天津拓普酸洗机组自动控制系统
概述
该酸洗生产线自动化控制采用上位设置监控计算机，下位控制站采用SIEMENS公司S7-400系列可编程控制器，并以高速数据通讯网络传输连接的集中监视、分散控制自动化系统，电气传动装置采用SIEMENS公司6SE70系列交流变频调速器，交流电机控制中心MCC采用GGD型固定式开关柜。
本文就以下几个方面对该酸洗机组自动化系统的设计和调试加以阐述。
1．机组基本情况
酸洗机组是由预开卷，开卷机、九辊矫直机、1#夹送辊、1～14#挤干辊、烘干风机、2#夹送辊、活套、3#夹送辊、拉剪、废边卷取机、1～3#张力辊、卷取机组成。
主操作台设为头尾各一台，现场操作箱（柜）设为预开卷一个、头尾液压系统各一个，废边卷取一个，酸/水循环一个。
整个自动化系统由交流传动及分布式I/O从站、PLC可编程系统和监控系统（工控机）组成。整个网络系统分为交流传动装置和远程I/O从站与PLC之间采用Profibus-DP网通讯， PLC控制系统与监控系统之间采用以太网通讯。
2．自动化系统的配置及功能
PLC控制系统采用SIEMENS公司S7-400系列，远程控制站采用ET200M系列I/O站，由中央处理单元、存储单元、电源模板、通讯模板、输入输出模板等组成。PLC与分布式I/O从站及传动系统通讯采用Profibus-DP网。如下图-1所示。
PLC控制系统主要完成酸洗各工艺功能的控制，PLC控制器可根据需要完成速度设定、张力设定、活套设定、逻辑控制、监测和报警等控制功能。另外，在开卷操作台、卷取操作台、开卷液压站、卷取液压站、酸循环柜和MCC控制柜分别设有模块化的I/O从站，以便缩短大量开关量信号线的传输长度，由通讯电缆汇总到PLC系统，提高系统控制可靠性，PLC与各自的远程I/O站之间和调速传动装置之间采用独立通讯网络，PLC把设定参数和控制指令传送到终端和各调速传动系统，并收集各调速传动系统的状态和电气参数送到人机接口的显示器显示。
A.与上位机进行通讯
B.控制传动装置运行
C.完成逻辑控制
D.检测报警及存储功能
E.活套运算及控制功能
F.张力运算及控制
3、电气传动系统组成及功能描述
电气传动系统由主传动变频调速系统组成，如下图-2所示:
3.1 交流变频流调速系统组成及功能描述
3.1.1 交流变频调速系统组成
根据要求,本生产线的主传动设备采用SIEMENS公司生产的6SE70系列交流变频调速器组成传动控制系统。6SE70系列交流变频调速系统采用矢量控制电压源型变频器, 每套装置均配置输入电抗器、熔断器、继电操作及电压、电流显示和运行、故障指示等。
3.1.2 交流变频调速系统功能描述
SIEMENS公司生产的6SE70系列交流变频器调速系统的功能是控制全线所有主电机的运行,按工艺要求及PLC系统的设定值工作在速度控制状态或张力控制状态,系统采用矢量闭环控制,稳速精度高,通过对装置的加速度控制可以使钢带平稳升降速,平稳运行。
调速系统的功能:
 与PLC进行网络通讯
 按工艺要求控制电机运行
 给电机再启动时进行自诊断
 速度、电流环自调节
 各类保护(如：过电压、欠电压、过电流、超速、内存故障等)
 电流调节器
 速度调节器
 辅助功能
调速系统的技术参数:
 速度控制精度0.1%
 速度响应时间＜200ms
 张力开环控制精度5%
 张力闭环控制精度2%
3.2 操作系统组成及功能描述
3.2.1 操作控制系统组成
操作控制系统由开卷操作台、卷取操作台和酸循环柜组成。操作台采用琴式操作台，操作台配置I/O从站与PLC进行通讯控制，台内配置操作电源、自动空气开关、各种操作按钮及旋钮、电压和电流、线速度、张力值显示、运行指示、故障指示等。就地操作柜采用标准柜体，配置各种操作按钮及旋钮、运行指示、故障指示等。
