基于SIMATIC TDC的冷轧带钢连退处理线自动化控制系统

(中冶南方(武汉)自动化有限公司，湖北 武汉 430223）

摘要：文章介绍了一种基于西门子simatic tdc的冷轧带钢连续退火处理线的自动化控制系统，描述了这种系统的结构组成和控制功能。由于西门子SIMATIC TDC的强大工艺控制功能，控制系统不仅可以完成多样的逻辑控制需求，而且能够满足特殊的工艺控制要求，同时这种控制系统相比传统基于西门子S7-400 具有高效、稳定和易于维护的特点。

关键词：冷轧带钢；连续退火；自动化；SIMATIC TDC

中图分类号：TG333文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）09-0017-03

冷轧带钢连续退火处理线，是获带钢最终磁性和机械性能要求的关键工序，该处理线将清洗脱脂、退火再结晶、涂层干燥等工艺功能集中在连贯的生产流程中，具有生产周期短、布置紧凑、生产效率高及产品质量优良等特点

传统的冷轧带钢连续处理线控制系统多采用可编程逻辑控制器（PLC）加工艺控制功能模块（如T400工艺板）的方式来实现对处理线速度协调及张力的控制，局限于处理器的运算能力，速度及张力控制响应往往达不到最理想的效果。基于西门子SIMATIC TDC的冷轧带钢连续处理线自动化控制系统不仅仅大大优化了系统结构，降低了成本，并且显著提升了速度协调及张力控制的响应时间，使得处理线的稳定运行能力大大增强。

一、概述

基于西门子SIMATIC TDC的冷轧带钢连续退火处理线的自动化控制系统的主要功能包括速度控制、张力控制、跟踪定位控制和特殊工艺控制功能，如开卷工艺控制、卷取工艺控制、活套工艺控制、张力辊工艺控制等。这些功能控制需要大量的解耦计算、同时还需要前馈、反馈和大量的补偿算法，这些都需要强大的运算处理器支持，而西门子SIMATIC TDC处理器正好可以满足这种需求。由于系统采用了TDC机架，使系统的CPU数量减少，降低了工程成本。同时系统的集成度提高，用户界面更友好，故障率降低，便于维护，工作效率提高。基于SIMATIC TDC 的控制器具有模块化的系统结构，硬件扩展方便，采用时间间隔短，特别适合高性能、动态控制任务控制系统。

西门子SIMATIC TDC 控制系统的有以下显著优点：模块化的系统结构；超强的运算能力；64 位底板总线，64 位RISC CPU模板；采样时间可达 100μs，适用于运动控制和闭环控制任务；同步多处理器运行，每个机架最多可有20个CPU；全局数据存储，同步耦合多达44个机架；良好的编程环境，图形化组态编程。

二、控制系统构成

冷轧带钢连续退火处理线自动化控制系统由SIMATIC TDC，S7-400 PLC，S7-315FPLC 控制器组成，其中SIMATIC TDC 设置1 个机架6 个CPU，分别完成全线跟踪、入口段主令、工艺段LCO（线速度协调），工艺段MRG（主速度发生器）、工艺段STC（特殊工艺控制）和出口段主令功能；S7-400 PLC 设置1 个机架，2个CPU，分别完成入口段和工艺段顺控、出口段和公辅设备顺控功能；S7-315F PLC 设置1 个机架，1个CPU，实现全线急停和故障安全系统。

控制系统采用了TCP/IP工业以太网和PROFIBUS DP现场总线网络。工业以太网基于工业级千兆以太网交换机，通讯速率高达1000M，配合光纤端口链路进行远距数据传输，大大的提高了网络速度和传输稳定性。PROFIBUS DP网络是一种应用较为广泛的现场总线网络，它使用双绞屏蔽电缆，通讯速率最高可达12M，本控制系统采用PROFIBUS DP现场总线连接操作台箱、远程I/O、主、辅传动控制器等子系统，大大减少硬线数量，有效提高了系统的简洁性和可

靠性。

三、控制系统功能

（一）顺序逻辑控制

顺序逻辑控制主要完成单体恒速设备的控制以及离线辅助设备的控制，主要是针对恒速电机、各种阀门及公辅介质系统。

（二）线速度协调控制

线速度协调控制是每个设备段（开卷段，退火段、卷取段等）的上层控制级，控制系统根据生产线当前的运行指令选择不同的工作模式，设定相应模式的速度、加速度等运行参数。它协调所有带钢的处理过程、传输，并启动相应的设定、定位、控制、剪切等程序。线速度协调控制是一种叠加任务，用于每个设备段并完成所有带钢传动的分配和协调，以确保最佳带钢动作。

线速度协调控制程序当中大量应用的是逻辑控制组合，基于图形化的CFC连续功能图开发界面，使得程序当中的逻辑控制更加直观、易解。

（三）主速度斜坡发生器

主速度斜坡发生器执行线速度协调控制和带钢运输传动间的连接。其中包括带钢运动需要的所有功能，如速度斜坡函数发生器用于设备运转和加速，发生器在设备的启动、加速时，运算产生一个平滑的启动过程，以保证稳定的带钢张力等控制特性。加速度（dv/dt）作为传动的预控制，能减轻设备驱动负荷，改进其动态响应。

