ABB控制系统在高速线材生产线的应用

ABB控制系统在高速线材生产线的应用作者：李贵菊刘少锋刘华郑士芳发布时间：2007-6-811:45:00摘要：针对高速线材生产线控制精度高、运转速度高、控制复杂的特点，邢钢的4条高速线材生产线采用ABB的AS520操作员站系统、RMC系统、全数字调速传动控制系统，7年多的生产实践证明，能够可靠、稳定、精确、高效地运行，且界面友好、保护功能完备、故障诊断功能强，便于系统维护，获得了良好的社会、经济效益。1前言高速线材生产线以高效率、高经济的优越特性，在轧钢行业中得到迅速发展，它也是各种新技术应用最为广泛的一个领域。高速线材生产线需要配备高运转速度、高灵敏度、高精度的控制系统，目前广泛采用计算机过程控制、精密的数字调速传动控制系统来完成。因此一级计算机控制系统、传动控制系统，以及具备友好的人机对话功能、兼备直观快速故障诊断功能的上位机监控系统，成为高速线材生产线技术的核心，得到了迅速发展。邢钢的4条高速线材生产线电气核心控制均采用ABB轧线控制系统，以DCS600系列全数字直流调速传动及AC8600系列全数字交流变频调速传动装置为基础，以AC450RMC为主控制器的PLC及分布式I/O控制系统为核心，采用界面友好、功能强大、高可靠性的AS520操作员站（advantstation520），通过不同的现场总线通讯网络联接，形成并行运算、集中管理、分散控制、资源共享的集散式计算机控制系统。由于控制分散，可靠性增强，局部控制元件故障不影响模块的正常运行；而集中监控，则可使操作及管理人员掌握全局过程控制，同时便于系统维护。ABB公司在国内已经成功设计、调试了10余条线材生产线，具有丰富的现场调试经验和技术诀窍（knowhow），利用已经形成的标准化、模块化的线材轧机控制软件包，在高速线材生产线的控制领域具有独特的技术优势。2生产工艺流程邢钢4线车间共设轧机28架，采用全连续布置方式，轧机平均小时产量为75t/h，第一架轧机入口速度大于0.1m/s，设计年产量50万t，产品规格Ø6.5～16mm。生产工艺流程图如图1所示。当生产线上出现事故时，系统可根据发生事故的区域制动相关的轧机，并启动1#，2#，3#飞剪碎断轧件以避免事故继续扩大。3ABB轧线控制系统组成系统组成示意图见图2。Advant控制器是面向工业自动化应用的一个开放的、集散控制系统，并有多种网络通讯方式可选用，例如现场总线（Fieldbus）、局域网和广域网（1ocalandwideateanetworks）。AdvantOCS控制系统无论在小型的机械设备还是大型工厂自动化控制均可以广泛应用，它提供了覆盖过程控制所有方面的强大功能，主要控制功能为：①通过中央或分布I/O与过程接口；②逻辑和顺序控制；③调节控制，包括自调节、自适应；④管理和优化控制；⑤定位控制；⑥电机传动调速控制；⑦计算和过程优化；⑧报警和事件记录；⑨测量值和计算值的记录。3.1线材自动化控制系统ABB轧线自动化系统包括：一级自动化控制，即基础自动化系统；人机接口操作员站系统等。3.1.1一级自动化（基础自动化）一级自动控制系统硬件主要采用以AC450RMC为主控制器，通过现场总线AF100和MB300对通讯设备、输入/输出设备、传动设备进行集中控制。AC450RMC控制器，全称TheAdvantController450RollingMillControl，是一种32位高性能逻辑调节处理器，每个控制器可以扩展到最多5700个模拟和数字I/O点，具有8或16M动态内存，主CPU采用摩托罗拉68040芯片，工作频率25MHz。与AC450控制器直接通过MB300系统总线连接的I/O模块叫作本地I/O模块，即S100模块，主要用于现场高速输入/输出控制；通过现场总线AFl00通讯连接的I/O模块叫作远程I/O模块，即S800模块。远程I/O包括：现场总线接口FieldbusCommunicationInterrace（FCI）、I/O模块基板（MTU）及I/O模块。