高速线材工程自动化系统设计与研究

摘 要：本文对高速线材连续生产线轧线自动化系统总体技术方案和设计做阐述。

关键词：高速线材；工程自动化；系统设计

中图分类号：TM92 文献标识码：A

1 控制系统总体方案

1.1 总体技术方案。全连续机自动化和调速传动系统由高性能工业微机、可编程序控制器（PLC）及全数字交直流传动控制装置构成。整个自动化系统由控制系统和两层通讯网络构成。

1.2 控制系统。控制系统由过程控制管理级（L2）、人机界面（HMI）与基础自动化控制系统L1构成，调速传动控制系统可理解为L0级。它们分别完成不同的控制功能。

1.3 过程控制。具有物料自动跟踪功能，生产过程管理功能（生产报表等）。

1.4 人机界面（HMI）。人机界面（HMI）由现场终端组成，主要实现自动化系统的人机界面功能，包括：轧制表的输入、存储和修改，轧制参数的设定，轧制过程中各设备状态和电气参数的动态显示及工艺参数的人工调整，电气设备的一般操作及显示，故障报警与记录、存储及打印等。

1.5 基础自动化系统。基础自动化系统采用西门子公司PLC和远程I/O站；突出特点如下：（1）高速。（2）坚固。（3）功能完善、强大。（4）强通讯能力。

所选CPU装备了ProfiBus-DP接口，保证了对分布式I/O进行快速数据交换。强大的通讯模板允许点对点通讯，并可用工业以太网进行通讯。基础自动化系统由多台PLC完成全部自动化控制功能（不包括加热炉本体控制），其控制功能分别如下：（1）PLC1：轧线换辊、轧线辅助轧区液压站和稀油站的控制。（2）PLC2：完成从粗轧机到吐丝机的自动化控制。控制的主要设备有：粗轧机、中轧机、预精轧机、精轧机、活套、吐丝机及夹送辊，并完成对1～3#飞剪、碎断剪的接口通讯。（3）PLC3：完成收集设备系统的自动化控制。主要控制功能包括：a.风冷辊道、风机的控制；b.集卷站控制。

2 通讯网络

2.1 自动化系统通讯网络

第一层：人机界面与PLC之间及PLC彼此之间连成以太网，实现彼此的信息交换。

第二层：PLC与各自的远程I/O站之间和调速传动之间采用ProfiBus-DP通讯网络，PLC把设定参数和控制指令传送到各调速传动系统，并收集各调速传动系统的状态和电气参数送到人机界面的CRT上显示。

2.2 以太网

本系统采用环形工业以太网结构、采用TCP/IP协议。它可连接各PLC、HMI工作站，使之交换信息。

其主要特点如下：

（1）数据传输率：100Mbps。（2）网上工作站数：最多为1024个。（3）传输介质为多模光纤及五类绞线。（4）信息协议帧（或包）的大小可变。

2.3 ProfiBus-DP网

ProfiBus-DP网是一种实时、开放性工业现场总线网络。它的最大优点是能充分利用智能设备的能力。

优点完全归功于以下几个方面：（1）一个优化的ProfiBus-DP信息服务于子集的构造和提高了数据传输速率。（2）高度的容错性。（3）数据的完整性。（4）标准信息帧结构。（5）在操作中可自由地访问每个站。

2.4 人机界面（HMI）

人机界面配置4台高性能工业微机操作站。其中2台放置于轧线主操作室， 集卷操作台1台，另外，1#主电室设置一个工程师站（MS）。采用的WinCC（Windows Control Center-窗口控制中心）系统软件包是HMI的核心软件，它具有数据采集、监视和控制自动化过程的强大功能，是基于个人计算机的操作监视系统。

其轧区主操作台操作站主要功能和画面有：（1）轧制表的存贮、修改和打印。（2）故障报警信息的显示与打印。（3）工艺参数的预设定及修改，包括：a.级联速度设定。b.冲击速降补偿设定。c.辊径设定。d.活套高度设定。e.微张力控制张力系数设定。f.切头、切尾长度设定。（4）轧制过程状态显示包括：a.主传动电流和速度的直方图和趋势图。b.活套高度基准值和实际值的直方图。c.各电气设备的就绪、运行、停止和故障画面。d.故障报警画面。e.显示画面的主菜单和子菜单。f.帮助画面等。（5）电气设备的一般操作，主要为轧制开始前的操作，主要包括：a.各调速传动系统的合/分闸、启动/停止操作。b.自动/手动方式选择操作。c.介质系统的方式选择及设备启动、停止操作等。d.非轧制状态的模拟操作等。（6）炉区操作室操作站（加热炉供货商设计、制造范围）。

