高速线材生产线自动控制系统

＜黑龙江冶金》

高速线材生产线自动控制系统

刘峰吕国英

（西林钢铁公司技术中心伊春１５３０２５）（哈尔滨通信无线传输局）

摘要本文介绍用可编程控制器Ｓ５—１３５Ｕ，Ｓ５—１００Ｕ及直流调速器ＳＩＭＯＲＦ＿．ＧＫ组成的高速线材生产线自动控制系统。系统中应用智能模块ＩＰ２５２进行活套的闭环控制，应用ＩＰ２４２Ａ高速计数器实现飞剪剪切、夹送辊夹送、水冷段冷却等控制，配置ＳＩＮＥＣＬ１通信网络建立ＰＩＥ之间及与直流调速器之间的数据通讯，设置的ｐＣ即做上位监控器，又做为管理机使用。该系统具有结构简单，可靠性高，自诊断功能完善等特点。关键词可编程序控制器智能模块通信网络高速线材

１工艺设备状况

西钢高速线材生产线是在原１５架轧机组成的棒材连轧生产线基础上改造完成的。主要设备有１。夹送辊、精轧飞剪、活套、卡断剪、精轧机组、水冷段、２’夹送辊、成圈器、七段散圈冷却运输辊道（风冷线）、集卷机、推卷机、收集区设备等。如图１所示，与原１５架棒材生产线构成连轧高速线材生产线，可以生产筋．５一①１０的高速线材。最高轧制速度７０米／秒，保证速度６０米／秒，年生产能力１５万吨。

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图１西钢高速线材生产线工艺布置示意图

１．原棒材线１５架轧机；２．１’夹送辊；３．精轧飞剪；４．活套；５．卡断剪；６．精轧机组；７．水冷段；８．２’夹送辊；９．成圈器；１０．散圈运输辊道；１１．风冷段；１２．集卷机；１３．推卷机；１４．收集区设备。

本控制系统主要针对１＃夹送辊到推卷散控制系统，由过程控制级（ＭⅨ一Ⅲ计算机在线控制。机）和设备控制级（ＳＹＭＡＴＩＣＳ５—１３５Ｕ可编

２自动控制系统的结构

为了与工艺要求较高相适应，西钢高线配备了水平较高的电气自动控制系统，如图２所示。硬件设备除过程计算机外，均为德国西门子公司产品。该系统是一个多级分程序控制器）两级构成。ｓ５—１３５Ｕ配置了以其为主站的ＳＩＮＥＣＬＩ通信网络，ｓ５—１００ＵＰＩＥ及ＳＩＭＯＲＥＧＫ６ＲＡ２２传动装置作为从站，以实现各种控制参数设定，反馈，监视等功能。同时ｓ５—１３５Ｕ还设置了远程Ｌ／Ｏ控制网（Ｌ２网），控制终端为ＥＴ２００。

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ＰＲＩＮＴＥＲ

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６ＲＡ２２６ＲＡ２２６ＲＡ２２６ＲＡ２２６ＲＡ２２图２西钢高速线材电气自动控制系统构成图

３可编程序控制器系统

本套高线自动控制系统设置了两台西门子ｓ５系列ＰＬＣＳ５—１３５Ｕ和Ｓ５一１００Ｕ，主从设置，通过ＳＩＮＥＣＬ１网通信。

３．１ＰＩＥ功能分配

３．１．１ＳＩＭＡＴＩＣｓ５—１００Ｕ负责水冷段水咀（风咀）的开闭控制和风冷段风机的启、停控制，直接挂在以ｓ５—１３５Ｕ为主站的ＳＩＮＥＣＬ网上，接收上位机对水咀（风咀）和风机的状态参数设定或向上位机发送水咀（风咀）和风机的实际状态等信息，以实现水冷和风冷的工艺要求。

３．１．２ＳＩＭＡＩＣＳ５—１３５Ｕ用来实现整个精轧线自动控制设备的自动化管理。包括故障综合、处理、显示、报警；传动设备的运行控制；轧线的工艺顺序控制；与上位机进行信息通信，参数计算，数据处理；作为ＳＩＮＥＣＬ１网的主站，控制和管理各从站的信息交换；活套及级联控制等等。