3.2.2 操作控制系统功能描述
 受PLC控制
 完成各种工艺操作(穿带、上卷、卸卷等)
 按工艺要求控制电机的起、停及运行
 速度给定及速度级联控制
 分段速度控制
 各段张力控制
 活套控制
 带头跟踪控制
 按工艺要求控制各设备的动作
4．主要控制技术
㈠ 交流变频装置的速度控制要点
对于直流调速系统，通常采用控制调速装置的“系统使能信号”，实现电机的起/停控制，并具有良好的速度响应特性。但对于交流调速系统，当向各个交流变频装置发出系统使能指令时，才开始建立交流电机的励磁电流，由于电机功率不同，故磁场建立的时间差别较大，而磁场电流建立完成前，变频器本身封锁其速度设定使能指令，必会出现变频器发出速度设定使能指令的时间差，造成各电机启动速度不一致现象，而导致堆钢或拉钢问题。实践证明，所有电机磁场电流建立完毕需要约1s，即PLC发出系统使能指令1s后，再发出速度设定使能指令，才可得到理想的速度响应效果。
㈡ PLC与交流变频装置速度/张力控制
全线电控设备根据不同的操作状态分别工作于速度系统或张力系统，由PLC控制实现状态的自动转换。当全线处于点动或联动时，相应的传动装置以速度方式运行，完成上带，穿带，钢带张紧等局部功能。系统的主速度基准分为活套前和活套后两部分。在未起套前，全线以九辊矫直机为速度基准，在起套后，活套前装置以九辊矫直机为速度基准，活套后装置以S张力辊为速度基准。开卷机和卷取机建张后传动装置工作于张力系统，其余传动装置均工作于速度系统。
酸洗线的开卷、卷取需要恒张力控制，此功能通过PLC的PID闭环控制来实现。以卷取机为例说明:运行过程中PLC接收到测速辊反馈的线速度V，与电机的实际转速n进行运算，V=PiDni，算出当时的卷经D值，并给出与D相对应的力矩值，卷取过程中，钢卷连续增大，卷经D的值也连续增大，因此，电机的输出力矩也就连续增大，保证了自始至终钢带所承受的张力为恒定。此外PLC还可根据电机的转动惯量，dv/dt的变化，以及钢带的宽度W等，给出相应的动态补偿和摩擦力矩补偿，用以保证加减速过程中钢带的张力恒定。
㈢ 穿带堆钢保护
酸洗机组由于其酸槽是封闭的，操作工无法看到带钢在其内部的运行情况，如果穿带时带钢在槽内某一处卡住而系统不能自动停车，将造成堆钢现象，严重时将酸洗槽盖顶起，甚至酸液溅出，影响设备及人身安全，能否解决好这个问题关系到酸洗线能否正常生产。为此，我们采用了3项保护手段:
1) 光电管检测保护。通过检测带钢运行速度，用已知的从酸洗槽前的光电管到清洗槽后的光电管的距离计算出穿带所需的时间，由PLC进行监视，如果超过了预计的时间带头仍未到达酸洗槽后光电管，则说明以出现堆钢现象，PLC立即发出停车指令。
由于酸洗槽和清洗槽的距离较长，所计算出的时间也较长，所以，如果仅采用此检测方法，一旦在酸洗槽入口侧出现堆钢现象，则不能及时停车。
2）挤干辊电流检测保护。穿带时，PLC计算出带头到达某挤干辊时，发出该挤干辊压下指令，若钢带已通过此挤干辊，其电机力矩电流将发生变化，因此若PLC判断力矩电流低于预计值，则说明出现了堆钢现象，停止穿带。
3）变频器堵转信号保护。当变频器速度给定值与速度实际值出现差值时，经延时后，变频器发出堵转报警信号。如果带钢在酸洗槽内某处被堵，挤干辊会出现堵转现象，因而PLC通 过判断变频器堵转现象，立刻执行停车指令，并在操作站画面上显示出带钢发生堵转的位置。
实践证明，结合以上3种方法检测穿带故障，时间短、停车快、准确率高。
㈣ 活套控制
