天津拓普酸洗機組自動控制系統
概述
該酸洗生產線自動化控制采用上位設置監控計算機，下位控制站采用SIEMENS公司S7-400系列可編程控制器，并以高速數據通訊網絡傳輸連接的集中監視、分散控制自動化系統，電氣傳動裝置采用SIEMENS公司6SE70系列交流變頻調速器，交流電機控制中心MCC采用GGD型固定式開關柜。
本文就以下幾個方面對該酸洗機組自動化系統的設計和調試加以闡述。
1．機組基本情況
酸洗機組是由預開卷，開卷機、九輥矯直機、1#夾送輥、1～14#擠干輥、烘干風機、2#夾送輥、活套、3#夾送輥、拉剪、廢邊卷取機、1～3#張力輥、卷取機組成。
主操作臺設為頭尾各一臺，現場操作箱（柜）設為預開卷一個、頭尾液壓系統各一個，廢邊卷取一個，酸/水循環一個。
整個自動化系統由交流傳動及分布式I/O從站、PLC可編程系統和監控系統（工控機）組成。整個網絡系統分為交流傳動裝置和遠程I/O從站與PLC之間采用Profibus-DP網通訊， PLC控制系統與監控系統之間采用以太網通訊。
2．自動化系統的配置及功能
PLC控制系統采用SIEMENS公司S7-400系列，遠程控制站采用ET200M系列I/O站，由中央處理單元、存儲單元、電源模板、通訊模板、輸入輸出模板等組成。PLC與分布式I/O從站及傳動系統通訊采用Profibus-DP網。如下圖-1所示。
PLC控制系統主要完成酸洗各工藝功能的控制，PLC控制器可根據需要完成速度設定、張力設定、活套設定、邏輯控制、監測和報警等控制功能。另外，在開卷操作臺、卷取操作臺、開卷液壓站、卷取液壓站、酸循環柜和MCC控制柜分別設有模塊化的I/O從站，以便縮短大量開關量信號線的傳輸長度，由通訊電纜匯總到PLC系統，提高系統控制可靠性，PLC與各自的遠程I/O站之間和調速傳動裝置之間采用獨立通訊網絡，PLC把設定參數和控制指令傳送到終端和各調速傳動系統，并收集各調速傳動系統的狀態和電氣參數送到人機接口的顯示器顯示。
A.與上位機進行通訊
B.控制傳動裝置運行
C.完成邏輯控制
D.檢測報警及存儲功能
E.活套運算及控制功能
F.張力運算及控制
3、電氣傳動系統組成及功能描述
電氣傳動系統由主傳動變頻調速系統組成，如下圖-2所示:
3.1 交流變頻流調速系統組成及功能描述
3.1.1 交流變頻調速系統組成
根據要求,本生產線的主傳動設備采用SIEMENS公司生產的6SE70系列交流變頻調速器組成傳動控制系統。6SE70系列交流變頻調速系統采用矢量控制電壓源型變頻器, 每套裝置均配置輸入電抗器、熔斷器、繼電操作及電壓、電流顯示和運行、故障指示等。
3.1.2 交流變頻調速系統功能描述
SIEMENS公司生產的6SE70系列交流變頻器調速系統的功能是控制全線所有主電機的運行,按工藝要求及PLC系統的設定值工作在速度控制狀態或張力控制狀態,系統采用矢量閉環控制,穩速精度高,通過對裝置的加速度控制可以使鋼帶平穩升降速,平穩運行。
調速系統的功能:
 與PLC進行網絡通訊
 按工藝要求控制電機運行
 給電機再啟動時進行自診斷
 速度、電流環自調節
 各類保護(如：過電壓、欠電壓、過電流、超速、內存故障等)
 電流調節器
 速度調節器
 輔助功能
調速系統的技術參數:
 速度控制精度0.1%
 速度響應時間＜200ms
 張力開環控制精度5%
 張力閉環控制精度2%
3.2 操作系統組成及功能描述
3.2.1 操作控制系統組成
操作控制系統由開卷操作臺、卷取操作臺和酸循環柜組成。操作臺采用琴式操作臺，操作臺配置I/O從站與PLC進行通訊控制，臺內配置操作電源、自動空氣開關、各種操作按鈕及旋鈕、電壓和電流、線速度、張力值顯示、運行指示、故障指示等。就地操作柜采用標準柜體，配置各種操作按鈕及旋鈕、運行指示、故障指示等。
