硅鋼連續(xù)退火涂層機(jī)組自動化控制系統(tǒng)

0．前言 為滿足國內(nèi)市場對冷軋硅鋼的需求，鞍鋼決定新建一冷軋硅鋼廠，年產(chǎn)80萬t中低牌號無取向硅鋼，其中包括1條酸洗連軋機(jī)組（PL-TCM）、4條硅鋼連續(xù)退火涂層機(jī)組（SACL）、2條重卷機(jī)組和2條包裝機(jī)組。其中NO.1電工鋼（硅鋼）連續(xù)退火涂層機(jī)組（NO.1 SACL）是其中第一條電工鋼連續(xù)退火涂層機(jī)組，該機(jī)組是國內(nèi)第一條全部由國內(nèi)設(shè)計(jì)、制造及軟件編程調(diào)試的SACL機(jī)組。 鞍鋼SACL機(jī)組是由武漢院總承包，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)和自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件編程調(diào)試，該處理線采用了先進(jìn)的自動化控制系統(tǒng)。 1．設(shè)備描述 SACL機(jī)組的工藝組成為：入口段（包括焊機(jī)）、入口活套、堿洗段（包括堿液混合系統(tǒng)、堿液噴洗系統(tǒng)、堿液刷洗系統(tǒng)、高壓水噴洗系統(tǒng)、水刷洗系統(tǒng)、熱水噴洗系統(tǒng)）、退火爐段（包括PH爐、NOF爐、RTF爐、SF爐、RJC爐）、涂層段、干燥段（DF-DS/BS爐、AJC爐）、出口活套、出口段。SACL機(jī)組的工藝處理線如圖1所示： 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)如下： 生產(chǎn)品種： 中、低牌號無取向電工鋼 生產(chǎn)能力： 22.8萬 t/a 產(chǎn)品： 冷軋硅鋼帶卷 原料 鋼卷外徑： max.：2000mm min.：800mm 鋼卷內(nèi)徑： 610mm 鋼卷重量： max.：25000kg 帶鋼寬度： max.：1250mm min.：750mm 帶鋼厚度： max.：0.65mm min.：0.35mm 機(jī)組速度 入口段： 線速度 max.：240m/min 加速度 ~20m/sec2 正常啟/停 ~40m/sec2 快停 穿帶速度 25m/min 工藝段： 線速度 max.：180m/min 加速度 ~10m/sec2正常啟/停 ~20m/sec2快停 出口段： 線速度 max.：240m/min 加速度 ~20m/sec2正常啟/停 ~40m/sec2快停 穿帶速度 25m/min 緊急停車時間：由最高速度到停止時間 ~6s 2．自動化平臺 SACL機(jī)組的自動化系統(tǒng)分為兩級，即基礎(chǔ)自動化級（L1）和過程控制計(jì)算機(jī)級（L2）。其中基礎(chǔ)自動化級包括電氣自動化和儀表自動化，電氣自動化采用PLC系統(tǒng)用于完成主令控制、順控、鋼卷及帶鋼跟蹤的一級工藝控制；儀表自動化系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)用于完成堿洗段、退火爐段能源介質(zhì)控制及特殊儀表和成套設(shè)備(如CPC/EPC、APC、測厚儀、鐵損儀等)的通訊處理。過程控制計(jì)算機(jī)級實(shí)現(xiàn)對帶鋼和機(jī)組設(shè)備的各種參數(shù)有長時間的連續(xù)記憶功能，對動態(tài)過程的干擾量有快速反應(yīng)的能力。一方面利用工藝規(guī)范和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多參數(shù)的設(shè)定計(jì)算，向控制設(shè)備下達(dá)設(shè)定值；另一方面通過測量值收集和分析，執(zhí)行控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)功能，提高設(shè)定值的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)再控制過程，達(dá)到控制目標(biāo)的最優(yōu)化。 自動化控制系統(tǒng)由上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)、PLC可編程控制器、交流變頻調(diào)速裝置、網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場檢測設(shè)備、現(xiàn)場控制設(shè)備等組成。其中下位機(jī)系統(tǒng)使用SIEMENS S7-400 PLC完成現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理；上位機(jī)系統(tǒng)采用工業(yè)PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)可視化的監(jiān)控。 3．