硅钢连续退火涂层机组自动化控制系统

0．前言 为满足国内市场对冷轧硅钢的需求，鞍钢决定新建一冷轧硅钢厂，年产80万t中低牌号无取向硅钢，其中包括1条酸洗连轧机组（PL-TCM）、4条硅钢连续退火涂层机组（SACL）、2条重卷机组和2条包装机组。其中NO.1电工钢（硅钢）连续退火涂层机组（NO.1 SACL）是其中第一条电工钢连续退火涂层机组，该机组是国内第一条全部由国内设计、制造及软件编程调试的SACL机组。 鞍钢SACL机组是由武汉院总承包，进行工艺设计、非标设备设计和自动化系统设计及软件编程调试，该处理线采用了先进的自动化控制系统。 1．设备描述 SACL机组的工艺组成为：入口段（包括焊机）、入口活套、碱洗段（包括碱液混合系统、碱液喷洗系统、碱液刷洗系统、高压水喷洗系统、水刷洗系统、热水喷洗系统）、退火炉段（包括PH炉、NOF炉、RTF炉、SF炉、RJC炉）、涂层段、干燥段（DF-DS/BS炉、AJC炉）、出口活套、出口段。SACL机组的工艺处理线如图1所示： 机组主要技术参数如下： 生产品种： 中、低牌号无取向电工钢 生产能力： 22.8万 t/a 产品： 冷轧硅钢带卷 原料 钢卷外径： max.：2000mm min.：800mm 钢卷内径： 610mm 钢卷重量： max.：25000kg 带钢宽度： max.：1250mm min.：750mm 带钢厚度： max.：0.65mm min.：0.35mm 机组速度 入口段： 线速度 max.：240m/min 加速度 ~20m/sec2 正常启/停 ~40m/sec2 快停 穿带速度 25m/min 工艺段： 线速度 max.：180m/min 加速度 ~10m/sec2正常启/停 ~20m/sec2快停 出口段： 线速度 max.：240m/min 加速度 ~20m/sec2正常启/停 ~40m/sec2快停 穿带速度 25m/min 紧急停车时间：由最高速度到停止时间 ~6s 2．自动化平台 SACL机组的自动化系统分为两级，即基础自动化级（L1）和过程控制计算机级（L2）。其中基础自动化级包括电气自动化和仪表自动化，电气自动化采用PLC系统用于完成主令控制、顺控、钢卷及带钢跟踪的一级工艺控制；仪表自动化系统采用DCS系统用于完成碱洗段、退火炉段能源介质控制及特殊仪表和成套设备(如CPC/EPC、APC、测厚仪、铁损仪等)的通讯处理。过程控制计算机级实现对带钢和机组设备的各种参数有长时间的连续记忆功能，对动态过程的干扰量有快速反应的能力。一方面利用工艺规范和数学模型进行多参数的设定计算，向控制设备下达设定值；另一方面通过测量值收集和分析，执行控制参数的自适应和自学习功能，提高设定值的准确性，实现再控制过程，达到控制目标的最优化。 自动化控制系统由上位监控计算机、PLC可编程控制器、交流变频调速装置、网络、现场检测设备、现场控制设备等组成。其中下位机系统使用SIEMENS S7-400 PLC完成现场监测、数据处理；上位机系统采用工业PC机实现对现场数据可视化的监控。 3．基础自动化系统 基础自动化系统的主要任务是：与传动、工艺功能和仪表相关的过程控制；设定值和实际值处理；从入口到出口钢卷运输的自动顺序控制；带钢跟踪；工艺参数控制，如张力等；过程监控（HMI）。 SACL机组基础自动化系统由可编程控制器（PLC）和集散控制系统（DCS）共同组成一级自动化系统。各PLC和DCS都完成相对单独的控制功能。HMI系统通过工业以太网PLC控制单元和DCS控制单元通信。每个PLC控制单元通过PROFIBUS-DP现场总线与传动装置、R I/O站和编码器等现场电气设备相连，完成检测和控制功能。自动化控制单元接收过程计算机和操作工通过HMI输入的数据，过程信息、机组状态和各种测量值以符号形式、数值、棒图和图表的形式在HMI画面上显示。西门子PLC与横河DCS 之间通过MODBUS点对点通讯。 3．1．PLC控制系统 SACL机组的工艺电气自动化控制系统以采用SIEMENS公司的SIMATIC S7-400系列PLC为基础，硬件全部采用标准部件或模块，如机柜、供电装置、CPU、通讯处理器（CP）、功能模块、数字I/O模块等。该系统PLC控制器配置如下： PLC1：PS 407 20A 1块 CPU 416-2 3块 DI 1块 COUNTER 4块 CP 443-5 2块 CP 443-1 IT 1块 PLC2：PS 407 20A 1块 CPU 416-2 2块 DI 1块 DO 1块 CP 443-5 9块 CP 443-1 IT 1块 PLC3：PS 407 10A 1块 CPU 416-2 2块 COUNTER 4块 CP 443-5 2块 CP 443-1 IT 1块 PLC4：PS 407 10A 1块 CPU 416-2 1块 CP 441-2 1块 CP 443-5 3块 CP 443-1 IT 1块 PLC5：CPU 315F-2 1块 IM365 1对 DI 6块 DO 4块 CP 343-1 1块 其中每个CPU完成的功能见下表 PLC序号 功能 CPU数量 1 入口段顺序控制 (S7-400)入口段主令控制 (S7-400)跟踪控制(S7-400) 111 2 工艺段顺序控制 (S7-400)工艺段主令控制 (S7-400) 11 3 出口段顺序控制 (S7-400)出口段主令控制 (S7-400) 11 4 介质部分控制 (S7-400) 1 5 急停控制 (S7-300F) 2 3．