3.2.2 操作控制系統功能描述
 受PLC控制
 完成各種工藝操作(穿帶、上卷、卸卷等)
 按工藝要求控制電機的起、停及運行
 速度給定及速度級聯控制
 分段速度控制
 各段張力控制
 活套控制
 帶頭跟蹤控制
 按工藝要求控制各設備的動作
4．主要控制技術
㈠ 交流變頻裝置的速度控制要點
對于直流調速系統，通常采用控制調速裝置的“系統使能信號”，實現電機的起/停控制，并具有良好的速度響應特性。但對于交流調速系統，當向各個交流變頻裝置發出系統使能指令時，才開始建立交流電機的勵磁電流，由于電機功率不同，故磁場建立的時間差別較大，而磁場電流建立完成前，變頻器本身封鎖其速度設定使能指令，必會出現變頻器發出速度設定使能指令的時間差，造成各電機啟動速度不一致現象，而導致堆鋼或拉鋼問題。實踐證明，所有電機磁場電流建立完畢需要約1s，即PLC發出系統使能指令1s后，再發出速度設定使能指令，才可得到理想的速度響應效果。
㈡ PLC與交流變頻裝置速度/張力控制
全線電控設備根據不同的操作狀態分別工作于速度系統或張力系統，由PLC控制實現狀態的自動轉換。當全線處于點動或聯動時，相應的傳動裝置以速度方式運行，完成上帶，穿帶，鋼帶張緊等局部功能。系統的主速度基準分為活套前和活套后兩部分。在未起套前，全線以九輥矯直機為速度基準，在起套后，活套前裝置以九輥矯直機為速度基準，活套后裝置以S張力輥為速度基準。開卷機和卷取機建張后傳動裝置工作于張力系統，其余傳動裝置均工作于速度系統。
酸洗線的開卷、卷取需要恒張力控制，此功能通過PLC的PID閉環控制來實現。以卷取機為例說明:運行過程中PLC接收到測速輥反饋的線速度V，與電機的實際轉速n進行運算，V=PiDni，算出當時的卷經D值，并給出與D相對應的力矩值，卷取過程中，鋼卷連續增大，卷經D的值也連續增大，因此，電機的輸出力矩也就連續增大，保證了自始至終鋼帶所承受的張力為恒定。此外PLC還可根據電機的轉動慣量，dv/dt的變化，以及鋼帶的寬度W等，給出相應的動態補償和摩擦力矩補償，用以保證加減速過程中鋼帶的張力恒定。
㈢ 穿帶堆鋼保護
酸洗機組由于其酸槽是封閉的，操作工無法看到帶鋼在其內部的運行情況，如果穿帶時帶鋼在槽內某一處卡住而系統不能自動停車，將造成堆鋼現象，嚴重時將酸洗槽蓋頂起，甚至酸液濺出，影響設備及人身安全，能否解決好這個問題關系到酸洗線能否正常生產。為此，我們采用了3項保護手段:
1) 光電管檢測保護。通過檢測帶鋼運行速度，用已知的從酸洗槽前的光電管到清洗槽后的光電管的距離計算出穿帶所需的時間，由PLC進行監視，如果超過了預計的時間帶頭仍未到達酸洗槽后光電管，則說明以出現堆鋼現象，PLC立即發出停車指令。
由于酸洗槽和清洗槽的距離較長，所計算出的時間也較長，所以，如果僅采用此檢測方法，一旦在酸洗槽入口側出現堆鋼現象，則不能及時停車。
2）擠干輥電流檢測保護。穿帶時，PLC計算出帶頭到達某擠干輥時，發出該擠干輥壓下指令，若鋼帶已通過此擠干輥，其電機力矩電流將發生變化，因此若PLC判斷力矩電流低于預計值，則說明出現了堆鋼現象，停止穿帶。
3）變頻器堵轉信號保護。當變頻器速度給定值與速度實際值出現差值時，經延時后，變頻器發出堵轉報警信號。如果帶鋼在酸洗槽內某處被堵，擠干輥會出現堵轉現象，因而PLC通 過判斷變頻器堵轉現象，立刻執行停車指令，并在操作站畫面上顯示出帶鋼發生堵轉的位置。
實踐證明，結合以上3種方法檢測穿帶故障，時間短、停車快、準確率高。
㈣ 活套控制