基礎(chǔ)自動化系統(tǒng) 基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的主要任務(wù)是：與傳動、工藝功能和儀表相關(guān)的過程控制；設(shè)定值和實(shí)際值處理；從入口到出口鋼卷運(yùn)輸?shù)淖詣禹樞蚩刂?；帶鋼跟蹤；工藝參?shù)控制，如張力等；過程監(jiān)控（HMI）。 SACL機(jī)組基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）和集散控制系統(tǒng)（DCS）共同組成一級自動化系統(tǒng)。各PLC和DCS都完成相對單獨(dú)的控制功能。HMI系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)PLC控制單元和DCS控制單元通信。每個PLC控制單元通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與傳動裝置、R I/O站和編碼器等現(xiàn)場電氣設(shè)備相連，完成檢測和控制功能。自動化控制單元接收過程計(jì)算機(jī)和操作工通過HMI輸入的數(shù)據(jù)，過程信息、機(jī)組狀態(tài)和各種測量值以符號形式、數(shù)值、棒圖和圖表的形式在HMI畫面上顯示。西門子PLC與橫河DCS 之間通過MODBUS點(diǎn)對點(diǎn)通訊。 3．1．PLC控制系統(tǒng) SACL機(jī)組的工藝電氣自動化控制系統(tǒng)以采用SIEMENS公司的SIMATIC S7-400系列PLC為基礎(chǔ)，硬件全部采用標(biāo)準(zhǔn)部件或模塊，如機(jī)柜、供電裝置、CPU、通訊處理器（CP）、功能模塊、數(shù)字I/O模塊等。該系統(tǒng)PLC控制器配置如下： PLC1：PS 407 20A 1塊 CPU 416-2 3塊 DI 1塊 COUNTER 4塊 CP 443-5 2塊 CP 443-1 IT 1塊 PLC2：PS 407 20A 1塊 CPU 416-2 2塊 DI 1塊 DO 1塊 CP 443-5 9塊 CP 443-1 IT 1塊 PLC3：PS 407 10A 1塊 CPU 416-2 2塊 COUNTER 4塊 CP 443-5 2塊 CP 443-1 IT 1塊 PLC4：PS 407 10A 1塊 CPU 416-2 1塊 CP 441-2 1塊 CP 443-5 3塊 CP 443-1 IT 1塊 PLC5：CPU 315F-2 1塊 IM365 1對 DI 6塊 DO 4塊 CP 343-1 1塊 其中每個CPU完成的功能見下表 PLC序號 功能 CPU數(shù)量 1 入口段順序控制 (S7-400)入口段主令控制 (S7-400)跟蹤控制(S7-400) 111 2 工藝段順序控制 (S7-400)工藝段主令控制 (S7-400) 11 3 出口段順序控制 (S7-400)出口段主令控制 (S7-400) 11 4 介質(zhì)部分控制 (S7-400) 1 5 急?？刂?(S7-300F) 2 3．2．DCS控制系統(tǒng) SACL機(jī)組工藝儀表自動化控制系統(tǒng)采用橫河公司CENTUM-CS3000 DCS控制器來完成。DCS 用來實(shí)現(xiàn)溫度控制和監(jiān)測；流量控制和監(jiān)測；液位控制和監(jiān)測；壓力控制和監(jiān)測；電導(dǎo)體控制和監(jiān)測；分析儀監(jiān)測；各爐段溫度、空氣、煤氣、H2控制系統(tǒng)；各爐段壓力控制；換熱器溫度/保護(hù)控制；NOF爐主風(fēng)機(jī)和排煙風(fēng)機(jī)的風(fēng)量控制。操作人員可通過HMI操作站對各爐段溫度的設(shè)定值進(jìn)行調(diào)正或可由過程計(jì)算機(jī)自動選擇。DCS控制器采用4個CPU成對冗余熱備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在任何故障及隨機(jī)錯誤產(chǎn)生的情況下連續(xù)不間斷地運(yùn)行；供電系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)和總線、I/O模塊均可實(shí)現(xiàn)雙重化；V-net總線采用交替工作模式的雙重化結(jié)構(gòu)。采用Windows 2000（中文版）操作系統(tǒng)作為DCS ENG/OS軟件平臺，通過OPC方式與L2機(jī)通訊。DCS的操作站和工程師站之間通過以太網(wǎng)通訊，操作站和工程師站與DCS控制器之間通過工業(yè)以太網(wǎng)V-net通訊。 3．3．HMI監(jiān)控系統(tǒng) HMI人機(jī)接口系統(tǒng)作為基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)重要組成部分，用于控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)的設(shè)定、顯示、故障報(bào)警，以及相應(yīng)操作和設(shè)備的在線調(diào)試及維護(hù)，發(fā)揮越來越重要的作用。