冷轧自动化系统综述.docx

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冷轧自动化系统综述

1.80万吨冷轧工程概述

精品冷轧项目于2011年2月开始筹建，围绕国内外市场紧缺的钢材深加工产品，预计投资18亿元，引进全套自动化生产线。

一期工程于2011年10月正式开工建设，预计2012年年底投产。

该项目由中冶京诚工程技术有限公司（原北京钢铁设计研究总院）负责工厂设计，吸收国内同类型工程的实践经验以及现代化企业管理模式，坚持项目建设和设备装备水平的高起点、高效益、低消耗，采用当今国内先进的技术及装备。

主要机组包括：

1450酸轧联合机组、电解脱脂机组、罩式退火炉机组、双机架平整兼二次冷轧机组、单机架平整机、电镀锡机组、拉矫重卷机组、包装机组、磨辊间设施、酸再生机组、110KV专线供电，废水、废油、废酸等处理及相关配套公辅设施。

全线的核心设备由常州宝菱重工机械有限公司加工制造，自动化系统控制器PLC、TDC采用西门子公司产品，各种检测元件采用国际知名品牌，如瑞典ABB板形仪、比利时IRM测厚仪、德国EMG纠偏装置等。

同时，为保证高精度的板面质量及不同板面粗糙度的要求，引进德国WALDRICH的磨床和EDT设备。

本项目设计年产量80万吨，主要生产厚度0.15mm～1.8mm、宽度750mm～1300mm的冷轧薄板和镀锡板。

产品广泛用于建筑、家电、汽车、电子等高科技领域。

公司规划的二、三期工程计划投资建设连续退火、电镀铬、覆膜铁以及印铁制罐等生产线。

产品以镀锡板、涂镀板、覆膜钢板为主，形成多条板材精加工和深加工生产线。

2.自动化系统部分

机组自动化系统由L3（管理执行系统）、L2（过程自动化）、L1（基础自动化）、L0（传动）组成。

管理执行系统MES（简称L3）系统覆盖从合同管理、生产管理、作业计划、质量管理、生产实绩收集、物料跟踪、检化验管理、仓库管理、发货管理等全过程的业务信息处理，MES系统根据公司冷轧产线生产的特点，管理和控制所有冷轧产线的生产过程，使公司的各级管理部门与冷轧厂在物流、信息流上能高度集成，以实现生产过程的全信息化管理，该部分为预留。

过程自动化系统Level2（简称L2）接收由上级系统传来的生产计划，根据计划内容协同数学模型制定相关工艺参数，并下达给基础自动化系统Level1（简称L1），同时监控生产过程中的各种参数，接收L1级传送来的各种过程数据和质量数据，进行处理和记录，向上级系统反馈，对生产计划进行管理。

基础自动化系统Level1（简称L1）收到来自L2的各种数据后，将这些数据同Level0级系统采集到的数据进行比对验证，管理下达工艺参数，对实际的生产过程进行控制，并向上级L2反馈。

传动和马达控制系统Level0（简称L0）主要负责执行由L1级下发的控制命令，对要求的数据进行采集和上传，不具备智能功能，是直接与生产设备相连的控制系统。

2.1过程自动化部分

针对我们厂的冷轧项目，该过程自动化的概念可概述为：

在生产的轧制过程中，通过采用反映轧制过程变化规律的数学模型、自动控制装置、计算机及其控制程序等，使各种过程变量（如流量、温度、张力和速度等）保持在所要求的给定值上，并合理地协调全部轧制过程以实现自动化操作的一种先进技术。

由于对冷轧薄板质量的要求越来越严，因此计算机控制系统已是冷连轧不可缺少的组成部分。

二级计算机系统在生产中的作用：

它利用材料跟踪功能来支持生产；利用模型计算出设置值，并把这些设置值送到现场级，这样可以减轻现场控制系统的压力，也可以统一产品质量；利用神经网络可以多次计算设定点来优化产品；并且可以使操作简单化，解放了大量的劳动力，日志功能可以给工程师等人提供技术参数支持；所以二级计算机实现了现代的、先进的工业自动化。

过程自动化控制级，主要任务有：

与上下级的通讯：

过程自动化控制机提供与现场级的通讯接口，提供与生产管理控制系统的接口。

和以上系统高效通讯，协调各部分间的数据传递。

数据管理功能：

过程控制系统在生产过程中管理的数据主要有：

不随生产过程变化的数据（如带钢原始数据信息，生产线全线张力设定参数、拉矫机设定参数等等）；生产过程中收集统计的数据，对现场控制级所采集的生产线状态和工艺参数、生产数据进行处理，并进行相应的数据格式转换和组装，形成可被三级系统接受的数据信息，并把数据传递给现场控制级；随生产过程变化的数据（如生产计划数据、带钢跟踪数据）。

