西门子授权|电线电缆总代理商|2023

   提高炼钢自动化水平，对保障炼钢钢水质量、提高炼钢的劳动生产率起着至关重要的作用。我所于2004年2月承建上海宝钢集团一钢公司炼钢区及不锈钢炼钢区测温取样装置。该测温取样装置是为配合不锈钢及碳钢热轧板卷技术改造项目炼钢工程配套而建，一期总共设计有十一套测温取样自动控制系统，其中两套采用德国西门子SIMATIC S7-300可编程控制器和6ES70变频器集成控制系统，其余采用日本富士PLC和变频器控制，仪表部分全部采用贺利氏电测骑士的测温取样仪表。由于新厂区结构紧凑，生产场地设计局促，生产流程如果完全由人工手动控制完成容易造成钢水输送紧张以致不畅;另外操作环境恶劣对人工操作也具有一定的难度和危险度。因此，在炼钢过程中实现全自动测温取样控制非常重要，使得整个设备操作更加安全、可靠，大大的提高了整个炼钢工艺的连续性，减少了故障率，同时也提高了炼钢的劳力生产率。
    电气控制主要功能针对炼钢区每套测温取

西门子PLC以其强大的功能，优越的性能和良好的稳定性，在各行各业的生产线的控制中被广泛地使用，尤其是在轧钢领域应用得更是普遍。冷轧实验机的控制系统对控制器的精度和速度的要求都很苛刻，因为冷轧机的产品原料通常都很薄，轧制过程厚度控制的难度较大，同时还要对张力、速度进行控制。作为实验机，不仅要控制好，同时还要对控制过程的实验数据的测量，以便对工艺过程参数做进一步地分析和研究。

整个冷轧的机械部分包括主轧机(机架、两支撑辊和工作辊)、卷取机、减速机等。控制部分包括主传动电机、电动压下电机、左/右卷取电机、西门子直流调速器和液压缸。液压站中的五个电机和润滑站中的工艺润滑、设备润滑两个电机、加热器等。

2 系统的硬件设计
控制系统包括两部分，即控制部分和数据采集处理部分。控制部分采用西门子公司的S7-400系列PLC，并利用FM458作为高速模拟量控制器，与ET200组成ProfibusDP网，对分散的对象如操作台的控制时减少接线。使用S7-300PLC作为从站对液压站和润滑站进行控制。利用S7-400系列的443-1完成S7-400主站与人机界面计算机的通讯，人机界面计算机位于操作台上，采用西门子公司的触摸屏，软件为WinCCflexible。
主液压缸位移的测量选用德国的MTS值传感器，左/右卷机的转速测量选用雷恩增量编码器，利用FM458控制器通过FM438-1扩展板上的值和增量编码器模块读取位移和转速值，另外卷径也是通过增量编码器计算出来的。冷轧薄带钢在卷取时的张力是通过力传感器检测的。硬件配置见图1所示。

图1 控制系统硬件配

3 系统原理设计
首先慢速点动将原料带钢上卷，此时的主传动电机和卷取电机都是由S7-400站上的FM458通过6RA70直流调速器来控制的，其反馈信号如电机的速度是由FM438上的增量编码器检测，电机电流有调速器提供。构成速度闭环和电流(即转矩)闭环，同时通过力传感器检测到带钢的张力，完成力闭环控制。然后在触摸屏上输入工艺参数，如轧制的道次及相应的厚度值等。带钢的厚度控制是有MTS高精度位移传感器检测液压缸的位置，通过FM438模板上的值编码器采集信号，经过PID算法后，输出电压值到高速伺服阀，从而完成对液压缸的位置闭环控制。当轧辊需要大位移移动时，需要对压下电机的控制来完成。
轧机在工作之前，液压站要首先工作，即要将主泵和背压泵打开，冷却水泵打开，以降低油温。将加热器打开，使乳化液的温度控制在50℃左右，打开搅拌电机时乳化液温度均匀。打开工艺润滑泵和设备润滑泵。
乳化液的温度控制是有S7-315 CPU，通过8通道模拟量输入模块7KF02检测来自温度变送器的温度值，通过与设定值的比较，控制两个加热器的通和断。当实际温度与设定温度相差较大时，两个加热器都打开，当实际温度接近设定温度的一个范围内时，关掉一个加热器。当轧机工作时，S7-315还要检测乳化液出口处的压力，并将压力、温度、液压站滤油器的状态等值通过Profibus-DP网发送到S7-400主站中的DB块中，以便在HMI计算机上显示，同时将速度、电流、张力等信号保存的数据库中。