在正常的生产过程中带钢应该是处于活套坑内4/8至6/8之间，但由于种种原因，常常不能做到出口段与中央段速度完全一致，而造成带钢在活套内上下跑动。当活套到达4/8时，使出口段减速，而入口段速度保持不变，因而使套量不断增加，带钢到达活套坑内5/8时出口段恢复原速度，与入口/中央段速度一致，以保持活套内带钢套量不变。
5. 人机界面—自动化控制系统操作站
画面操作站采用西门子Wincc操作系统，其系统软件在Windows2000环境下运行，具有很强的操作、监视、报警和打印功能，可满足各种生产过程监控、管理需要。
主要功能及特点：
 可与S7-400通过光缆实现以太网通讯。
 基于窗口的过程监视和操作（以菜单的格式进行画面调用和切换，在主菜单下设有分菜单，可对指令部分作更进一步的监视和操作）;
 不同形式的时间信息显示功能;
 故障信息及用户报表打印系统;
 对一些重要参数有曲线图及趋势图进行监视。
酸洗机组分别在入口和出口配置了Wincc操作站，实现了系统监视和操作的高度集中。不仅可集中显示生产过程的全部信息，完全取代模拟显示仪表及模拟屏，而且通过键盘操作可实现变更系统组态参数，诊断系统故障，并可随时打印故障及生产报表，使管理人员方便的掌握生产情况。
7. 运行情况及效果
酸洗机组自动化系统于2006年10月投入使用后运行正常,在入、出口操作台通过生产人员操作，系统能实时运行应用软件，并且操作人员能方便的查看信息，进行参数设定。经过一段时间运行后程序运行稳定、操作方便，安全性强。通过Profibus-DP网络将PLC、远程I/O站、传动系统连接起来，实现了自动化的集中控制。由于其自动化配置合理，极大地缩短了试车时间和减少生产事故，提高了生产能力及产品质量，并达到了以最小投入获得最大利润。
该酸洗生产线自动化控制采用上位设置监控计算机，下位控制站采用SIEMENS公司S7-400系列可编程控制器，并以高速数据通讯网络传输连接的集中监视、分散控制自动化系统，电气传动装置采用SIEMENS公司6SE70系列交流变频调速器，交流电机控制中心MCC采用GGD型固定式开关柜。
本文就以下几个方面对该酸洗机组自动化系统的设计和调试加以阐述。
1．机组基本情况
酸洗机组是由预开卷，开卷机、九辊矫直机、1#夹送辊、1～14#挤干辊、烘干风机、2#夹送辊、活套、3#夹送辊、拉剪、废边卷取机、1～3#张力辊、卷取机组成。
主操作台设为头尾各一台，现场操作箱（柜）设为预开卷一个、头尾液压系统各一个，废边卷取一个，酸/水循环一个。
整个自动化系统由交流传动及分布式I/O从站、PLC可编程系统和监控系统（工控机）组成。整个网络系统分为交流传动装置和远程I/O从站与PLC之间采用Profibus-DP网通讯， PLC控制系统与监控系统之间采用以太网通讯。
2．自动化系统的配置及功能
PLC控制系统采用SIEMENS公司S7-400系列，远程控制站采用ET200M系列I/O站，由中央处理单元、存储单元、电源模板、通讯模板、输入输出模板等组成。PLC与分布式I/O从站及传动系统通讯采用Profibus-DP网。如下图-1所示。
PLC控制系统主要完成酸洗各工艺功能的控制，PLC控制器可根据需要完成速度设定、张力设定、活套设定、逻辑控制、监测和报警等控制功能。另外，在开卷操作台、卷取操作台、开卷液压站、卷取液压站、酸循环柜和MCC控制柜分别设有模块化的I/O从站，以便缩短大量开关量信号线的传输长度，由通讯电缆汇总到PLC系统，提高系统控制可靠性，PLC与各自的远程I/O站之间和调速传动装置之间采用独立通讯网络，PLC把设定参数和控制指令传送到终端和各调速传动系统，并收集各调速传动系统的状态和电气参数送到人机接口的显示器显示。