３．２硬件设计特点

３．２．１与ＳＩＮＥ（；Ｌ１网的连接从图２中可看到，自动控制系统设置了Ｓ矾ＥＣＬ１本地网，实现数据通信。为了与ＳＩＮＥＣＬ１网相连接主站Ｓ５—１３５Ｕ主框架内设置了ＣＰ５３０模块。ＣＰ５３０通讯处理器是一种专门用于ＳＩＮＥＣＬ１网通信和通信控制模块，本身含有微处理器、存贮器等，其内部的双口ＲＡＭ用于ＣＰ５３０与ＰＬＣ的ＣＰＵ之间的通信接口。３．２．２高速计数模块的采用用于夹送辊夹头、夹尼计数、精轧飞剪切头、切尾计数及水冷段水咀（风咀）开闭、风冷段风机启、停的脉冲计数的控制。采用了两块ＩＰ２４２Ａ高速计数器模块，与通常使用的ＩＰ２４０，ＩＰ２４１位置译码智能模块相比，ＩＰ２４２Ａ具有计数范围大，计数精度高，编程灵活方便等特点。３．２．３ＩＰ２５２闭环控制模块的采用Ｉｉｒ２５２在ＳＩＭＡＴＩＣｓ５自动化系统中能够实现高速闭环控制。本系统用来实现活套的自动控制。ＩＰ２５２可以并行处理８个控制回路，编程组态灵活，能实现各种形式的闭环控制，最短的采样间隔是４ｍｓ，从而可实现所需要的高精度闭环控制。而且１Ｐ２５２闭环控制模块能自主地处理控制结构，从而减轻了处理器的负担。另外，如果模块都装在同一个辅助框架上时，则可通过ＩＰ２５２直接寻址附

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加的模拟输入、输出模块，方便使用。３．２．４采用了远程输入、输出站高速线材是一个比较大的系统，控制柜，台分布的范围广，数量多，现场设备及检测元件分布的范围很大。传统的设计是采用电缆将各输入、输出信号逐一输入到ＰＩＥ或ＰＩＥ输出逐一送至被控制设备，这样势必需敷设大量的电缆，设计、施工工作量大、费用高。鉴于这种情况，西钢高线的设计中广泛采用了远程Ｉ／Ｏ智能终端站ＥＴ一２００Ｕ，分散设置在各传动控制柜和操作台内。这种远程Ｉ／０站的特点是配线简单，仅需１根双绞线电缆；传输距离远，最远可达３９３７米；传输速率高，最高可达１５００Ｋ波特；可靠性高，自身含有自诊断功能；控制功能强，可配置数字Ｉ／Ｏ，模拟１／１０，计数，定时，位置控制等多种模块；软件编程在ＣＯＭＥＴ２００软件包支持下很容易实现，调整容易，仅需在Ｉ／Ｏ站本身进行配置参数的设定，其它与普通Ｉ／Ｏ没有差别。

３．２．５设置了与过程计算机进行通信的接口模块ＰＩＥ系统与过程计算机（ＭＡＸ一Ⅲ）的连接通过ＣＰ５２５通信接口模块进行。ＣＰ５２５为点对点通信处理器，传送速率为５０。１９２００波特，接口为２０ｍＡ电流（，ＩｆＩＹ）或Ｖ．２４（ＲＳ２３２Ｃ）信号。

３．３软件设计

ＳＩＭＡＴＩＣＳ５—１３５Ｕ（ｓ５—１００ｕ）应用软件的结构特点是分块（ＰＢ程序块，ＯＢ组织块，ＤＢ数据块，ＦＢ功能块，ＳＢ顺序块等）结构方式，每个块编程具有特定的功能，程序编写、调试、维护简单方便。编程语言为ｓＩＥＰ５，具有梯形图（ＬＡＤ），语句表（ＳＴＬ）和控制系统流程图（ＣＳＦ）三种编程方式，三种方式之间的转换灵活方便，用户可根据自己的特点任意选用。