在正常的生產過程中帶鋼應該是處于活套坑內4/8至6/8之間，但由于種種原因，常常不能做到出口段與中央段速度完全一致，而造成帶鋼在活套內上下跑動。當活套到達4/8時，使出口段減速，而入口段速度保持不變，因而使套量不斷增加，帶鋼到達活套坑內5/8時出口段恢復原速度，與入口/中央段速度一致，以保持活套內帶鋼套量不變。
5. 人機界面—自動化控制系統操作站
畫面操作站采用西門子Wincc操作系統，其系統軟件在Windows2000環境下運行，具有很強的操作、監視、報警和打印功能，可滿足各種生產過程監控、管理需要。
主要功能及特點：
 可與S7-400通過光纜實現以太網通訊。
 基于窗口的過程監視和操作（以菜單的格式進行畫面調用和切換，在主菜單下設有分菜單，可對指令部分作更進一步的監視和操作）;
 不同形式的時間信息顯示功能;
 故障信息及用戶報表打印系統;
 對一些重要參數有曲線圖及趨勢圖進行監視。
酸洗機組分別在入口和出口配置了Wincc操作站，實現了系統監視和操作的高度集中。不僅可集中顯示生產過程的全部信息，完全取代模擬顯示儀表及模擬屏，而且通過鍵盤操作可實現變更系統組態參數，診斷系統故障，并可隨時打印故障及生產報表，使管理人員方便的掌握生產情況。
7. 運行情況及效果
酸洗機組自動化系統于2006年10月投入使用后運行正常,在入、出口操作臺通過生產人員操作，系統能實時運行應用軟件，并且操作人員能方便的查看信息，進行參數設定。經過一段時間運行后程序運行穩定、操作方便，安全性強。通過Profibus-DP網絡將PLC、遠程I/O站、傳動系統連接起來，實現了自動化的集中控制。由于其自動化配置合理，極大地縮短了試車時間和減少生產事故，提高了生產能力及產品質量，并達到了以最小投入獲得最大利潤。
該酸洗生產線自動化控制采用上位設置監控計算機，下位控制站采用SIEMENS公司S7-400系列可編程控制器，并以高速數據通訊網絡傳輸連接的集中監視、分散控制自動化系統，電氣傳動裝置采用SIEMENS公司6SE70系列交流變頻調速器，交流電機控制中心MCC采用GGD型固定式開關柜。
本文就以下幾個方面對該酸洗機組自動化系統的設計和調試加以闡述。
1．機組基本情況
酸洗機組是由預開卷，開卷機、九輥矯直機、1#夾送輥、1～14#擠干輥、烘干風機、2#夾送輥、活套、3#夾送輥、拉剪、廢邊卷取機、1～3#張力輥、卷取機組成。
主操作臺設為頭尾各一臺，現場操作箱（柜）設為預開卷一個、頭尾液壓系統各一個，廢邊卷取一個，酸/水循環一個。
整個自動化系統由交流傳動及分布式I/O從站、PLC可編程系統和監控系統（工控機）組成。整個網絡系統分為交流傳動裝置和遠程I/O從站與PLC之間采用Profibus-DP網通訊， PLC控制系統與監控系統之間采用以太網通訊。
2．自動化系統的配置及功能
PLC控制系統采用SIEMENS公司S7-400系列，遠程控制站采用ET200M系列I/O站，由中央處理單元、存儲單元、電源模板、通訊模板、輸入輸出模板等組成。PLC與分布式I/O從站及傳動系統通訊采用Profibus-DP網。如下圖-1所示。
PLC控制系統主要完成酸洗各工藝功能的控制，PLC控制器可根據需要完成速度設定、張力設定、活套設定、邏輯控制、監測和報警等控制功能。另外，在開卷操作臺、卷取操作臺、開卷液壓站、卷取液壓站、酸循環柜和MCC控制柜分別設有模塊化的I/O從站，以便縮短大量開關量信號線的傳輸長度，由通訊電纜匯總到PLC系統，提高系統控制可靠性，PLC與各自的遠程I/O站之間和調速傳動裝置之間采用獨立通訊網絡，PLC把設定參數和控制指令傳送到終端和各調速傳動系統，并收集各調速傳動系統的狀態和電氣參數送到人機接口的顯示器顯示。
