对棒材连轧机的系统分析
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摘 要：本文所介绍的棒材连轧生产线电控设备主要由自动化控制系统、直流传动系统、轧线变频控制系统、检测元件、操作台等组成。粗、中轧各轧机间一般采用微张力控制，精轧机架间采用活套无张力轧制。
关键词：棒材 控制系统 分析
一、连轧棒材控制系统
（一）直流传动控制系统
直流传动的控制部分可以选用Siemens公司的6RA70系列全数字直流控制器，SIMOREG 6RA70系列全数字直流控制器的电枢回路为三相桥式电路，单象限工作装置的功率部分电路为三相全控桥，四象限工作装置的功率部分电路为两个三相全控桥。励磁回路采用单相半控桥，6RA70在其内部有两台高效能的微处理器承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能。调节功能在软件中通过参数构成的程序模块来实现。
在系统中还选用了CBP通讯板，从而可以与上级PLC通过PROFIBUS-DP网实现通讯。控制系统采用脉冲编码器作为速度反馈，可提高系统的控制精度。
（二）交流传动控制系统
需调速的冷床输入、出炉辊道、喂料辊道等可以选用 Siemens公司的6SE70矢量控制系列。6SE70矢量控制系列变频器由模块化及及高性能系统元件组成，6SE70矢量控制系列。变频器有两种，一种是接到三相交流电网上的变频器，另外一种是可以接到直流母线的逆变器，采用整流单元或整流/回馈单元向直流母线供电。SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制的标准软件包含两种基本控制型式，一种是通过V/F特性曲线的频率控制带或不带转速实际值发送器；一种是磁场定向闭环控制（矢量控制）。在连轧棒材系统中，我们一般采用带矢量控制软件的变频器或者逆变器。
为了与上级PLC通讯，我们可以选用CBP通讯板使传动装置可通过PROFIBS-DP网与上级PLC进行通讯（接受开机、停机、速度指令及报告运行状态表等）。
二、连轧棒材自动化控制系统
（一）自动化系统
上位监控系统为一般有3套工控机，其中2套放在主操作室内，作为全线设备操作、轧制节奏控制、轧机速度设定、轧件跟踪。完成轧制程序及调用、原始数据输入、画面显示、生产报表打印等工作。另一套放在主电室，作为电气系统的诊断、报警和存储，监控电气系统。
（二）过程级(上位机)自动化系统控制功能
1.主操作室的上位机控制系统(人机界面)的功能。PC1、PC2放在主操室，由以P4/1G 处理器为核心的工业控制计算机组成，监控软件拟采用WINCC。其主要功能有：相应轧机速度和参数设定；工艺及机械参数设定输入；轧制数据存储；调用及修改；相关区域轧制画面及重要参数的实时动态显示；故障报警、显示、存储；物料跟踪显示；网络通讯；模拟轧钢等。
2.电气室的上位机控制功能。PC3系统设于电气室内，设备组成与PC1系统相同，但是增加了打印机，其主要的功能有:传动系统的供电单线图模拟显示；显示电机的起停条件；各重要参数的棒状图实时显示；轧线状态实时动态画面显示；物料跟踪显示；故障报警、显示、存储及打印；生产和故障报表打印；网络通讯；系统调试等。
3.轧制区PLC1控制系统功能。PLC1可以选用德国Siemens公司的高档PLC S7-400，通过L2-DP网连接控制粗轧至精轧的18个机架主传动、1#2#飞剪、冷床输入辊道等，同时和主操作台、机旁终端箱的远程I/O站进行通讯。
4.级联速度控制功能。本系统通过级联速度设定及自动级联调节相结合的方式实现级联速度控制。本轧机为连续式轧机，全线各机架间的速度保持着严格的关系。精轧机出口架作基准机架，级联控制沿逆轧制方向进行。这样也可认为将无扭精轧机速度波动降低到最低程度，确保成品高质量。