4 系统通讯设计
在控制系统中将S7-400设为主站，将S7-300设为从站，它们之间的地址映射关系见图2和图3。
●Mode:通讯模式，MS为主从方式的通讯模式。
●Partner DP Addr:DP通讯伙伴的地址。
●Partner Addr:通讯伙伴的输入/输出地址。
●Local Addr:本站的输入/输出地址(S7-300站的地址)。
●Length:连续的输入/输出地址区的长度为32个字节。
●Consistency:数据的连续性。

图2 主、从站的地址映射关系

图3 报警信号发送到主站

5 系统软件设计
冷轧实验机机组的控制软件分为两部分，一部分是轧机的逻辑控制，即由梯形图或语句表编写，另一部分是模拟量闭环控制，由CFC结构流图编写。液压站部分的软件都是由梯形图或语句表编写。
液压站部分的软件分为模拟量检测，即乳化液温度和压力，温度控制;逻辑控制。具体的子程序块及其功能如下。
(1) 模拟量检测及主从站通讯子程序:完成乳化液温度、压力的检测，温度控制，并将温度、报警信号等，发送的S7-400主站，同时主站要对从站中控制乳化液的两个阀进行控制。
(2) AGC及弯辊站逻辑控制子程序:完成对主、辅电机及其伴随阀的逻辑控制。
(3) 水泵及搅拌器的逻辑控制子程序:完成液压站的油温控制，使其温度保持在一定范围内，按工艺要求完成搅拌器电机逻辑控制，使乳化液的温度保持均匀。
(4) 工艺润滑和设备润滑站电机逻辑控制子程序
(5) 故障报警子程序:当液压站油温持续过高、滤油器堵塞、乳化液温度不工艺在要求范围内等，将产生报警信号。
(6) 公共子程序:公共子程序包括很多，如图4、图5、图6示出了数据标。度变换、数据类型转换、控制算法、数据处理等子程序。

图4 标度变换子程序

图5 温度逻辑控制子程序

图6 数据检测子程序

6 结束语
该实验轧机的控制系统采用了性能稳定稳定、抗干扰性强的西门子系列PLC，使整个设备的运行安全可靠，完全达到了设计要求，利用该设备承揽了与韩国一家公司的润滑油性能研究的科研项目。该实验机是具有自主知识产权的设备，得到了国家九八五自然科学基金的资助，在此基础上我单位又与上海宝山钢铁公司上钢一厂签定研制一台了同型号的实验轧机。该设备是冷轧科研部门不可缺少的实验手段。