A.與上位機進行通訊
B.控制傳動裝置運行
C.完成邏輯控制
D.檢測報警及存儲功能
E.活套運算及控制功能
F.張力運算及控制
3、電氣傳動系統組成及功能描述
電氣傳動系統由主傳動變頻調速系統組成，如下圖-2所示:
3.1 交流變頻流調速系統組成及功能描述
3.1.1 交流變頻調速系統組成
根據要求,本生產線的主傳動設備采用SIEMENS公司生產的6SE70系列交流變頻調速器組成傳動控制系統。6SE70系列交流變頻調速系統采用矢量控制電壓源型變頻器, 每套裝置均配置輸入電抗器、熔斷器、繼電操作及電壓、電流顯示和運行、故障指示等。
3.1.2 交流變頻調速系統功能描述
SIEMENS公司生產的6SE70系列交流變頻器調速系統的功能是控制全線所有主電機的運行,按工藝要求及PLC系統的設定值工作在速度控制狀態或張力控制狀態,系統采用矢量閉環控制,穩速精度高,通過對裝置的加速度控制可以使鋼帶平穩升降速,平穩運行。
調速系統的功能:
 與PLC進行網絡通訊
 按工藝要求控制電機運行
 給電機再啟動時進行自診斷
 速度、電流環自調節
 各類保護(如：過電壓、欠電壓、過電流、超速、內存故障等)
 電流調節器
 速度調節器
 輔助功能
調速系統的技術參數:
 速度控制精度0.1%
 速度響應時間＜200ms
 張力開環控制精度5%
 張力閉環控制精度2%
3.2 操作系統組成及功能描述
3.2.1 操作控制系統組成
操作控制系統由開卷操作臺、卷取操作臺和酸循環柜組成。操作臺采用琴式操作臺，操作臺配置I/O從站與PLC進行通訊控制，臺內配置操作電源、自動空氣開關、各種操作按鈕及旋鈕、電壓和電流、線速度、張力值顯示、運行指示、故障指示等。就地操作柜采用標準柜體，配置各種操作按鈕及旋鈕、運行指示、故障指示等。
3.2.2 操作控制系統功能描述
 受PLC控制
 完成各種工藝操作(穿帶、上卷、卸卷等)
 按工藝要求控制電機的起、停及運行
 速度給定及速度級聯控制
 分段速度控制
 各段張力控制
 活套控制
 帶頭跟蹤控制
 按工藝要求控制各設備的動作
4．主要控制技術
㈠ 交流變頻裝置的速度控制要點
對于直流調速系統，通常采用控制調速裝置的“系統使能信號”，實現電機的起/停控制，并具有良好的速度響應特性。但對于交流調速系統，當向各個交流變頻裝置發出系統使能指令時，才開始建立交流電機的勵磁電流，由于電機功率不同，故磁場建立的時間差別較大，而磁場電流建立完成前，變頻器本身封鎖其速度設定使能指令，必會出現變頻器發出速度設定使能指令的時間差，造成各電機啟動速度不一致現象，而導致堆鋼或拉鋼問題。實踐證明，所有電機磁場電流建立完畢需要約1s，即PLC發出系統使能指令1s后，再發出速度設定使能指令，才可得到理想的速度響應效果。
㈡ PLC與交流變頻裝置速度/張力控制
全線電控設備根據不同的操作狀態分別工作于速度系統或張力系統，由PLC控制實現狀態的自動轉換。當全線處于點動或聯動時，相應的傳動裝置以速度方式運行，完成上帶，穿帶，鋼帶張緊等局部功能。系統的主速度基準分為活套前和活套后兩部分。在未起套前，全線以九輥矯直機為速度基準，在起套后，活套前裝置以九輥矯直機為速度基準，活套后裝置以S張力輥為速度基準。開卷機和卷取機建張后傳動裝置工作于張力系統，其余傳動裝置均工作于速度系統。