软件设计中着重考虑了下述问题：３．３．１精轧飞剪自动剪切控制

精轧飞剪是用于预精轧１５架轧机出口轧件在进入精轧机前为了防止轧件辟头等造成事故进行切头、切尾和在事故情况下进行碎断剪切的设备。飞剪型式为回转式，电机及飞轮单向长期运转，用气动离合器、制动器控制剪刃起停。

（１）飞剪切头控制如图３所示，当安装在１５架轧机出口的热金属位置检测器（Ｐ３）检测到轧件头部信号时，门槛电压触发ｌ。高速计数模块ＩＷ２４２Ａ的Ｃ１通道开始脉冲计数，计数器操作模式Ｉ。计数脉冲来自１５４机架脉冲编码器，需要计数脉冲数包括Ｌｔ所对应的脉冲数Ｍ和飞剪制动器脱开到离合器投入延时３００ｍｓ轧件运行距离所对应的脉冲数Ｍｙｓ。这种通过计数脉冲数来间接测量距离的方法，可以大大提高距离测量的精度。

上位机或ＰＩＥ通过运算公式计算出Ｍ和Ｍｙｓ，分别赋值到１。Ｉｔｒ２４２Ａ的Ｃｌ计数器的装载寄存器和保持寄存器中。Ｃｌ第一次计数到（装载寄存器中的值Ｍ），中断ＣＰＵ，控制飞剪制动器脱开；Ｃ１第二次计数到（保持寄存器中的值Ｍｙｓ），中断ＣＰＵ控制飞剪离合器投入，剪刃启动实现切头。剪切完结限位接近开关动作，控制离合器脱开，延时１００ｍｓ，制动器投入，剪刃制动停到原始位置，完成切头过程。

注：

Ｌｔ—热检Ｐ３检测到轧件头部到ＣＰＵ发出飞剪启动信号轧件运动距离（ｍｍ）。

Ｉｏ＿熟检Ｐ３到飞剪剪切点的距离（姗）ｏ

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图３糟轧飞剪切头示慧图

ｋ卜一切头长度（姗）。

Ｉ蠡ｌ广ＣＰＵ发出飞剪剪切信号到剪刃运动到剪切点时轧件运动的距离（ｒ衄）。

①Ｌ上的计算由图３可得出：

Ｉｘ＝Ｌｏ＋Ｌｅｔ—Ｕ幽

这里Ｌｏ的值是常数，Ｌｅｔ可通过操作台或上位机设定或改变，而ｆｉｓｈ值可通过飞剪动力学和运动学的有关公式计算得到，这里不作论述。

②计数脉冲数的计算首先设置基准脉冲数Ｍ０，规定Ｍｏ为１５?轧机出口轧件运动２５６ｍｍ（以便于计算）距离时，对应１５。机架脉冲编码器产生的脉冲数。可通过下式计算得到：

Ｍｏ＝２５６ｉＭ’／ＴｒＤ

注：

ｉ＿１５?轧机减速比；

Ｍ’一１５?机架脉冲编码器每转脉冲数；

Ｄ—１５?轧机轧辊公称直径（ｔ衄）。

那么【土与对应的计数脉数Ｍ之间的关系

Ｌｔ＝Ｍ×２５６／Ｍｏ

Ｍ＝Ｌｔ×Ｍ０／７２５６

同理：Ｍｙｓ＝（３００×Ｖ１５×Ｍｏ）／２５６

（２）飞剪切尾控制与切头控制相似，这里不再论述另外，夹送辊夹送控制，水冷段水咀（风咀）开闭控制以及风冷段风机启停控制等控制原理与飞剪控制原理基本相同，这里也不再论述。３．２．２传动设备集中操作

西钢高线现有受控电机１２台，传统的设计方法是每台电机均有启、停控制按钮、参数设定和显示装置等。这样设计操作台体积庞大，布线复杂，投资大不利于操作和维护。本设计充分利用ＰＬＣ强大的软件功能，来实现众多设备的集中控制。在操作台上仅需安装一组启、停按钮，参数设定装置和显示装置，通过选择不同的设备号就可以对所有在线设备进行操作，大大地减少了硬件设备，操作灵活，方便可靠。

