热镀锌机组自动化系统总体配置--控制网

热镀锌机组自动化系统总体配置

企业：	控制网	日期：	2005-07-19
领域：	电源	点击数：	1913

1 概述

    济南钢铁集团总公司年产20万吨钢带连续热镀锌机组（以下简称为济钢镀锌机组）的自动化系统是国内自行设计，由新冶高科技集团有限公司（以下简称为新冶集团）负责总包成套的工程项目，该自动化系统采用SIEMENS公司最新产品，具有国内一流的装备和控制水平。系统包括电气传动及在线检测仪表（L0）、基础自动化（L1）和独立的炉区自动化仪表系统。其电气传动系统采用交流全数字调速装置，基础自动化系统采用PLC控制器，主令控制部分由新冶集团负责，传动控制部分由SIEMENS公司负责，炉区自动化仪表系统采用全数字脉冲控制器。基础自动化系统中的操作部分根据工艺区段划分为：入口段、工艺段和出口段。

2 自动化系统总体配置及特点

    济钢镀锌机组自动化系统采用分布式控制系统结构，与常规按区段功能划分原则进行设备配置的系统不同，本系统直接以机组总体功能要求进行设备配置，充分利用了当今新技术产品的高性能和灵活的扩展性，结合以往同类机组成功运行的工程经验，在SIEMENS公司的支持下构建了崭新的简约高效的自动化控制系统，该系统在不降低系统功能的前提下，有效地控制了系统的总体造价，特别适用于国产化高技术水平机组的推广，其总体配置如图1所示。

2.1 基础自动化
    基础自动化系统分入口段、工艺段和卷取段三个控制区，分为主令控制器、传动控制器和炉区自动化仪表三个控制单元，实行区段控制按功能统一在同一控制器实现的原则，即三个区段的主令操作及机组逻辑顺控统一在主令控制器上完成，传动部分张力、速度的建立、协调在传动控制器上完成，炉区自动化仪表作为一个相对独立的控制单元满足工艺对连续还原炉控制功能的需要，从而实现了控制目标的功能分解和控制功能的标准化处理，提高了系统的运行效率，满足了济钢镀锌机组自动化系统控制的实时性要求。
    济钢镀锌机组自动化系统的操作采用主令控制器与人机接口相结合的方式，由分区设置的操作站（HMI）、操作台箱和机旁站将全线的主令及功能性信号通过大量设置（11个）的远程输入输出信号站（ET200）通过网络（PROFIBUS-DP）传送至主令控制器，由主令控制器完成相应的顺序逻辑判断后输出对应的逻辑指令。为满足现代化控制系统对高水平人机接口的要求，使生产过程和控制系统具有有良好的可视性和透明性，便于操作和维护，系统在各操作室配置了多台操作员站，直接用于生产过程的集中监控，另一方面，在标准操作员站功能的基础上开发了数据库背景的小型报表处理系统和物料跟踪系统，具备了二级控制系统的部分功能，也为系统向二级扩展提供了良好的基础和接口功能。
    济钢镀锌机组自动化系统的传动采用独立的传动控制器，该部分软硬件均由SIEMENS公司提供。该控制器用于机组区段速度、张力值的设定、调节，用于成组传动设备间的同步补偿，用于开卷取设备的卷径计算和带钢定位，用于入出口活套的位置控制等。同时传动控制器机架上还配置有专用处理模块FM458，该模块建有光整机控制模型和外部数据接口，用于光整机和拉矫机的控制与调节，协调各控制功能的稳定运行和平滑过度。机组张力分为11个区段，各区段名称及调节范围如图2所示。

图2 11个区段

济钢镀锌机组炉区自动化仪表系统的特点之一是采用了与以往常规燃气控制方式不同的脉冲燃烧控制方式，由PLC实现温度模型计算与给定，由成套引进的霍克德专用脉冲控制器进行脉冲调节，这样根据炉区温度分布确定的8个炉区温度调节回路既具有独立调节功能，又可满足成组调节需要，