3 系统操作

3.1 概述。全线的操作系统由操作站、操作台和机旁操作箱构成。

（1）操作站，主要用于工艺和电气参数设定、运行方式选择、轧制前的一般操作；（2）操作台，主要用于手动操作和在自动方式下实施人工干预；（3）机旁操作箱，主要用于机械设备的调整和检修时的操作。

3.2 监视保护功能

在设备启动/动作和轧制之前，要检查影响其运行的有关条件，包括：（1）检查系统。（2）检查液压系统。（3）检查调速传动系统重故障。（4）检查调速传动系统启动和运行条件。a.、液压故障等。b.电压联锁等。（5）紧急系统包括：快停、急停。

3.3 操作方式。操作方式分为：自动方式、手动方式、检修方式三种，可通过操作站或操作台和机旁操作箱进行选择和切换。

3.4 轧机区操作。轧机区的手动操作（包括轧机调整）和检修操作一般在机旁操作箱上进行。各操作台、箱操作的设备如下：

（1）轧线主操作台。a.粗轧机组启停控制；b.1#飞剪控制；c.中轧机组启停控制；d.2#飞剪控制；e.3#飞剪控制；碎断剪控制；f.预精轧机组启停控制；g.精轧机组启停控制；h.轧线活套；i.吐丝机、夹送辊控制；（2）机旁操作箱若干。完成轧机换辊及正反点动或设备机旁调整等。（3）集卷区操作。集卷区操作的操作由操作台和机旁操作箱完成。（4）基础自动化控制系统主要功能。基础自动化控制系统由4台S7-400构成，PLC1完成轧线辅助控制；主轧线PLC2主要用于轧制过程中的快速性控制（如速度级联、微张、活套、飞剪控制等）；PLC3负责风冷线及集卷站控制系统；PLC4负责数据采集和故障诊断。（5）基础自动化系统配置。基础自动化控制系统的配置原则：a.采用SIEMENS最新型CPU，其运行速度快、存储容量大、网络速度强大；b.系统配置考虑系统的先进性、可靠性；c.每套PLC均配置一定数量的远程I/O站，现场的检测信号、操作台和现场操作箱上的操作和显示信号，均连接到就近的远程I/O站；d.为了提高PLC2控制主轧线控制精度、可靠稳定运行和产品质量，将远程I/O和调速传动系统考虑连接至两个独立的ProfiBus-DP网，以保证系统控制的快速性；e.软件设计上将尽量编制规范的程序块，并合理地安排程序块的调用和执行，最大限度地减少程序周期，提高系统的控制速度。（6）PLC基础自动化控制系统主要控制功能。a.速度级联控制。b.轧线速度设定自适应。c.微张力控制。d.活套控制。e.精轧机控制。f.轧件跟踪控制。

g.飞剪的剪切控制。h.控制冷却。i.吐丝机前夹送辊控制。j.吐丝机控制。k.斯太尔摩运输线控制：速度控制；风机控制。l.集卷站控制。m.速度级联控制。（7）模拟轧制。通过模拟轧件的轧制来确定电气、机械的动作是否正常，它通过自动化控制系统编制模拟轧制控制程序来实现。轧件跟踪及报表生成系统（L2）。轧件跟踪及报表生成系统（L2）由1台L2服务器与3台微机组成，主要实现生产统计和报表的生成与打印。由系统硬件和系统软件组成。（8）轧线检测仪表。检测元件能够产生正确的检测信号并送给控制系统，是保证生产线正常生产的前提。（9）热金属检测器。用于热坯或轧线上轧件头尾检测，产生轧件跟踪信号。（10）活套扫描器。用于轧件活套高度检测，产生活套控制及轧件跟踪信号。（11）高温计。用于轧件温度检测，产生轧件跟踪信号及温度检测、温度闭环控制。（12）温度巡检仪。用于轧线马达或机械设备关键位置的温度检测。温度检测信号通过DP转换模块送至PLC。

参考文献

[1]许劼.高速线材介质分布控制系统研究[D].武汉：武汉工业大学，2005.