基于西门子TDC的热连轧厚度控制系统

基于西门子TDC的热连轧厚度控制系统控制器/PLC/液压系统1引言可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicalController,PLC)作为计算机型的控制装置,已广泛应用于机械制造、冶金、交通等各部门。无论是单机或多机控制,生产自动控制、生产过程控制及对旧控制系统进行技术改造等方面,都大量采用了PLC[1]。某公司生产的SIEMENSTDC系列PLC,由于其响应及运算的速度快、性能好、网络化控制功能强大,所以能够满足轧钢过程的快速控制要求,并且它与分布式ET200M从站经PRUFIBUS总线连接,构成了新型的现场总线控制系用,也实现了高质量、低消耗、稳定可靠的运行。结合某钢厂热连轧机控制系统,阐述了电气控制系统的设计方案,并详细介绍了应用液压压下系统进行钢板厚度的控制方式及PLC软硬件的设计。2热连轧轧机液压压下系统的组成及总体设计2.1液压压下系统的组成及其原理介绍轧机压下系统是厚度控制的主要执行机构,随着液压技术的发展,所有新建的带钢热连轧机都采用了全液压压下,即长行程液压缸,去除了电动压下,并且在粗轧机上亦采用了这一技术。液压压下系统的自动控制,其本质是闭环控制系统的实际应用,如果在轧机出口安装有测厚计,将自动检测信号与设定值进行比较,得到与目标信号的偏差,再利用运算控制器自动完成偏差信号调节和控制信号输出,最后由电动执行器完成调节任务,使偏差得到消除,就成为自动控制系统。液压AGC辊缝系统是液压压下系统,通过电液伺服阀来控制液压缸的位移量,从而控制轧辊上下移动实现对辊缝的控制,进而实现板带材厚度自动控制的系统。液压AGC辊缝系统是提高板厚控制精度和板带材产品合格率的重要技术,具有惯性小、响应快、精度高、消耗功率小、操作方便灵活、轧机刚度可控和安全可靠的优点,已经成为厚度自动控制系统发展的新方向,其原理图如图1所示[2]。本文所采用的是液压AGC系统的控制方法。液压AGC系统的构成:液压压下装置一般由位移传感器、液压控制器、液压油缸和电液伺服阀等元件组成。系统通过电液伺服阀对液压油缸的流量和压力进行调节,来控制液压油缸上下移动的行程,进而调节轧辊辊缝值。液压AGC通过测厚仪、位移传感器和压力传感器所测得的相应参数的连续量值,连续调整下压的轧制压力和缸位移,从而控制轧机辊缝,进而控制板带材的厚度。一个完整的液压伺服厚度自动控制系统主要由计算机、检测元件为主的控制装置和以一套液压缸为主的执行机构组成。检测元件主要有测厚仪以及安装在液压缸上的四个位置传感器和两个压力传感器。液压AGC辊缝系统是一种典型的具有弹性负载的位置伺服控制系统。目前应用最广的以板材入口测厚作为预控,以出口测厚作为监控,以辊缝位置和轧制压力作为主反馈信号的控制系统。2.2系统的总体控制方案设计系统整体基于TDC网络化控制轧制厚度的方案如下图2所示:基于TDC控制器对热连轧连轧机组中的最后一个机架的连轧机进行压下系统的控制与监视。实现工艺的规定及要求,达到预定的控制效果,并进行在线监控。构成TDC的通信网络施行集散控制,采用工业网络PROFIBUSDP网络。压下系统采用液压压下,通过钢板厚度的测量形成反馈值,使其与设定的钢板厚度为标准进行运算调整,控制压下的位置,以便将实际的钢板厚度快速跟踪上给定的厚度。3系统的硬件组成SIMATICTDC作为西门子控制器家族最高端的产品(SIMADYND的新一代产品)在国内外有着广泛的应用。TDC是工艺型控制器,主打高速的闭环回路(5ms以下周期的),而非常规慢速的PID回路(50ms以上)。典型的应用有:冶金行业的飞剪,热轧,冷轧,连铸。在SIMATICTDC的应用中其网络化的控制是十分广泛和重要的,想要实现系统的稳定强大,因此高速的数据交换是关键。在TDC应用中其使用的网络是GDM,其全称为GlobalDataMemory——全局数据存储。GDM网络是一个光纤通讯网络,由TDC机架组成的星形网络,可以实现机架间所有CPU模板的高速数据交换,最多可以支持44个TDC机架836个CPU并行工作。如图3所示,GDM系统包含一个GDM机架(UR5213)作为GDM主机架,其他的TDC机架作为GDM从机架,一个GDM从机架最多可放置19个CPU,CP52M0缓存模板必须安装在GDM主机架的插槽1中,GDM通讯接口模板可安装在其余的2~12插槽中。每个GDM从机架需要安装GDM接入模板CP52A0,通过光纤连接到GDM机架的CP52IO模板。CP52M0与CP52IO之间的通讯通过机架背板总线VME实现。CP52A0通过光纤与GDM主机架的CP52IO连接,占用CP52IO的一个光纤接口。本文根据现场实际设置一个GDM主机架,6个GDM从机架,其中一个GDM从机架控制一套精轧机设备,而钢板的厚度控制即液压压下系统则由TDC中的一个CPU来进行控制,可在GDM从机架中插入一个型号为CPU550的模板。同时系统还需通过PROFIBUS-DP网络和分布式控制器ET200进行通讯,所以还需在此机架中插入CP50M0的通讯模板,CP50M0集成了2个PROFIBUSDP/MPI接口[4]。西门子的ET200是基于现场总线PROFIBUS-DP或PROFINET的分布式I/O,可以与经过认证的非西门子公司生产的PROFIBUS-DP主站协同运行。