每个AC450PLC可以连接2条AFl00现场通讯总线。4线的自动化控制系统共由4套控制器控制，根据设定的网络节点号分别称为RMC5，RMC6，RMC8，RMC9，分别控制不同的区域和功能，主要控制功能如下。1）RMC5。粗轧1～6架各机架的各项参数设定；2，4，6架立辊提升；出炉辊道、高压水除鳞、拉出机、1#剪等；轧制、冷却程序的调用处理；1#，2#水箱控制；粗轧微张力控制。2）RMC6。中轧7～18架各机架的各项参数设定；中轧微张力控制；1#～5#立活套自动控制；2#剪控制；8，10，12，14架立辊提升等。3）RMC8。2#夹送辊、3#剪、精轧机、侧活套、吐丝机和夹送辊、精轧后3#～6#水箱等。4）RMC9。SM风冷辊道、风机、集卷站等。3.1.2人机接口操作员站系统人机接口采用AdvantStation520OS操作员站。操作系统采用UNIX系统，控制软件是ABB的AdvaCommand，Operatorfumctions。具有2台高分辨率彩色显示器的紧凑型、高性能的台式工作站，可连接至MasterBtJs300总线、TCP/IP网。AdvantStation520OS操作员站的计算机接口技术主要有以下几种：高分辨率的彩色图形技术、窗口技术、点击操作技术（采用可靠耐用的工业专用键盘、便捷灵活的跟踪球Trackball），并提供丰富的监控功能、系统自诊断功能等。3.1.3通讯AdvantOCS控制系统各单元之间、与其它计算机、与其它通讯系统的通讯采用Master-Bus300（MB300）总线网络，它自动配置拓扑结构。新建站点连接至总线、起动后，自动更新拓扑结构、不需要重新设置。AC450的各CPU之间、与操作员站、与工程师站的通讯采用MB300总线（传输速率10Mbit/s）。与其它计算机、通讯系统的通讯连接需加装MasterGate。AC450RMC与ABB的交流调速传动设备（ACS600）、直流调速传动设备（DCS600）、远程I/O（S800I/O）之间的通讯采用AFl00现场总线（传输速率1.5Mbit/s）。连接在网上的设备称作站，每条AFl00总线最多可连接80个站。若AFl00总线采用屏蔽双绞线连接，则传输距离最长可以达到750m，最多可连接32个站。另外AC450RMC还具备RS-232串口通讯和ASCII通讯方式。3.1.4工程师站工程师站ASl00ES（即advantstation100seriesengineeringstation），是在IBM兼容PC机上安装一块AdvantStation100系列工程板PU516或PU519，并安装相关编程软件APB，FCB，ONB等，可实现AC450控制器的系统组态、编程、图形文件处理等功能。3.1.5编程语言（AMPL）AC450控制器的编程语言采用AMPL（即ABBmasterprogramminglanguage），这是一种用图形表示的功能模块化的编程语言，专门为过程控制应用而开发。它的基本单位是PC（processcontrol）元素，每一个PC元素执行一个完整的功能，例如计数器、延时PC元素、或模拟控制器，每个PC元素用一种描述它功能的模块表示，每一种功能模块由带若干输入、输出管脚的模块组成。除了PC元素外，AMPL还包含一些结构元素，用于将PC元素分成适当的模块，以便对某一段程序进行单独地控制和执行。同时，可以给这些程序块设定不同的循环时间和优先级。编程工作就是根据工艺控制要求，选择使用适当的功能块，将输入输出对应连接，完成现场工艺控制要求。3.2调速传动系统交、直流调速传动均基于同样的控制理念，即CDC（commondrivescontrolconcept）通用传动控制理念：1）所有的控制、调节、监控及附加功能都由微处理器来实现；2）调节系统可软件组态；3）系统组态灵活、简单；4）通过AFl00网实现与AC450的通讯。