5.速度设定自适应。活套调节或微张力控制产生的速度修正信号实际上反映了速度设定的误差，这种误差经过自动级联的方式得到修正，该修正值作为速度设定误差的检测，每根钢轧过之后，取其稳定部分修改级联速度设定值（有关机架的减面率）直到架速度修正信号的平均值应为零。
6.机架电机转速。级联速度设定及自动级联调节综合产生的机架线速度，根据对应机架的工作辊径及齿轮减速比等因素折算为电机轴转速，然后线性变换为速度给定信号，通过PROFIBUS-DP通信方式将信号送给可控硅传动装置。
7.冲击速度（动态速度降）补偿。由于传动装置总是存在着动态速降，将影响机架间设定正确的速度关系，使机架间产生轧件堆积，并将占用微张力控制有限的调节时间。冲击速度（动态速度降）补偿是为减轻以至消除上述过渡过程所采取的有效措施之一。
8.微张力控制。在粗、中轧机架实现力矩记忆型微张力控制，目的在于精确调整机架间关系，控制由机架间推拉作用产生的轧件形变，保证轧件断面尺寸在总体上的一致性，提高产品质量。
9.活套自动控制。棒材轧机上的活套是用来检测和调整相邻机架间的速度关系从而实现无张力轧制的一种手段，适合于轧件截面较小的场合。
10.起套器控制。起套辊用于改变进入活套装置的金属运动方向，以产生理想的活套形状。
11.工作逻辑
（1）起套辊伸至极限的位置和缩回到原始的位置的信号来自跟踪系统。
（2）考虑到起套辊动作执行机构的延迟，起套辊伸出信号应提前其动作延迟时间发出。该信号根据轧件跟踪系统提供的轧件头部位置产生。
（3）为适应不同的轧制速度，起套辊延迟时间随时被换算为对应于当前轧制速度的延迟距离。当轧件头部位置大于预定距离减去起套延迟距离时发出起套辊伸出信号。
（4）为防止轧件甩尾，各活套应在上游机架抛钢前完成收套过程，起套辊应按时退回原始位置。起套辊收回控制同样要考虑起套辊动作执行机构的机电延迟，因此收套信号应在轧件尾部离开上游机架之前，提前一个动作延迟时间发出。起套辊的下降延迟时间同样被实时地换算为对应于上游前一机架线速度的延迟距离，在轧件尾部到达前两机架间距减去该延迟距离时发出起套辊收回信号；此同时，活套高度给定在对应的延迟时间内逐渐下降为零。
12.轧件跟踪。本功能为控制系统提供所需的轧件头尾位置信号，用于轧线故障检测及起动有关控制功能。
13.自动故障检测。轧线故障是指在轧制过程中由于各种原因轧件头部未能顺利进入下游机架而出现的跑钢或堵钢现象。自动故障检测的目的是及时发现故障，使系统能够迅速采取措施，进行相应的故障处理（如起动飞剪切废等），从而能限制故障扩大，减少停车处理时间，提供高轧机的生产率。
飞剪前的机架的咬钢检测由对应飞剪控制用热金属检测器来确认，因此不必等到下一机架咬钢时。
14.模拟轧制。模拟轧制是一套轧制仿真程序，目的是模拟现场的检测元件是否正常，如热金属检测器、活套扫描仪等，以及粗、中、精轧机，一号、二号飞剪，三号倍尺剪，裙板、冷床等设备是否正常，这样可减少人为因素造成的轧制事故。
15.负荷观测器。为保证微张力控制的精度，主传动控制系统必须向PLC自动化控制系统提供准确的轧制负荷力矩，因此，利用负荷观测器可有效的从电机电磁力矩中将电机空载损耗转矩、加速力矩滤掉，得出电机的实际轧制负荷力矩。
16.飞剪控制。为了保证飞剪剪切精度，在1#--3#飞剪控制柜中配有S7―300PLC以完成对飞剪的控制，同时通过DP网与上级PLC400进行通讯。
四、结语
总之，现在自动化系统已经广泛的应用在棒材连轧系统中，可以时时监控整条轧线的情况，并且可以及时修正偏差，保证棒材的质量，快速处理故障，提高产品的产量。
【参考文献】
[1]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册[M].机械工业出版社，2005.
[2]张新德.通用元器件初学初用技术手册[M].北京：机械工业出版社，2005.
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