2．DCS控制系统 SACL机组工艺仪表自动化控制系统采用横河公司CENTUM-CS3000 DCS控制器来完成。DCS 用来实现温度控制和监测；流量控制和监测；液位控制和监测；压力控制和监测；电导体控制和监测；分析仪监测；各炉段温度、空气、煤气、H2控制系统；各炉段压力控制；换热器温度/保护控制；NOF炉主风机和排烟风机的风量控制。操作人员可通过HMI操作站对各炉段温度的设定值进行调正或可由过程计算机自动选择。DCS控制器采用4个CPU成对冗余热备技术，实现在任何故障及随机错误产生的情况下连续不间断地运行；供电系统、通讯网络和总线、I/O模块均可实现双重化；V-net总线采用交替工作模式的双重化结构。采用Windows 2000（中文版）操作系统作为DCS ENG/OS软件平台，通过OPC方式与L2机通讯。DCS的操作站和工程师站之间通过以太网通讯，操作站和工程师站与DCS控制器之间通过工业以太网V-net通讯。 3．3．HMI监控系统 HMI人机接口系统作为基础自动化系统重要组成部分，用于控制系统的各种数据的设定、显示、故障报警，以及相应操作和设备的在线调试及维护，发挥越来越重要的作用。SACL机组电气自动化系统设有1台HMI服务器，3台HMI操作站和1台工程师站。选用3COM SuperStack 3 4200系列的以太网交换机作为中心交换机，采用VLAN技术将端口划分成PC机网段和PLC网段。PC机网段用以连接HMI操作站，PLC网段用以连接PLC控制器。监控系统采用SIEMENS WinCC V5.1平台；仪表自动化系统设有1台HMI 工程师站，2台HMI操作站。 3．4．工业以太网 目前的以太网交换机技术可以同时传输工业以太网（ISO）协议和TCP/IP协议。HMI服务器与HMI操作站之间采用TCP/IP协议通讯；HMI服务器与PLC控制器之间采用工业以太网(ISO)协议通讯。 3．5．PROFIBUS-DP网 按照欧洲标准EN50170的规定，PROFIBUS-DP确保与符合其它制造商标准部件连接的开放性。系统自动检测某个站点是否已退出网络，某个新站点是否加入网络。以下站点可以被连接：<1>主站点：PLC、工业PC机、编程器；<2>从站点：传动装置、传感器和执行机构、带PROFIBUS接口的编码器及其它外部系统（如CPC/EPC等）。 4．总体控制思想 SACL机组控制部分从软件功能划分由四个部分来完成，它们是带钢跟踪系统、主令控制系统、顺序控制系统和介质部分的风机、泵等控制。为了达到控制稳定、操作可靠的目的，以下控制原则得到采用：<1>单体设备可通过HMI输入选定状态下设定为“准备就绪”；<2>故障确认后才能再次操作该设备；<3>诊断信息系统；<4>事故和急停方案。 4．1．带钢跟踪 SACL机组的带钢跟踪系统包括生产线上运行带钢的跟踪和入/出口的钢卷的跟踪。在基础自动化级的带钢跟踪系统实现的功能是带钢跟踪和动作点。跟踪功能缴活新的设定值并产生某个动作，如：切换到下卷带钢的新设定值。 4．2．主令控制 SACL机组的主令控制主要完成与生产线相关的传动设备的控制。它在基础自动化控制系统中完成较高水平的控制，其中包括带钢的运行控制，传动的协调和线速度运算，与传动装置的控制信号预设定，以及在任意场合基于生产线操作模式变化的工艺控制。为了确保带钢顺利运行，运行信号和数据一定要被：接收；处理；匹配；传输。 主令实现的功能： 联合点动 操作模式控制 线上传动控制 带钢位置控制 带钢张力控制 多处理器通讯 4．3．顺序控制 SACL机组的顺控功能是完成除了带钢线传动控制以外的所有运转控制。例如钢卷运输部分控制、废钢移动等等。 5．过程计算机控制 SACL机组的所有设定参数以带钢为单位从L2机获得。某卷带钢在入口段一经确认，该卷带钢的设定参数就从二级传送给一级。所有处于入口段（带钢确认点）和张力卷取机之间的带钢的设定值都存储在一个缓冲区里，根据跟踪系统说触发的带钢位置而相应调用。参数设定值和实际值都在HMI画面上显示。过程控制计算机为一级机提供来料钢卷的信息（包括钢卷ID号、钢卷种类、钢卷规格等数据）、机组各段张力的设定值、存储原料钢卷和成品钢卷各种数据信息以及带钢同步请求<