、張緊輥等的張力控制；靜張力和運(yùn)行張力的自動(dòng)處理；帶鋼的斷帶檢測(cè)；活套自動(dòng)位置控制；傳動(dòng)控制及通訊處理等。

    從表1中可以看出，每一段均配有主控和順控CPU，LCO和MRG一般在同一個(gè)主控CPU中實(shí)現(xiàn)。

    (3)順序控制（Support and Sequence Functions，SSF）

    SSF的控制對(duì)象是與生產(chǎn)線速度、張力無(wú)關(guān)的設(shè)備，如電磁閥、恒速電機(jī)等。順控CPU將操作或主控命令結(jié)合安全聯(lián)鎖信號(hào)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)出動(dòng)作命令，同時(shí)監(jiān)視其反饋信號(hào)，并在HMI畫面上進(jìn)行顯示。順控CPU還負(fù)責(zé)除張力計(jì)外所有機(jī)電一體品的接口。

   (4)儀表控制（Instrumentation and control，I&C）

    本機(jī)組采用西門子SIMATIC S7實(shí)現(xiàn)儀表控制功能，用于儀表控制的CPU安裝在與跟蹤系統(tǒng)CPU相同的框架上，其控制范圍包括清洗段、濕平整及高壓清洗系統(tǒng)、后處理段。I&C主要功能有：溫度、流量、壓力、液位、電導(dǎo)率的控制和監(jiān)視。

    (5)物料跟蹤（Material Tracking，MTR）

    MTR可實(shí)現(xiàn)對(duì)其跟蹤區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的所有帶鋼上的特殊點(diǎn)（如焊縫、缺陷等）的精確位置跟蹤及其鋼卷數(shù)據(jù)的精確跟蹤，還能為機(jī)組的其他控制設(shè)備激活新的設(shè)定值，并統(tǒng)計(jì)匯報(bào)機(jī)組的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

    3 速度和張力控制

    3.1 概述

     熱鍍鋅機(jī)組的核心控制對(duì)象是速度和張力。對(duì)處于相同工藝段的成組設(shè)備，要求各設(shè)備的線速度保持同步，即不論處于加速或減速過(guò)程中，各設(shè)備的線速度均要相等，為此使用MRG主令速度生成器，用它的輸出作為所有被控設(shè)備的速度指令，其框圖如圖1所示，只要控制該工藝段MRG的輸出和變化率，就控制了該工藝段的速度和加速度值。
圖中的“操作模式選擇和處理邏輯”包括來(lái)自操作臺(tái)的加速啟動(dòng)（RUN）、穿帶（THRD）、正常停止（NS）、保持（HOLD）、快停（QS）、緊停（ES）等按鈕以及自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)方式等選擇開關(guān)；包括帶鋼的跟蹤信號(hào)，如焊縫位置、活套儲(chǔ)量等；包括機(jī)組綜合運(yùn)行條件，如起動(dòng)或運(yùn)行時(shí)所需要的聯(lián)鎖條件等。

     MRG將上述信號(hào)與“速度和加速度選擇”相結(jié)合，最終產(chǎn)生出按S曲線進(jìn)行變化的速度信號(hào)，以防止不同的響應(yīng)引起的張力波動(dòng)。這種不同的響應(yīng)是因不同的設(shè)備參數(shù)（如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2等）在加減速開始和結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的，因此在加減速階段開始和結(jié)束處應(yīng)有光滑曲線進(jìn)行過(guò)渡，這樣才能確保具有平滑的切換特性，從而有效改善張力的控制性能。
   
            
                                    圖 1   傳動(dòng)控制系統(tǒng)

    為實(shí)現(xiàn)帶鋼在機(jī)組上的穩(wěn)定傳送，或某一特定的工藝功能，例如平整機(jī)的延伸率控制等，工藝對(duì)帶鋼在機(jī)組中各個(gè)位置都有張力要求，此要求集中體現(xiàn)在“機(jī)組張力表”中，這張表是電氣實(shí)現(xiàn)機(jī)組張力控制的基礎(chǔ)。張力控制的基本思想是分段張力控制原理，每段使用一個(gè)張力控制器。

    張力控制器的工作原理：首先計(jì)算張力設(shè)定值與張力實(shí)際值的偏差，然后經(jīng)適當(dāng)?shù)目刂扑惴ǎ瑢⑵钷D(zhuǎn)換為速度補(bǔ)償量疊加到速度控制環(huán)的速度給定上，速度控制環(huán)的速度檢測(cè)由電機(jī)所帶高精度編碼器完成，速度控制環(huán)的輸出經(jīng)轉(zhuǎn)矩限幅作用于電流控制環(huán)，其輸出最終作用于電機(jī)上。

    一般有直接張力和間接張力二種控制方法，使用哪種方法取決于工藝控制要求和機(jī)組設(shè)備配置（張力計(jì)）。張力計(jì)測(cè)得的張力實(shí)際值在使用前需進(jìn)行標(biāo)定和平滑處理。間接張力控制中張力實(shí)際值是通過(guò)電機(jī)電流間接計(jì)算得到的。