PROFIBUS是为全集成自动化定制的开放的现场总线系统,它将现场设备连接到控制装置,并保证各个部件之间的高速通信,从分布式I/O传送信号到CPU模块只需毫秒级的时间。PROFIBUS是属于单元级和现场级的SIMATIC网络,适用于传输中小量的数据。PROFIBUS是一种电气网络,物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤或无线传输。PROFIBUS-DP协议是为满足自动化工厂中分散I/O和现场设备之间所需要的高速数据通讯的需求而设计的。典型的DP配置是单主站结构。主站与从站之间的通讯基于主—从原理,即主站向从站发出请求,按照站号顺序轮询从站[6]。本文的硬件部分的构成,控制器采用TDC,控制轧机的液压压下系统,ET200分布式I/O及智能传感器通过PROFIBUS-DP网络和TDC控制器进行通信,所有传感器采集所需要的测量数据,执行机构同样通过网络由TDC控制器控制。所有工作过程通过网络与监控系统通信,实现实时监控,监控界面可由西门子公司的WinCC监控软件来实现。4液压压下系统的算法及其软件设计在进入轧机前,带坯的厚度偏差经预控测厚系统测得,作为给定量以△e表示,输给伺服放大器放大,并转换成电流信号△i输给伺服阀。伺服阀获得电流信号△i后,转换成液压油的流量△Q,输给压下油缸,实现初始辊缝给定,构成液压轧机控制系统的主回路。该回路与相应的反馈系统联动,实现辊缝控制。当正常轧制时,用位移传感器检测压下油缸的位移信号与输入信号进行比较,若有差值△i输给伺服阀,则伺服阀有流量输出,液压缸动作,实行辊缝控制,构成位置反馈回路。在每个液压缸上有两个对称布置的位移传感器,取其所测出的位移平均值反馈给控制系统,避免油缸倾斜时的测量误差,提高控制精度[5]。压力传感器或测压仪检测轧制力信号并反馈给系统,从而补偿因轧制力变化而产生的工作机座的弹跳造成的辊缝变化,使出口带钢厚度保持不变或变化很少,构成了压力反馈回路。由于轧辊磨损或热膨胀以及位置与压力检测元件本身的误差等因素所造成的辊缝偏差,使给定的辊缝与轧制标准产品所需的实际辊缝产生了偏差,影响了成品带材的厚度,上述位置反馈和压力反馈都不能消除初始给定量的误差,因而在轧机出口要增加测厚仪,测出出口带材的厚度值与要求值之间的偏差,反馈回去和初始给定量相叠加,修正出精确的辊缝,进一步提高控制精度。这就是所谓厚度反馈回路,或监控回路。一个完善的液压AGC系统,除了位置闭环、力补偿环,还设有油膜厚度补偿,来料板厚、温度及前后张力影响的预控和出口板厚的监控系统。其中最主要的是压下位置闭环、轧制压力闭环和测厚仪监控系统。根据电液伺服阀的工作原理,如果把伺服阀线圈中的电流I(或阀芯位移xv)作为输入信号,滑阀上的负载流量QL作为输出信号则有式中:——执行元件的负载压差;——阀的负载流量;;W——功放级滑阀的面积梯度或面积增益;p——油液密度;——流量系数;——阀芯位移;——供油压力。在实际系统中,一般将位移传感器视为惯性环节,即:式中:——位移反馈系数;——位移传感器的时间常数。压力传感器可视为比例环节,即:式中:——压力反馈系数由于测厚仪只能安装在轧机入口前某一位置或轧机出口处某一位置,因此,入口侧从测厚仪到压下中心线的传递函数为一纯延迟环节,即:其中式中:——入口侧测厚仪到轧制中心线之间距离;——入口侧的带材速度;——入口侧测厚仪检测到入口带材厚度。同理,出口侧从压下中心线到测厚仪之间的传递函数亦为如此。本文控制系统的控制策略采用PID调节器,其动态传递函数为式中:——PID调节器的比例系数;——PID调节器的积分时间常数;——PID调节器的微分时间常数。经运算代入整理传递函数最终可得:式中称总压力流量系数。在大多数应用场合,液压动力部件所拖动的负载主要是惯性负载。这时弹性负载甚小,可以忽略,于是式子可写成[3]式中:——液压固有频率;——液压阻尼比。由以上分析可知,液压缸的移动部分质量与液压缸进油腔容积越大,油液的体积弹性模量与活塞有效工作面积越小,则液压缸的固有频率就越低。因此,油液中混入空气的量不同,活塞运动位置不同时,都会引起固有频率的变化。在软件的设计上首先在STEP7中建立新的项目进行系统的硬件组态,根据实际的硬件配置及连接状况在组态界面中将各模块插入相应的机架槽位上,对于控制精轧机的其中一个GDM从机架中CPU550模块放到第一个槽位上,CP50M0-Profibus/MPI模块放到16号槽位上,CP52A0-GDM-Access模块放到18号槽位上,之后编译并下载到TDC的CPU中。TDC的编程使用CFC编程方式,它将详细的程序算法进行封装,预制成标准功能块。在功能块中只留有少量的输入/输出引脚作为程序间的接口,可选用PID控制策略的标准功能块,将算法传递函数参数写入输入/输出引脚。通讯程序同样找到相应的模块进行连接配置,最后编译下载到CPU中。5结束语系统通过长期的现场运行,硬件控制器采用TDC控制轧机的液压压下系统,ET200分布式I/O及智能传感器通过PROFIBUS-DP网络和TDC控制器进行通信建立网络化控制,软件采用STEP7、CFC结构化、模块化编程通过控制算法及PID的控制策略实现了系统的稳定可靠、结构简单、维护方便并且能够取得良好的经济效益。崔桂梅万晨