酸洗線的開卷、卷取需要恒張力控制，此功能通過PLC的PID閉環控制來實現。以卷取機為例說明:運行過程中PLC接收到測速輥反饋的線速度V，與電機的實際轉速n進行運算，V=PiDni，算出當時的卷經D值，并給出與D相對應的力矩值，卷取過程中，鋼卷連續增大，卷經D的值也連續增大，因此，電機的輸出力矩也就連續增大，保證了自始至終鋼帶所承受的張力為恒定。此外PLC還可根據電機的轉動慣量，dv/dt的變化，以及鋼帶的寬度W等，給出相應的動態補償和摩擦力矩補償，用以保證加減速過程中鋼帶的張力恒定。
㈢ 穿帶堆鋼保護
酸洗機組由于其酸槽是封閉的，操作工無法看到帶鋼在其內部的運行情況，如果穿帶時帶鋼在槽內某一處卡住而系統不能自動停車，將造成堆鋼現象，嚴重時將酸洗槽蓋頂起，甚至酸液濺出，影響設備及人身安全，能否解決好這個問題關系到酸洗線能否正常生產。為此，我們采用了3項保護手段:
1) 光電管檢測保護。通過檢測帶鋼運行速度，用已知的從酸洗槽前的光電管到清洗槽后的光電管的距離計算出穿帶所需的時間，由PLC進行監視，如果超過了預計的時間帶頭仍未到達酸洗槽后光電管，則說明以出現堆鋼現象，PLC立即發出停車指令。
由于酸洗槽和清洗槽的距離較長，所計算出的時間也較長，所以，如果僅采用此檢測方法，一旦在酸洗槽入口側出現堆鋼現象，則不能及時停車。
2）擠干輥電流檢測保護。穿帶時，PLC計算出帶頭到達某擠干輥時，發出該擠干輥壓下指令，若鋼帶已通過此擠干輥，其電機力矩電流將發生變化，因此若PLC判斷力矩電流低于預計值，則說明出現了堆鋼現象，停止穿帶。
3）變頻器堵轉信號保護。當變頻器速度給定值與速度實際值出現差值時，經延時后，變頻器發出堵轉報警信號。如果帶鋼在酸洗槽內某處被堵，擠干輥會出現堵轉現象，因而PLC通 過判斷變頻器堵轉現象，立刻執行停車指令，并在操作站畫面上顯示出帶鋼發生堵轉的位置。
實踐證明，結合以上3種方法檢測穿帶故障，時間短、停車快、準確率高。
㈣ 活套控制
在正常的生產過程中帶鋼應該是處于活套坑內4/8至6/8之間，但由于種種原因，常常不能做到出口段與中央段速度完全一致，而造成帶鋼在活套內上下跑動。當活套到達4/8時，使出口段減速，而入口段速度保持不變，因而使套量不斷增加，帶鋼到達活套坑內5/8時出口段恢復原速度，與入口/中央段速度一致，以保持活套內帶鋼套量不變。
5. 人機界面—自動化控制系統操作站
畫面操作站采用西門子Wincc操作系統，其系統軟件在Windows2000環境下運行，具有很強的操作、監視、報警和打印功能，可滿足各種生產過程監控、管理需要。
主要功能及特點：
 可與S7-400通過光纜實現以太網通訊。
 基于窗口的過程監視和操作（以菜單的格式進行畫面調用和切換，在主菜單下設有分菜單，可對指令部分作更進一步的監視和操作）;
 不同形式的時間信息顯示功能;
 故障信息及用戶報表打印系統;
 對一些重要參數有曲線圖及趨勢圖進行監視。
酸洗機組分別在入口和出口配置了Wincc操作站，實現了系統監視和操作的高度集中。不僅可集中顯示生產過程的全部信息，完全取代模擬顯示儀表及模擬屏，而且通過鍵盤操作可實現變更系統組態參數，診斷系統故障，并可隨時打印故障及生產報表，使管理人員方便的掌握生產情況。
7. 運行情況及效果
酸洗機組自動化系統于2006年10月投入使用后運行正常,在入、出口操作臺通過生產人員操作，系統能實時運行應用軟件，并且操作人員能方便的查看信息，進行參數設定。經過一段時間運行后程序運行穩定、操作方便，安全性強。通過Profibus-DP網絡將PLC、遠程I/O站、傳動系統連接起來，實現了自動化的集中控制。由于其自動化配置合理，極大地縮短了試車時間和減少生產事故，提高了生產能力及產品質量，并達到了以最小投入獲得最大利潤。
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