    3.2 張力輥的控制

    張力輥有速度控制和張力控制二種控制方式。

    3.2.1 張力輥的速度控制方式

    本機(jī)組中，1號(hào)、4號(hào)、6號(hào)以及10A號(hào)張力輥分別是入口段、工藝段、平整段以及出口段的主令速度輥。在速度控制方式下，要求張力輥組的多個(gè)傳動(dòng)輥的作用力一致，輥的速度要實(shí)時(shí)保證同步。采用標(biāo)準(zhǔn)的雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng)予以實(shí)現(xiàn)，速度環(huán)不允許飽和。

    3.2.2 張力輥的張力控制方式

    除主令速度輥以外，其余張力輥均為直接張力控制。將張力調(diào)節(jié)器的輸出疊加到速度設(shè)定上，使速度環(huán)飽和，即速度環(huán)之外為張力環(huán)，張力調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器均為比例積分形式，以此來(lái)保證各個(gè)傳動(dòng)輥的轉(zhuǎn)矩輸出一致。

    3.2.3 張力輥的負(fù)荷平衡控制

    負(fù)荷平衡控制是張力輥控制的一個(gè)重要內(nèi)容，其作用是使各張力輥的負(fù)荷盡可能地相近或滿足一定比例的分配，使各張力輥都能發(fā)揮各自能力，協(xié)同完成帶鋼張力控制要求。其基本原理是將測(cè)得的各張力輥電機(jī)電流送到控制器內(nèi)進(jìn)行比較，差值經(jīng)負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)器輸出后疊加到從輥的速度給定上，通過(guò)調(diào)節(jié)從輥的速度來(lái)控制輸出轉(zhuǎn)矩。

    3.3 開卷機(jī)、卷取機(jī)的控制

    以開卷機(jī)為例介紹其間接張力控制原理。

    電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩：

    M_D=C_M×Ф×I （式1）

    式中，C_M為電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Ф為電機(jī)磁通，I為電機(jī)電樞電流。

    帶鋼在開卷機(jī)上產(chǎn)生的張力矩：

    M_T=T×D/（2×i×η） （式2）

    式中，T為開卷張力；D為鋼卷外徑；i為開卷機(jī)的傳動(dòng)比；η為傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率。

    由（式1）和（式2）可得：

    T=K×Ф×I/D （式3）

    式中，K=2×i×η×C_M，為常數(shù)。

    開卷機(jī)間接張力控制一般采用“最大力矩法”，這是由于“最大力矩控制方式”較“比例控制方式”存在多方面的優(yōu)點(diǎn)：容易選擇電機(jī)，無(wú)論速度高低均能發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的最大力矩；控制方式合理，利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

    由（式3）得：基速以下，Ф保持恒定（滿磁），I與D成正比變化以保持T不變，電機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；基速以上，電機(jī)為弱磁升速狀態(tài)，電樞電壓保持不變，若保持T不變，必須使ФI/D保持不變，電機(jī)為恒功率調(diào)速。由此可見，卷徑計(jì)算的精確與否是開卷機(jī)張力控制精度的關(guān)鍵因素。

    瞬時(shí)卷徑D的計(jì)算公式為：

    D = V×i/（π×n） （式4）

    式中，V為帶鋼運(yùn)行線速度；n為開卷機(jī)轉(zhuǎn)速；i為開卷機(jī)的傳動(dòng)比。

    卷徑計(jì)算根據(jù)原有卷徑和卷徑變化量做減法運(yùn)算并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正確與否的判定，所以必須有一初始的卷徑設(shè)定值。

    穿帶時(shí)開卷機(jī)為速度控制模式；正常開卷時(shí)為張力控制模式，此時(shí)速度環(huán)飽和，整個(gè)控制系統(tǒng)由電流環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)，電機(jī)處于恒張力狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速由速度限幅決定，其值來(lái)自張力設(shè)定值。

    3.4 活套卷?yè)P(yáng)的控制

    活套卷?yè)P(yáng)的控制包括有活套小車位置調(diào)節(jié)器、帶鋼張力調(diào)節(jié)器以及活套小車同步調(diào)節(jié)器。

    由于本機(jī)組均為單小車活套，而活套小車同步調(diào)節(jié)器是配置2臺(tái)及2臺(tái)以上小車的活套所特有的控制環(huán)節(jié)，因此不予考慮。下面以入口活套為例，介紹其控制原理。

    3.4.1 活套小車位置調(diào)節(jié)器

    當(dāng)活套入出口速度出現(xiàn)相異時(shí)，活套卷?yè)P(yáng)電機(jī)必須相應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)以保證帶鋼秒流量平衡。設(shè)沖套方向?yàn)檎瑒t活套卷?yè)P(yáng)電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速給定為：

    n=(V_en-V_ex)*60/(N*π*D*G) （式5）

    式中，V_en為活套小車入口速度；V_ex為活套小車出口速度；N為活套小車帶鋼股數(shù)；D為活套小車卷筒直徑；G為活套小車卷?yè)P(yáng)齒輪箱變速比。