对基础自动化控制系统而言，控制交流电机、直流电机是一样的；5）传动系统调试维护界面：调试软件DriveWindow和控制面板CDP312；6）良好的故障诊断功能、记录功能，便于排除故障；运用先进的调试维护工具、新型的用户界面，使得设计、调试、监控均快速而精确。特别适合于采用半导体功率单元、全数字控制的传动控制设备。3.2.1直流调速传动系统DCS600系列产品，为全数字晶闸管变流调速装置，直流调速系统主要由整流变压器、进线开关、进线电抗器、整流单元、励磁单元等组成。调速方式为速度、电流、转矩3闭环控制。每台传动配备单独一个操作面板CDP312，安装在传动柜门上，便于就地操作。3.2.2交流调速传动系统采用ABB公司的ACS600系列多传动产品，为全数字变频调速系统，主要由整流环节、直流环节、逆变器组成，采用公共整流变压器、公共直流母线供电方式，整流部分采用三相二极管半控桥，开关单元采用IGBT，配公共的制动斩波器和制动电阻。变频调速方式为高精度的直接转矩DTC控制方式（开环控制的静态精度为0.2％～0.5％；带反馈脉冲编码器的闭环控制的静态精度高于0.01％）。每台变频传动柜配备一个操作面板，安装在柜门上，柜内一个或多个逆变器共用。3.2.3传动调试维护网络ACS600系列多传动和DCS600变流器采用通用的维护、调试工具DriveWindow（安装相应接口、软件的PC机），将它与各传动之间用光纤连接成网络，便可对所有传动进行检测、调试、维护等。4轧线控制系统功能主要控制功能归纳为：友好的人机接口界面；主轧机设定系统；轧机速度设定，区域起动、停车；轧制程序表存储；轧机级联调速系统；机架间控制的手动修正；微张力控制；自动活套控制；轧件跟踪和自动碎断控制；轧件冷却控制；辅传动设定；飞剪周期控制；轧件切头、切尾控制；热金属探测器测试（HMDtest）；吐丝机前夹送辊控制；吐丝机控制；散冷线上盘卷头部定位控制；轧机主轴定位控制；模拟测量信号的实时趋势曲线记录；轧线总览图；机架换辊图；模拟过钢；联锁和顺序控制；事件记录和报警列表。5轧线控制系统运行分析目前，邢钢4套ABB轧线控制系统均稳定、可靠、运行良好，飞剪、活套、微张力控制均满足工艺要求，传动控制精度见图3。图3中，SA为稳态精度，最大速度的土0.01％；RA为速度跌落影响面积（即时间积分，％/s）；IC为速度跌落范围（％）；T为速度跌落时间（s）；△TQ为100％额定转矩。主传动：SA≤±0.01％ofmax．speed，RA≤0.25％/s。辅传动：SA≤±0.01％ofmax．speedwithtacho。在以往的生产、调试过程中，也出现过一些故障，归纳如下所述。5.1轧线自动化系统出现故障及处理1）因为现场检测元件接地、短路，造成DI输入保护熔断器损坏，出现I/O柜通讯故障。排除接地故障、更换熔断器后，恢复正常。2）环境影响（例如物体、严重的水汽等意外阻挡探测镜头）、镜头脏污等造成热探出现信号不稳定、或误信号，导致飞剪、活套动作异常。针对具体原因采取相应的措施。3）RMC柜内接线虚接、松动，频繁动作器件老化（如继电器等）。定期检查、除尘、紧固、更换。5.2轧线传动系统出现故障及处理交流变频调速传动系统很少出现故障；以下主要针对直流传动系统出现故障及处理方法。1）传动控制室环境温度高，直流传动柜功率单元过热、保护跳闸。按传动设备要求控制环境温度，即恢复正常。2）传动系统烧快熔、跳闸：大多数为外界不利因素，引起传动本身跳闸，如环境温度高、电网波动、编码器测速故障、电机性能不好、不利的轧制条件电机严重过载等。针对某体原因采取相应的措施。3）传动柜内接线虚接、松动，频繁动作器件（如接触器、继电器等）的老化。定期检查、除尘、紧固、更换。此外传动系统也曾出现励磁单元的快熔、电容损坏，排除外界影响因素、更换后恢复正常；AMC板储存参数丢失等故障，重新下载参数后恢复正常。6结语经过几年的生产实践证明，ABB轧线电控系统运行稳定、可靠；此外其保护功能完备、故障诊断功能全面、较易快速排除故障。只要保证传动