A.与上位机进行通讯
B.控制传动装置运行
C.完成逻辑控制
D.检测报警及存储功能
E.活套运算及控制功能
F.张力运算及控制
3、电气传动系统组成及功能描述
电气传动系统由主传动变频调速系统组成，如下图-2所示:
3.1 交流变频流调速系统组成及功能描述
3.1.1 交流变频调速系统组成
根据要求,本生产线的主传动设备采用SIEMENS公司生产的6SE70系列交流变频调速器组成传动控制系统。6SE70系列交流变频调速系统采用矢量控制电压源型变频器, 每套装置均配置输入电抗器、熔断器、继电操作及电压、电流显示和运行、故障指示等。
3.1.2 交流变频调速系统功能描述
SIEMENS公司生产的6SE70系列交流变频器调速系统的功能是控制全线所有主电机的运行,按工艺要求及PLC系统的设定值工作在速度控制状态或张力控制状态,系统采用矢量闭环控制,稳速精度高,通过对装置的加速度控制可以使钢带平稳升降速,平稳运行。
调速系统的功能:
 与PLC进行网络通讯
 按工艺要求控制电机运行
 给电机再启动时进行自诊断
 速度、电流环自调节
 各类保护(如：过电压、欠电压、过电流、超速、内存故障等)
 电流调节器
 速度调节器
 辅助功能
调速系统的技术参数:
 速度控制精度0.1%
 速度响应时间＜200ms
 张力开环控制精度5%
 张力闭环控制精度2%
3.2 操作系统组成及功能描述
3.2.1 操作控制系统组成
操作控制系统由开卷操作台、卷取操作台和酸循环柜组成。操作台采用琴式操作台，操作台配置I/O从站与PLC进行通讯控制，台内配置操作电源、自动空气开关、各种操作按钮及旋钮、电压和电流、线速度、张力值显示、运行指示、故障指示等。就地操作柜采用标准柜体，配置各种操作按钮及旋钮、运行指示、故障指示等。
3.2.2 操作控制系统功能描述
 受PLC控制
 完成各种工艺操作(穿带、上卷、卸卷等)
 按工艺要求控制电机的起、停及运行
 速度给定及速度级联控制
 分段速度控制
 各段张力控制
 活套控制
 带头跟踪控制
 按工艺要求控制各设备的动作
4．主要控制技术
㈠ 交流变频装置的速度控制要点
对于直流调速系统，通常采用控制调速装置的“系统使能信号”，实现电机的起/停控制，并具有良好的速度响应特性。但对于交流调速系统，当向各个交流变频装置发出系统使能指令时，才开始建立交流电机的励磁电流，由于电机功率不同，故磁场建立的时间差别较大，而磁场电流建立完成前，变频器本身封锁其速度设定使能指令，必会出现变频器发出速度设定使能指令的时间差，造成各电机启动速度不一致现象，而导致堆钢或拉钢问题。实践证明，所有电机磁场电流建立完毕需要约1s，即PLC发出系统使能指令1s后，再发出速度设定使能指令，才可得到理想的速度响应效果。
㈡ PLC与交流变频装置速度/张力控制
全线电控设备根据不同的操作状态分别工作于速度系统或张力系统，由PLC控制实现状态的自动转换。当全线处于点动或联动时，相应的传动装置以速度方式运行，完成上带，穿带，钢带张紧等局部功能。系统的主速度基准分为活套前和活套后两部分。在未起套前，全线以九辊矫直机为速度基准，在起套后，活套前装置以九辊矫直机为速度基准，活套后装置以S张力辊为速度基准。开卷机和卷取机建张后传动装置工作于张力系统，其余传动装置均工作于速度系统。