由于需要根据时间坐标不断计算速度斜坡及加速度斜坡以产生平滑的启停过程，积分及微分运算的性能在主速度斜坡发生器中起着至关重要的作用。传统的逻辑控制器，因为受到CPU运算性能及循环周期的影响，其PI计算时间间隔会受到一定的限制。SIMATIC TDC CPU551可保证严格根据可调的采样时间间隔(最小0.1ms)进行循环处理。对于每个循环，操作系统本身只需要25～50μs的循环时间。这就意味着运算时间非常短，例如每个PI控制器大约为 1～3ms。

（四）带钢定点定位控制

带钢定位点定位为闭环控制系统。采用这种闭环控制系统可对某专门带钢定点进行定位，如：带头、带尾，将这一点定位在设备的特定位置上。装在张力辊或夹送辊上的脉冲发生器作为信号传感器，作为带钢定点定位的距离反馈。带钢定点定位有以下功能：

1．带钢头部定位（如带头定位在切头剪、焊

机等）。

2．带钢尾部定位（如带尾定位在焊机、卷取机上等）。

3．自动减速功能，例如出口段分卷时，带钢自动减速保证速度降低或到零速，以便焊缝剪切。

（五）特殊工艺功能控制

特殊工艺功能控制主要包括带钢张力控制、开卷取卷径计算及活套卷扬速度控制。

带钢张力控制从原理上说，有两种控制方式可以选择，即通过对传动力矩的限幅，计算张力理论值实现的间接张力控制和带有张力计反馈的直接张力控制。开卷取卷径计算功能保证带钢在开卷或卷取过程中保持稳定的速度及张力，不会因为开卷取机上钢卷外径发生变化而产生波动。因为活套内带钢速度和张力受到进出活套带钢速度和张力的影响，同时考虑到运行时带钢摩擦、带钢自重的因素，对活套卷扬速度的精确控制是保证活套内带钢速度及张力稳定的必要条件，活套卷扬速度控制可以很好的完成这个

功能。

通常情况下，冷轧连续退火处理线的带钢张力控制及开卷取卷径计算等特殊工艺控制放在工艺控制功能模块（如T400工艺板）或上位控制PLC当中。在采用T400工艺板这种方式时，不但增加了上位控制和传动执行装置之间的通讯负荷，同时也使得数据运算流程更加复杂。而将特殊工艺控制程序放在上位PLC当中，势必会影响到整体控制系统的性能。基于SIMATIC TDC的特殊工艺控制，一块CPU551就可以完成10块左右T400的程序量，简化了数据运算流程，最大的利用了TDC VME64位数据总线性能，同时还降低了系统成本。

（六）物料及焊缝跟踪

处理线运行过程中，物料及焊缝跟踪惯穿整个生产线，焊缝跟踪需要在焊接时对焊缝处冲孔。控制器通过张力辊上的脉冲发生器，根据带钢速度计算钢卷的头尾在开卷机/卷取机间的位置，并且当在线焊缝检测装置产生信号时，同步修正计算的焊接实际位置，使焊缝跟踪同步。此外，物料和焊缝跟踪还包括如下功能：

1．带钢信息跟踪，从入口一直到出口。

2．每个钢卷的信息化管理，位置、状态等显示在HMI上。

3．控制和切换设定值（如张力设定），使相应的控制器使能带钢同步。

4．带钢位置的初始化。

（七）人机接口（HMI）

人机接口通过以太网相互联接，并以与基础自动化相联的服务器和客户机为基础。图形以图形标准接口为基础。每个服务器覆盖一个专门的处理线区段或者一个专门的功能。服务器管理着过程通讯、数据存贮以及与客户机的通讯。各个客户机将此用作操作站。它们显示从服务器发出的数据，接受操作员输入，并将它传送至相应的服务器。本自动化系统的HMI 方案的优点如下：

1．服务器和客户采用标准操作系统（Microsoft OS）。

2．基础自动化和过程计算机系统采用统一的操作和直观显示。

3．口令保护功能，便于安全的处理线操作。

4．直观显示与基础自动化之间采用优化后的接口，从而降低了总线负荷。

5．面向对象的数据处理。

四、结语

在冷轧带钢连续退火处理线控制系统当中，主令协调控制是所有控制功能的核心和主控单元。它根据操作人员给出的操作指令，执行工作模式的切换，并且产生相应的运行速度，最终控制所属区域的传动装置协调一致动作。同时，收集传动装置的实际运行状态及故障信息，实时反馈给操作人员和维护人员。基于SIMATIC TDC的冷轧带钢连续退火处理线控制系统由于同时具备良好的逻辑处理和强大的数据运算能力，能够很好的满足这一控制需求，同时由于各个控制子模块之间通过虚拟连接通讯，子模块之间在保证各自完整功能的同时又具有很好的独立性，因此根据不同的控制需求可以灵活的组合各个功能模块，方便调试、维护及功能扩展。

除此之外，SIMATIC TDC的编辑调试环境支持功能块的在线插入，离线和在线得以同步更新，让后期软件程序的维护工作变得更加方便，可以做到不停机修改，大大减少了系统停机时间，提高了处理线生产效率。

SIMATIC TDC一般多应用于轧机、平整机等控制系统当中，将其用于冷轧连续处理线是一种开创性的思路。事实证明，这种创新不但能取得优良的控制性能，并且也能获得相当的经济效益。

参考文献

[1]鲍伯祥，陆章杰，王世宁．西门子TDC编程及应用指南

[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007．

作者简介：丁炜（1981-），男，湖北罗田人，中冶南方（武汉）自动化有限公司工程师，研究方向：钢铁冷轧处理线自动化控制技术。