图1 总体配置图

   同时避免了常规多回路并行双交叉限幅控制运算中的实时性问题，是当今大型加热炉控制系统广泛采用的先进技术；炉区自动化仪表系统的特点之二是采用双闭环脉冲控制技术，即以热电偶反馈为内环，辐射板温计为外环调节的调节系统，该种控制方式在直热式工业炉中已被广泛采用，但在还原性气氛中的还原退火炉中并不多见，近年来，由国外公司承建的相关机组大量采用该技术，技术日趋成熟，实际应用中也使得其装备水平和目标控制精度大为提高，本系统建立的双闭环控制模型是国内自行设计开发，并在同类机组实际运行中投入运行的国内第一家双闭环炉区温控方案，在理论与实际应用上均具有重要意义。

2.2 电气传动系统
    电气传动系统包括：交流变频主传动系统（以下简称为主传动系统）、交流变频辅助传动系统（以下简称为辅传动系统）和交流马达控制中心（MCC）；系统总装机功率合计约为4111kW。主传动采用IGBT交直交变频控制器，由Master drive逆变器实现调速控制，供电采用两段800kW公共直流母线，直流母线段上设备制动方式为电阻能耗制动。辅助传动系统采用SIEMENS工业风机水泵类专用变频控制器430系列产品MicroMaster430构成，装机功率约为405kW，MicroMaster430除了具有第四代变频器的特点外，还具有用于风机和泵类的硬件和软件特性，尤其适合需节能、降噪的工业应用环境。MCC系统用于在线定速电机的分合闸控制，为方便系统调试及维护，MCC配有独立的操作单元（OP27），并通过远程输入输出信号站（ET200）与基础自动化的主令PLC进行通讯从而节省了大量的控制电缆，提高了系统的可靠性，简化了设计和施工，MCC系统装机功率约为1673.25kW。

2.3 计算机网络

计算机网络主要由基础自动化级以太网、过程现场总线、控制器间并行通信光纤及各种通信接口组成。

(1) 基础自动化级以太网
    基础自动化级以太网是一个符合IEEE802.3标准，采用CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）介质访问控制协议，并使用2通道光纤传输为载体的计算机局域网。它遵循ISO/OSI（国际标准化组织/开放系统互联）7层参考模型对数据连路层和物理层的定义原则，通过对传输层和网络层定义的TCP/IP（传输控制协议/互连网协议）实现网络通讯。
    主令PLC、传动PLC、炉区自动化仪表PLC和各操作室的HMI设备通过各自的以太网接口与3COM交换机直接连接，该交换机具有10M/100Mbps自动识别和转换传输功能，可作为未来联系二级的通道。由于入出口操作室与工艺操作室分布在机组的两侧（操作侧与传动侧），距离较远，所以采用光纤作为传输可有效的提高信息传输的效率与可靠性。

(2) 过程现场总线
    过程现场总线是采用欧洲工业现场总线标准EN 50170的开放型通信系统，为主从工作方式，主要用于连接现场设备。本系统中采用PROFIBUS-DP网络用于连接传动变频器通讯板（CBP）与传动控制器间的高速数据传送（光纤方式下最大为12Mbps），用于连接远程输入输出站（ET200）通讯模块（IM153）与主令控制器间的数据传输（专用电缆传送速率为1.5Mbps）。