酸洗线的开卷、卷取需要恒张力控制，此功能通过PLC的PID闭环控制来实现。以卷取机为例说明:运行过程中PLC接收到测速辊反馈的线速度V，与电机的实际转速n进行运算，V=PiDni，算出当时的卷经D值，并给出与D相对应的力矩值，卷取过程中，钢卷连续增大，卷经D的值也连续增大，因此，电机的输出力矩也就连续增大，保证了自始至终钢带所承受的张力为恒定。此外PLC还可根据电机的转动惯量，dv/dt的变化，以及钢带的宽度W等，给出相应的动态补偿和摩擦力矩补偿，用以保证加减速过程中钢带的张力恒定。
㈢ 穿带堆钢保护
酸洗机组由于其酸槽是封闭的，操作工无法看到带钢在其内部的运行情况，如果穿带时带钢在槽内某一处卡住而系统不能自动停车，将造成堆钢现象，严重时将酸洗槽盖顶起，甚至酸液溅出，影响设备及人身安全，能否解决好这个问题关系到酸洗线能否正常生产。为此，我们采用了3项保护手段:
1) 光电管检测保护。通过检测带钢运行速度，用已知的从酸洗槽前的光电管到清洗槽后的光电管的距离计算出穿带所需的时间，由PLC进行监视，如果超过了预计的时间带头仍未到达酸洗槽后光电管，则说明以出现堆钢现象，PLC立即发出停车指令。
由于酸洗槽和清洗槽的距离较长，所计算出的时间也较长，所以，如果仅采用此检测方法，一旦在酸洗槽入口侧出现堆钢现象，则不能及时停车。
2）挤干辊电流检测保护。穿带时，PLC计算出带头到达某挤干辊时，发出该挤干辊压下指令，若钢带已通过此挤干辊，其电机力矩电流将发生变化，因此若PLC判断力矩电流低于预计值，则说明出现了堆钢现象，停止穿带。
3）变频器堵转信号保护。当变频器速度给定值与速度实际值出现差值时，经延时后，变频器发出堵转报警信号。如果带钢在酸洗槽内某处被堵，挤干辊会出现堵转现象，因而PLC通 过判断变频器堵转现象，立刻执行停车指令，并在操作站画面上显示出带钢发生堵转的位置。
实践证明，结合以上3种方法检测穿带故障，时间短、停车快、准确率高。
㈣ 活套控制
在正常的生产过程中带钢应该是处于活套坑内4/8至6/8之间，但由于种种原因，常常不能做到出口段与中央段速度完全一致，而造成带钢在活套内上下跑动。当活套到达4/8时，使出口段减速，而入口段速度保持不变，因而使套量不断增加，带钢到达活套坑内5/8时出口段恢复原速度，与入口/中央段速度一致，以保持活套内带钢套量不变。
5. 人机界面—自动化控制系统操作站
画面操作站采用西门子Wincc操作系统，其系统软件在Windows2000环境下运行，具有很强的操作、监视、报警和打印功能，可满足各种生产过程监控、管理需要。
主要功能及特点：
 可与S7-400通过光缆实现以太网通讯。
 基于窗口的过程监视和操作（以菜单的格式进行画面调用和切换，在主菜单下设有分菜单，可对指令部分作更进一步的监视和操作）;
 不同形式的时间信息显示功能;
 故障信息及用户报表打印系统;
 对一些重要参数有曲线图及趋势图进行监视。
酸洗机组分别在入口和出口配置了Wincc操作站，实现了系统监视和操作的高度集中。不仅可集中显示生产过程的全部信息，完全取代模拟显示仪表及模拟屏，而且通过键盘操作可实现变更系统组态参数，诊断系统故障，并可随时打印故障及生产报表，使管理人员方便的掌握生产情况。
7. 运行情况及效果
酸洗机组自动化系统于2006年10月投入使用后运行正常,在入、出口操作台通过生产人员操作，系统能实时运行应用软件，并且操作人员能方便的查看信息，进行参数设定。经过一段时间运行后程序运行稳定、操作方便，安全性强。通过Profibus-DP网络将PLC、远程I/O站、传动系统连接起来，实现了自动化的集中控制。由于其自动化配置合理，极大地缩短了试车时间和减少生产事故，提高了生产能力及产品质量，并达到了以最小投入获得最大利润。
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