带钢的跟踪功能：

跟踪带钢在生产线的运动过程，通过带钢的跟踪功能能对现场生产状态时时监控。

轧制规程的选择和设定值计算功能：

生产设定值计算功能主要是对生产过程中的延伸率、压下量、张力等进行计算。

数据统计功能：

对生产过程中每个钢卷的生产过程数据进行统计，并将数据保存在数据库中，以备以后查询和管理。

其次对生产过程中的能源介质消耗进行统计。

其次，过程控制系统的功能还有：

数学模型的自学习、缺陷管理、记录与打印报表等。

冷轧项目的生产线包括：

酸连轧生产线，脱脂、罩退生产线，单机架和双机架平整生产线，镀锡线及其拉轿重卷线。

针对每个生产线的生产工艺的异同，过程自动化控制系统就每条线的配置也有差异，以酸洗生产线为例简单介绍一下过程控制系统的配置：

酸洗生产线硬件配置：

序号

设备名称

设备型号

1

服务器

HPDL580系列

2

HMI客户机

HPPavilionp7-1035cn

3

交换机

D-Link/友讯DES-1026G24口快速以太网交换机2个千兆接口

4

打印机

HPColorLaserJetCP2025

酸洗过程自动化控制系统的软件配置详单：

序号

软件名称

软件类型

1

Windows2008ServerR2

系统软件

2

VisualStudio2010简体中文专业版

应用软件

3

TredMicroClient/ServersecurityforSMB最新版本

应用软件

4

Office2010

应用软件

5

SQLDeveloper

应用软件

6

中间件通讯平台

应用软件

7

PCanywher

应用软件

其酸洗线网络配置图如下图所示：

2.2基础自动化部分

基础自动化系统（L1级）主要由PLC，远程I/O和HMI组成，控制生产线的运行。

其功能主要包括生产线的各种传动控制，工艺和仪表的开环和闭环控制，采集生产线的重要状态信息，质量数据和消耗量数据，并报送二级系统。

提供操作员画面，方便生产线的操作和维护。

其中HMI是基于服务器和客户机原理，相互之间以及与自动化系统之间通过快速以太网连接。

服务器负责过程通讯，数据存储以及与客户机通讯。

客户机作为操作站，显示服务器发来的数据，接受操作工的输入并传送给服务器。

同时采用SIEMENSWinCC（WindowsControlCenter――窗口控制中心）系统软件包作为HMI的核心软件，具有实时监控、历史趋势图和报表、故障信息、良好的人机界面、丰富的图形库、过程控制功能块和数学函数、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。

冷轧项目所用到的基础自动化控制系统所用到的产品介绍:

冷轧项目各个生产机组的基础自动化系统主要采用SIEMENS的S7-400系列PLC和WinCC系统，由SIEMENS提供。

包括S7-400/S7-300/TDCPLC主控制器以及ET200远程I/O站。

这些PLC控制系统与人机接口的WinCC均为西门子公司产品，所以控制系统在以太网及Profibus－DP网通讯上比较简单、易维护。

1、SIMATICTDC

SIMATICTDCCPU为64位RISC处理器、266MHz时钟频率、32MbyteSDRAM内存，最短循环扫描时间100μs，典型值为0.3ms，典型浮点运算时间0.9μs（乘法）。

最快控制周期可小于1ms，适合于应用在分布式生产过程的快速系统中。

硬件集成化程度高，百分之百的工业级芯片，适用于各种温度环境和工业现场环境。

图1SIEMENSTDC

2、SIMATICS7PLC

SIMATICS7系统是为生产和过程自动化而设计的，其拥有一个较高的处理速度和优秀的通讯性能。

即使在恶劣、不稳定的工业环境下，全封闭的模块依然可正常工作。

结合SIMATIC的编程工具，使得SIMATICS7的组态和编程都十分简便，在工程应用中占有了很大的比例。

S7-400是具有中高档性能的PLC，采用模块化无风扇设计，适用于对可靠性要求极高的大型复杂的控制系统。

v

图2SIEMENSS7-400PLC

3、ET200的配置

自动化系统中现场I/O信号的采集采用SIEMENS公司的ET200M产品。

ET200是一个模块化的I/O站，具有IP20的保护等级。

由于它可接的模板范围很广，因此，ET200适合于特殊的和复杂的自动化任务。

ET200是Profibus-DP现场总线上的一个从站，最大的传输速率是12Mbps。

在基础自动化控制系统中，采用了大量的ET200用于主操作室内操作台、部分机旁操作台箱、PLC远程I/O柜，这些ET200通过Profibus-DP网与PLC相连，这样大大减少了现场I/O接线，提供了系统的可靠性，同时也降低了用户投资。

图3ET200远程I/O系列产品

4、HMI监控软件

本工程采用的SIEMENSWinCC（WindowsControlCenter――窗口控制中心）系统软件包是HMI的核心软件，具有实时监控、历史趋势图和报表、故障信息、良好的人机界面、丰富的图形库、过程控制功能块和数学函数、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。