样装置的结构特点，电气控制系统采用德国西门子S7-300系列PLC为核心控制设备，该系统主要的控制对象包括测温取样枪体传动电机和测温取样仪表装置。其中，测温取样枪体的控制主要包括:一台交流变频电机启/停控制、速度给定控制、变速控制、方向控制，一台编码器的行程控制及校零控制。测温取样仪表的控制主要包括准备测温、测温取样中、测温取样完成信号的采集、温度的采集、故障信号的采集及传输到上一级PLC系统信号的处理。
    电气控制基本结构及配置控制系统采用德国西门子SIMATIC S7-300系列PLC一钢不锈钢炼钢区测温取样电气控制系统采用西门子SIMATIC S7-300 PLC作为基础控制装置，根据枪体设备的实际需要现场安装有现场操作箱，采用分布式模式，将每个I/O子站设在枪体框架上，枪体上相应的控制信号直接送入子站，子站只需要一根PROFIBUS-DP现场通讯总线和一根电源线与PLC总站相连实现信息的上下传输，给现场操作带来很大的方便，同时，由于电气室和测温取样装置之间有一定间距，因此采用该控制方式减少了用户在电缆上的投资，也减少了铺设电缆所需的设备材料和人力资源，同时还减少了从现场到电气室的硬线连接，从而增加了信号的可靠性，为以后的检修和维护都带来了方便。另外该系统这样的配置方式具有很好的可扩展性，如果现场需求有所变化，增加控制信号或改进控制自动化程度，都可直接将信号就近接入到I/O子站，方便设计及施工。
    仪表系统采用贺利氏电测骑士产品.本系统采用贺利氏电测骑士数字测温取样仪表，该仪表具有先进的的模式、可靠的性能和超强的数据处理功能，以及可靠的部件和面向系统的操作软件确保测量数据的可靠。仪表主要用于浸入式测温，通过测枪端部的热电偶来测量温度，可连续测温，具有完善的数据输出功能。
    电气控制系统主要设计思想系统控制主要是在装钢水的钢包抵达指定工作位后，由上一级系统发出指令控制测温取样装置工作。装置由上、下限位开关对枪体上、下运行做极限保护，由编码器计数测量枪体行走行程进行调速停位、测量进入钢水液面行程，保证测温取样的准确性，测温取样仪表发出信号实现迅速回位、准确停车及温度信号采集，完成一次动作循环。在此同时通过悬挂式补偿导线将测温的温度信号传输到相关控制单元及仪表上反映。 

工艺要求根据装置动作要求，在PLC软件控制中，测温取样装置分为手动、半自动和自动三种工作方式，三种方式的切换在现场操作装置上完成。装置可一次性完成测温及取样功能，也能分别完成测温和取样功能。 手动控制手动控制主要用于现场设备维护和检修，不受任何外部联锁条件限制，操作工由此检测设备运行的可靠性及系统运行的可靠性。除此，也可在实际的生产中使用，只是要求操作工的熟练程度要高。 半自动控制主要用于在已知钢水液面深度的情况下，人工选择枪体行走行程，进行测温取样操作，同时实现单独的取样功能。在现场设备维护和检修时，是检测设备准确定位停车精度的主要方式，这要求编码器信号读入及处理的可靠性高。自动控制主要应用于生产实践中，无需人工干涉,独立完成设备所要达到的工艺要求，这要求测温取样仪表发出信号的可靠性高，控制系统响应快，变频控制可靠。操作开始应保证测温枪在初始位也即在编码器的校零位，钢水罐车到达测温取样位，测温取样探头安装完毕，根据上一工序提供的钢水液面参数设定行程档位(半自动方式下)或不设定行程档位(自动方式下)，准备开始工作。测温取样功能执行完毕，使得测温枪回到初始位也即在编码器的校零位，编码器计数清零。根据系统所要实现的控制功能和以及系统上的硬件配置，设计整个系统的控制流程。 S7-300和6ES70变频器通讯参数设置枪体的行走完全由6ES70变频器控制，控制指令由S7-300向变频器发出。在此系统中，我们需要在变频器中增加一块CBP Profibus通讯板完成S7-300与变频器中CUVC板的通讯。PLC和变频器通过通讯传送控制状态

 结束语

    整套控制系统经过现场调试后，经过近两年的运行，系统良好稳定，测温取样成功率高，控制精度高，满足了现场的工艺要求，达到了预期的效果。由于系统运行效果好，又节约劳力，该厂在二期建设中也上了该系统，至今设备已调试完毕且投入使用，控制效果均良好。