SACL機(jī)組電氣自動化系統(tǒng)設(shè)有1臺HMI服務(wù)器，3臺HMI操作站和1臺工程師站。選用3COM SuperStack 3 4200系列的以太網(wǎng)交換機(jī)作為中心交換機(jī)，采用VLAN技術(shù)將端口劃分成PC機(jī)網(wǎng)段和PLC網(wǎng)段。PC機(jī)網(wǎng)段用以連接HMI操作站，PLC網(wǎng)段用以連接PLC控制器。監(jiān)控系統(tǒng)采用SIEMENS WinCC V5.1平臺；儀表自動化系統(tǒng)設(shè)有1臺HMI 工程師站，2臺HMI操作站。 3．4．工業(yè)以太網(wǎng) 目前的以太網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)可以同時傳輸工業(yè)以太網(wǎng)（ISO）協(xié)議和TCP/IP協(xié)議。HMI服務(wù)器與HMI操作站之間采用TCP/IP協(xié)議通訊；HMI服務(wù)器與PLC控制器之間采用工業(yè)以太網(wǎng)(ISO)協(xié)議通訊。 3．5．PROFIBUS-DP網(wǎng) 按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的規(guī)定，PROFIBUS-DP確保與符合其它制造商標(biāo)準(zhǔn)部件連接的開放性。系統(tǒng)自動檢測某個站點(diǎn)是否已退出網(wǎng)絡(luò)，某個新站點(diǎn)是否加入網(wǎng)絡(luò)。以下站點(diǎn)可以被連接：<1>主站點(diǎn)：PLC、工業(yè)PC機(jī)、編程器；<2>從站點(diǎn)：傳動裝置、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、帶PROFIBUS接口的編碼器及其它外部系統(tǒng)（如CPC/EPC等）。 4．總體控制思想 SACL機(jī)組控制部分從軟件功能劃分由四個部分來完成，它們是帶鋼跟蹤系統(tǒng)、主令控制系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)和介質(zhì)部分的風(fēng)機(jī)、泵等控制。為了達(dá)到控制穩(wěn)定、操作可靠的目的，以下控制原則得到采用：<1>單體設(shè)備可通過HMI輸入選定狀態(tài)下設(shè)定為“準(zhǔn)備就緒”；<2>故障確認(rèn)后才能再次操作該設(shè)備；<3>診斷信息系統(tǒng)；<4>事故和急停方案。 4．1．帶鋼跟蹤 SACL機(jī)組的帶鋼跟蹤系統(tǒng)包括生產(chǎn)線上運(yùn)行帶鋼的跟蹤和入/出口的鋼卷的跟蹤。在基礎(chǔ)自動化級的帶鋼跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是帶鋼跟蹤和動作點(diǎn)。跟蹤功能繳活新的設(shè)定值并產(chǎn)生某個動作，如：切換到下卷帶鋼的新設(shè)定值。 4．2．主令控制 SACL機(jī)組的主令控制主要完成與生產(chǎn)線相關(guān)的傳動設(shè)備的控制。它在基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)中完成較高水平的控制，其中包括帶鋼的運(yùn)行控制，傳動的協(xié)調(diào)和線速度運(yùn)算，與傳動裝置的控制信號預(yù)設(shè)定，以及在任意場合基于生產(chǎn)線操作模式變化的工藝控制。為了確保帶鋼順利運(yùn)行，運(yùn)行信號和數(shù)據(jù)一定要被：接收；處理；匹配；傳輸。 主令實(shí)現(xiàn)的功能： 聯(lián)合點(diǎn)動 操作模式控制 線上傳動控制 帶鋼位置控制 帶鋼張力控制 多處理器通訊 4．3．順序控制 SACL機(jī)組的順控功能是完成除了帶鋼線傳動控制以外的所有運(yùn)轉(zhuǎn)控制。例如鋼卷運(yùn)輸部分控制、廢鋼移動等等。 5．過程計(jì)算機(jī)控制 SACL機(jī)組的所有設(shè)定參數(shù)以帶鋼為單位從L2機(jī)獲得。某卷帶鋼在入口段一經(jīng)確認(rèn)，該卷帶鋼的設(shè)定參數(shù)就從二級傳送給一級。所有處于入口段（帶鋼確認(rèn)點(diǎn)）和張力卷取機(jī)之間的帶鋼的設(shè)定值都存儲在一個緩沖區(qū)里，根據(jù)跟蹤系統(tǒng)說觸發(fā)的帶鋼位置而相應(yīng)調(diào)用。參數(shù)設(shè)定值和實(shí)際值都在HMI畫面上顯示。過程控制計(jì)算機(jī)為一級機(jī)提供來料鋼卷的信息（包括鋼卷ID號、鋼卷種類、鋼卷規(guī)格等數(shù)據(jù)）、機(jī)組各段張力的設(shè)定值、存儲原料鋼卷和成品鋼卷各種數(shù)據(jù)信息以及帶鋼同步請求<