    活套小車位置調(diào)節(jié)器的核心是行程預(yù)計(jì)算器，它依據(jù)活套卷?yè)P(yáng)的速度，計(jì)算出活套到達(dá)滿套或空套時(shí)所需要的行程值，位置調(diào)節(jié)器將這個(gè)值不斷與位置設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)二者相等時(shí)就給出滿套或空套信號(hào)，這個(gè)信號(hào)作用于速度控制器，通過(guò)改變?nèi)肟诙嗡俣鹊淖畲笙薹悼刂菩≤囄恢谩?br />
    3.4.2 帶鋼張力調(diào)節(jié)器

    無(wú)論活套入、出口速度以及活套小車位置如何變化，活套中的帶鋼都必須保持恒定的張力，因此設(shè)有一個(gè)直接張力控制器作用于活套卷?yè)P(yáng)電機(jī)。其工作原理為：張力設(shè)定值與實(shí)際張力值進(jìn)行比較，差值經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后作為轉(zhuǎn)速附加補(bǔ)償，通過(guò)調(diào)整卷?yè)P(yáng)電機(jī)速度達(dá)到調(diào)節(jié)張力的作用。直接張力的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)須考慮帶鋼厚度、摩擦力、彎曲損失和小車重量等因素對(duì)于控制系統(tǒng)的影響。

    3.5 平整機(jī)的控制

    為了消除帶鋼的屈服平臺(tái)，獲得良好的帶鋼平直度和合適的帶鋼表面粗糙度，本機(jī)組設(shè)置有四輥平整機(jī)，而延伸率是平整機(jī)的一個(gè)重要工藝指標(biāo)，其控制精度直接與冷軋成品帶鋼的質(zhì)量有關(guān)。

    所謂延伸率，指的是帶鋼平整后相對(duì)于平整前沿長(zhǎng)度方向上的增長(zhǎng)，公式如下：
       （式6）

    式中：ε為延伸率，I_entry為帶鋼在平整機(jī)入口側(cè)的長(zhǎng)度；I_exit為帶鋼在平整機(jī)出口側(cè)的長(zhǎng)度；V_entry為帶鋼在平整機(jī)入口側(cè)的速度；V_exit為帶鋼在平整機(jī)出口側(cè)的速度。

    平整機(jī)入、出口側(cè)各安裝有1個(gè)PLG，分別對(duì)每個(gè)測(cè)量周期的帶鋼長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)數(shù)，以此確定帶鋼長(zhǎng)度并計(jì)算出延伸率實(shí)際值。

    延伸率控制方式有“軋制力控制”與“軋制力和張力控制”，前者用于厚帶鋼控制，后者則用于薄帶鋼控制，使用哪種模式由操作人員選擇。

   軋制力控制模式下，延伸率的設(shè)定值與實(shí)際值之間的偏差量經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換與限幅處理后作為平整機(jī)軋制力的附加設(shè)定值。兩個(gè)直接張力控制器在出口和入口區(qū)域保持帶鋼恒張力。

    如果L2下達(dá)的最大軋制力仍然不能達(dá)到設(shè)定延伸率，此時(shí)可以使用“軋制力和張力控制模式”，延伸率將通過(guò)附加軋制力和入出口側(cè)的附加張力進(jìn)行控制。

    平整機(jī)在“平整機(jī)不投用模式”下將處于打開狀態(tài)，出口張力控制器接通，入口張力控制器關(guān)斷。

    3.6 拉矯機(jī)的控制

    平整段出口設(shè)置有兩彎兩矯形式的拉矯機(jī)，其目的是獲得良好板形，改善材料各向異性，消除屈服平臺(tái)，阻止滑移線形成。前后張力輥的傳動(dòng)方式為單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，控制方式有延伸率控制與張力控制。

    張力控制模式下，前后張力輥之間無(wú)速度差，為張力輥直接張力控制方式。

    延伸率控制模式下（延伸率定義同平整機(jī)），前后張力輥之間有了因?yàn)檠由炻识a(chǎn)生的速度差，拉矯機(jī)入、出口側(cè)各安裝有1個(gè)PLG，分別對(duì)每個(gè)測(cè)量周期的帶鋼長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣就可確定帶鋼長(zhǎng)度并計(jì)算出延伸率的實(shí)際值。

   4 結(jié)語(yǔ)

    速度和張力是熱鍍鋅機(jī)組自動(dòng)控制中的兩個(gè)關(guān)鍵因素，如何提高二者的穩(wěn)定性以及控制精度，對(duì)于保證機(jī)組的順利運(yùn)行，發(fā)揮機(jī)組的產(chǎn)能，提高產(chǎn)品質(zhì)量有著十分重要的意義。西門子自動(dòng)化產(chǎn)品性能可靠、工作穩(wěn)定、控制精度高、擴(kuò)展性靈活，完全滿足生產(chǎn)要求，具有極大的推廣價(jià)值。

    參考文獻(xiàn)

    [1]曾照強(qiáng).帶材卷取機(jī)控制方式討論[J].有色金屬加工.2003,(1):23.

    吳家浩(1975-)，男，上海市，工程師，工程碩士學(xué)位，現(xiàn)從事自動(dòng)化專業(yè)。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第六期