其显著特点就是全面开放，在Windows标准环境中，它很容易结合标准的和用户的程序建立人机界面，精确地满足生产实际要求，确保安全可靠地控制生产过程。

WinCC还可提供成熟可靠的操作和高效的组态性能，同时具有灵活的伸缩能力。

因此，无论简单或复杂任务，都能胜任。

5、针对我厂冷轧项目生产机组基础自动化配置介绍

1）酸洗冷连轧机组

本机组配置了6套SIMATICS7-400系统,3套SIMATICTDC系统和2套SIMATICS7-300系统。

其中分别用于酸洗入口控制（SIMATICS7-400）、酸洗工艺段控制（SIMATICS7-400）、酸洗出口控制（SIMATICS7-400）、酸洗介质系统控制（SIMATICS7-400）、轧机机架控制（SIMATICTDC）、轧区工艺控制（SIMATICTDC）、GDM网络通讯（SIMATICTDC）、轧机辅助控制（SIMATICS7-400）、轧机出入口控制（SIMATICS7-400）、轧区公辅系统控制（SIMATICS7-400）、酸洗区急停控制（SIMATICS7-300）和轧区急停控制（SIMATICS7-300）

2）单双机架平整机组

单机架平整机组配置了1套S7—400系统和1套TDC系统。

其中S7—400用于控制：

顺序控制和辅助系统；TDC系统分别用于控制：

主令控制和机架控制。

双机架平整机组配置了1套S7—400系统和1套TDC系统。

其中S7—400用于控制：

顺序控制和辅助系统；TDC系统分别用于控制主令控制和机架控制。

2.3传动部分

冷轧工程传动主要采用TMEIC与西门子公司产品，

其中东芝三菱电机工业系统（北京）有限公司，由东芝株式会社和三菱电机株式会社组成的合资公司，是世界领先的工业电气和自动化系统设计，工程，制造及研发的供应商。

酸洗线示意图：

使用辅助传动的生产线

轧机线示意图：

主要是主传动的应用场所

TMDrive-70传动采用三电平PWM脉宽调制，全数字矢量控制的整流器（交流-直流）和逆变器（直流-交流）构成的传动系统，适用于主轧机传动等大功率传动系统。

注入增强栅晶闸管（IEGT）是一种新型电压驱动型元件，它具有管压降低和开关速度高的优点。

根据实际情况可选择使用鼠笼电机或同步电机。

以下是主传动系统的列表。

应用

数量

电机功率

电机转速

传动类型

传动配置

MillStand1

1

3000kW

300/900r/min

TMdrive-70

（Conv+Inv）

1x10MVA（Conv）

2x8MVA（Inv）

MillStand2

1

4200kW

400/1000r/min

MillStand3

1

4200kW

400/1000r/min

TMdrive-70

（Conv+Inv）

1x8MVA（Conv）

1x8MVA（Inv）

MillStand4

1

4200kW

400/1000r/min

TMdrive-70

（Conv+Inv）

1x8MVA（Conv）

1x8MVA（Inv）

MillStand5

1

4200kW

400/1000r/min

TMdrive-70

（Conv+Inv）

1x8MVA（Conv）

3x8MVA（Inv）

TensionReel

No.1

1

2000kW

285/1060r/min

TensionReel

No.2

1

2000kW

285/1060r/min

TMdrive®-10e2IGBTPWM逆变器本系列逆变器使用IGBT器件，2电平脉宽调制（PWM）输出。

传动设备满足NEMA1/IP-20防护等级，室内落地安装，前开门结构，可背对墙面或者其他设备安装。

柜体带有上下金属走线槽。

传动设备可以在设备列表中的额定容量下正常工作。

该系列产品的基本特性为：

最大输出频率为200Hz

功率范围为2kVA–2400kVA

输出电压等级为400/460V及575/690V两种规格

逆变单元为抽屉式或者独立柜体式安装。

多层抽屉单元及独立柜体内部的功率单元均具有滑轨，便于拆卸维护

直流进线侧采用公共直流母排形式

连接交流电机和逆变单元的电缆，使用下出线形式，在逆变柜底部接线

控制电源电缆从传动装置底部进入柜内

柜体高度2100mm，柜体深度605mm，标准单柜宽度为800mm或600mm

控制特性：

内置高性能32位微处理单元PP7EX

速度控制范围：

-矢量控制：

0%to100%

-无速度传感器矢量控制（驱动单台电机）：

3%to100%

-无速度传感器矢量控制（驱动多台电机）：

5%to100%

弱磁控制：

-矢量控制：

1:

3max.（可选1:

5max.）

-无速度传感器矢量控制（驱动单台电机）1:

1.5

无速度传感器矢量控制（驱动多台电机）1:

1.2

控制方式;

-矢量控制：

速度控制，转矩控制

-无速度传感器矢量控制：

速度控制

速度控制精度：

-带脉冲式编码器矢量控制：

额定转速的+/-0.01%

-带速度解析器矢量控制：

额定转速的+/-0.1%

-无速度传感器矢量控制（驱动单台电机）：

额定转速的+/-0.2%

-无速度传感器矢量控制（驱动多台电机）：

额定转速的+/-1.0%

展维护和配置用接口：

传动装置可操作面板，带液晶显示，状态指示灯和数模转换监视端子。

适用于Windows操作系统的维护和配置工具。

RJ-45接口用于就地维护