３．３．３运行与调试

由于正常情况下精轧区在线各传动设备一律在操作台或相应的操作点进行操作．并且要求的联锁条件比较复杂，这给单机调试和设备维护带来很大困难。因此在软件设计上，不但编制了正常工作时的运行程序，而且还充分考虑了单机调试的情况，通过选择开关来实现切换。当选择单机调试时，只要与此设备有关的联锁条件满足即可进行操作，并且此时各种操作可在控制柜内实现。这可为设备调试维护带来许多方便。

４上位机系统

４．１硬件配置

上位机系统主要由一台ＣＲＴ，一台打印机及相应的主机硬件组成。安装在精轧主操作室内，用来实现参数设定，有关数据计算，现场参数显示，故障报警及打印各种报表等功能。

４．２Ｃ髓画面内容

为本套控制系统设计的画面分以下几类：

４．２．１运转状况画面

运转状况画面显示各设备的动作情况

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及有关的动态数据，其内容主要包括传动设备的运转情况，传动系统的动态速度，电流值，飞剪，卡断剪及夹辊动作状态以及现场各开关状态等。

４．２．２控制设定画面

这类画面是进行某些控制参数，控制设定值输入及监视的画面，如传动系统的速度设定输入、飞剪切头、切尾长度设定，夹送辊夹头夹尾长度设定，水（风）咀、风机状态设定等。这些参数能灵活地进行设定，修改和删除等操作。

４．２．３故障监视画面

故障监视画面用来监视各种系统或设备的故障。在运转准备阶段，故障监视画面可用来作为对运转准备条件是否正常进行详细确认，运转开始后则可被作为对各控制装置、机械装置的异常监视。

４．２．４报表画面

该画面用于车间管理的各种报表生成、显示打印等。内容包括各种规格品种的轧制程序表，故障统计表，班报、日报、旬报、月报等。

５数据通信系统

５．１ＳⅡ忸ＣＬ１网格

西钢高线电气控制系统配备了西门子ＳＩＭＡＴＩＣＳ５专用的ＳＩＮＥＣＬ１网络。所有ｕ一系列的ＳＩＭＡＴＥＣｓ５可编程序控制器都能连接到该网上，另外该网还可与西门子ＳＩＭＯＲＥＧ６ＲＡ２２传动装置通过附加板Ｚ１０１１接口板实现通信。网络范围达５０ｋｍ，并且最多可连接３０个从站。传输速率达９６００波特，串行传递。软件编程和启动在

ＣＯＭ５３０系统软件包的支持下，方便灵活使用。

５．２ＣＰ５２５数据通道

过程计算机与ＰＩＥ的连接直接通过串行口与ＰＬＣ进行连接。即过程机与ＰＬＣ之间采用了点对点的通信方式。ＰＬＣ侧通信处理器是专用的通信模块ＣＰ５２５，过程机侧是点对点通用通信接口，软件配备有标准通信软件包。

ＣＰ５２５的通信系统软件是西门子专用软件包ＣＯＭ５２５，通过该软件包对ＣＰ５２５模块上的ＲＡＭ或ＥＰＲＯＭ进行编程，输入特定参数等。另一部分用户软件利用通信标准功能块编制，可进行传送（ＳＥＮＤ），接收（ＲＥ．ｃｒａｗ），取（１１Ｅ瓜ｍ）几种类型的通信。

６结束语

综上所述，西钢高线电气控制系统具有较高的控制水平，就其系统构成、硬件配置、软件编制而言，这种系统与以往的系统相比发生了较大的变化，即从简单的单机控制系统发展到多机多级网络式控制系统。在这方面设计上着重解决了；①大型、高功能ＰＬＣ系统的软件编制；②网络的数据通信；

③过程机ＣＲＴ画面及软件编制等问题。经过２个月的现场调试，单体试运转，无负荷联动试运转，冷负荷联动试运转，于１９９８年４月３０日一次热负荷联动试运转成功。在后来的生产情况看，自动控制系统运转状况良好，未发生任何异常现象。这套控制系统为西钢高线工程的顺利生产、达产发挥着巨大作用。

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