2.4 炉区自动化仪表系统
    以连续还原退火炉温度控制为核心的炉区自动化仪表系统采用SIEMENS公司S7-414 PLC为控制器，主从方式配置的4套远程输入输出单元根据就近原则设置在炉区现场，各单元机架上配有温度专用处理模块FM355，FM355 有 4 个分离的闭环控制通道，具有下列特点：
? 预制的控制器结构可用于：固定的设定点控制、级联式控制、比例控制、3组件控制；
? 根据所选控制器结构，几个控制器可以组合成为一个结构；
? 模式选择自动模式、人工模式、安全模式、后续模式和备份模式；
? 采样时间（根据模拟输入和补偿输入的分辨率）：12 bit：20 ms~100 ms，14 bit：100 ms~500 ms（取决于使能的模拟输入数目）；
? 2个闭环控制算法：自行优化温度算法、PID算法；
? 用户友好型控制器优化：温度算法的自行优化功能储存在模块内，在设定点的变化大于 12% 时，它会自动激活。PID 控制算法是利用配置包内的参数设置屏幕格式进行优化的；
? 备份模式：一旦 CPU 发生故障或 CPU 停止工作，控制器能够独立地继续工作。为此目的，利用“备份模式“ 功能设定一个可参数化的安全设定点，或一个可参数化的安全可操纵变量；
? 扰动变量输入：模拟输入可用于输入扰动变量以及实际值；
? 模糊温度控制器的所有参数可以读出和编程；
? 模块参数可以联机改变；
? 功能模块和实例数据库之间的数据比较；
? 由于通信是通过I/O访问而不是通过 SFC RD_REC和WR_REC 显著地加速了操作；
? 炉区自动化仪表系统双闭环温度控制系统功能框如图3所示。

图3 炉区自动化仪表系统双闭环温度控制系统功能框图

为满足工艺对带钢目标温度的直接控制要求，系统在炉温间接闭环控制的基础上叠加板温前馈和反馈闭环控制功能，系统不但在功能上能够实现板温闭环与炉温闭环的独立控制，而且可通过双闭环嵌套控制算法实现两种控制功能的平滑切换，有利于系统的稳定和炉区温控经验模型的建立。

2.5 过程检测仪表
济钢镀锌机组配置了大量的过程检测仪表以满足高自动化水平机组连续运行的条件，在技术条件满足工艺要求的前提下，设备供应商多采用国产设备，主要内容如表1所示。
表1

3 自动化系统的性能指标

    性能指标包括工艺保证值和电气保证值两部分。
    工艺保证值是对带钢工艺参数，如温度、机械延伸率、镀层厚度和表面质量等的考核要求，由工艺专业与电气共同负责。考核方法是根据实际产品及生产实测值，参照相应的国家检验规范进行检测。本机组产品检验标准为：GB/T2518-1988。
    电气保证值是对传动系统性能指标及控制系统可用率的考核要求，由新冶集团和SIEMENS公司共同负责。

(1) 传动系统（由SIEMENS公司负责）
    静态速度精度≤0.01%；速度响应时间≤60ms；张力间接控制精度≤5%；张力直接控制精度 ≤3%；电流响应时间≤15ms。

(2) 控制系统可用率
    PLC控制器和数字控制系统：95%；传动系统：99%；工艺检测仪表：99%；HMI硬件：99%

4 FM458控制模块

作为本机组自动化系统独立模型的硬件单元，FM458具有如下特点：

    FM458 应用模块（功能模块）设计用于SIMATIC S7-400 PLC 系统内的高性能开环和闭环控制任务。
与两类扩展模块组合使用时，FM458 允许更多高动态性能尤其是与驱动相关的应用，如以下的场合：
? 用于变频器进给直流和交流驱动的闭环转矩，速度和位置控制，例如用于闭环同步运转，张力调节辊或张力控制，缠绕机，多电机驱动装置，齿轮/电机测试台，复杂设定点计算和横裁断机与“防破坏”电动轴的闭环控制；
? 高动态性能的水力驱动装置。
    在本机组中FM485模块建有光整机控制模型及外部数据接口，用于光整机和拉矫机的控制，实现的功能有：光整机延伸率控制；光整机轧制力控制；位置控制；张力控制；弯辊控制；过焊缝控制等。
    FM485的应用可利用 STEP7 和CFC（连续功能图表）自由的组态。组态的程序必须装到FM485的MC521存储器卡中。

5 结语

    本文介绍了一套崭新的带钢连续热镀锌机组的自动化配置方案及其主要技术特点，济钢镀锌机组自动化系统的装备水平和操作水平在国内同类机组中具有较高水平，其功能设置和设备配置采用了当前国际流行的最新技术和产品，体现了简约、高效的设计理念，对于国产高质量标准机组的自动化系统设计和应用具有现实指导意义，该设备配置方案日臻成熟，已开始在国内推广。

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