镀锌线自动控制系统的研发与应用

佟明飞

（河钢唐钢微尔自动化有限公司，河北 唐山 063000）

近些年来，我国陆续建成了多条现代化的冷轧连续热镀锌生产线，随着钢铁冶轧技术及其自动化程度的不断提高，国内外市场对汽车板家电板质量(如带钢的板形、机械性能和表面质量等)的要求也日益严格，连续热镀锌生产线将冷轧带钢进行镀锌处理，稳定的张力速度控制以及与加热炉温度的协调控制，以及后续的光整机、拉矫机、钝化设备控制，对产品质量控制有着很大的影响。因此，掌握镀锌控制核心技术，优化控制效果，不仅有利于培养高素质的企业科技人才，增强企业的科技创新能力，更能够为国家节省外汇、为企业节约大量资金投入，创造具有高附加值的产品，增强产品的市场竞争力。

1 镀锌线自动控制系统的构成

连续热镀锌机组自动化系统庞大、复杂、IO点数超过1万点,PLC和HMI系统内部变量达数十万个，通过现场总线连接的变频调速装置超过150台，机组工艺逻辑、速度、张力等被控量要求精度高、反应快，机电一体品种多、接口多。在自动化系统的设计、编程、调试中均需考虑各种技术问题进行程序架构。

控制系统采用SIMATIC PCS7软件平台，使用CFC、SFC、STL作为编程语言。整个生产线共采用6套PLC控制系统、73台远程站，系统硬件配置采用西门子公司的PCS7控制系统，选用S7-400/ET200控制器，变频器、编码器采用Profibus与控制器通讯，采用两级计算机网络系统实现对各子系统工艺生产线的自动控制、全面监控。系统采用服务器、客户端的方式，模块化的编程方式，便于维护和管理。

本系统工程包括以下工作内容：自动化系统设计；与复杂的第三方子系统(如拆带机、焊机、电解整流器、交流调压器、退火炉、气刀、锌锅、锌层测厚仪、钝化软熔、表面检测仪、测宽仪、测厚仪、涂油机、打包机、全线CPC及EPC等)的接口方案；物料跟踪与焊缝位置跟踪；设定值管理与分配；速度主令控制；传动补偿测试与计算、电机转矩控制；精确的张力控制；机组协调控制与操作运转方案；辅助仪表控制（清洗段、镀后冷却段、湿光整、钝化等)；HMI系统；L2计算机功能如钢卷信息、统计报表等。

系统配置和功能分配根据机组的特点和控制任务的需要，自动化系统配置如下：

(1)入口段PLC：配置3个CPU，分别负责入口段逻辑顺控（SSFN）、全线协调（LCON）、主斜坡控制（MRGN）及相关传动控制任务，并完成与拆带机、焊机、入口段CPC的接口工作；

(2)中间段PLC：配置3个CPU，分别负责中间段逻辑顺控（SSFP）、全线协调（LCOP）、主斜坡控制（MRGP）及相关传动控制任务，并完成与清洗段电解整流器、退火炉、气刀、锌锅、锌层测厚仪、钝化软熔、表面检测仪、中间段CPC等的接口工作；

(3)光整机PLC：共配置2个CPU，包括换辊控制（RCH）和板形测量（FLC），完成光整机液压辊缝控制、弯辊控制、湿光整系统、快速换辊、轧制线调整和板形控制等任务，使带钢出光整机后具有更好的板形。

(4)出口段PLC：配置3个CPU，分别负责出口段逻辑顺控（SSFX）、全线协调（LCOX）、主斜坡控制（MRGX）及相关传动控制任务，并完成表面检测仪、测宽仪、测厚仪、涂油机、打包机、出口段CPC及EPC等的接口工作；

(5)物料跟踪系统MTR：设置1个PLC，负责全线钢卷信息跟踪、全线焊缝位置和距离跟踪及与L2的接口工作；

(6)急停控制系统E-STOP：负责全线急停操作按钮和安全门的使用和控制；

(7)HMI系统：由于系统过于庞大，设置2个服务器，通过分别设置在入口、中间、光整机、出口操作室和入口、出口电气室的多个客户端，供不同区域的工作人员同时使用；

(8)L2计算机系统:设置1套服务器，并在入口、中间、出口操作室和电气室分别设置操作终端，完成钢卷信息、生产计划要求、报表打印、称重、成品标签打印等任务；以太网通讯网络：在入口、出口电气室和4个操作室分别设置以太网交换机，以光缆作为网络介质进行远距离通讯传输数据；

(9)Profibus-DP通讯网络：通过光纤进行远距离通讯后，在现场经过光电转换模块（OLM）转换成DP紫缆，将现场多个设备和远程I/O柜联系在一起，实现现场稳定快速的近距离通讯。

限于篇幅,没有详细展示出各组S7-400PLC的具体配置和名称及远程站检测元器件等。

2 镀锌线自动控制系统的架构

本套控制系统程序架构，采用横向纵向程序区分，横向把程序分为入口段、工艺段、出口段。纵向对每个段程序进行功能划分SSF（顺序控制）、LCO（产线协调）、MRG（主斜坡控制）、E-STOP（急停系统）、MTR（带钢跟踪）和HMI（人机界面）。下面对本控制系统中涉及到的主要模块化编程内容进行分别介绍。

2.1 SSF （顺序控制模块）

顺序控制模块包含两大部分，第一部分是所有的支持系统，例如：液压辅助系统，入口出口钢卷运输系统，入口段、工艺段、出口段其他移动功能和接口功能等等。第二部分是所有的顺序控制，例如：钢卷运输顺控、测宽测径顺控、自动卸卷顺控等。这种全层次的顺序控制结构保证了维修人员的高可用性。LCO发送给SSF不同功能的启动信号（S7协议在机架内部通讯），SSF接收到指令后，在满足运行及启动联锁后执行相应控制功能，并把执行结果反馈给LCO。所有的控制功能同样可以通过按钮和操作面板使用手动操作实现。

2.2 LCO （产线协调模块）

产线协调模块是每一个区域（入口段，工艺段，出口段）的主控程序。它提供不同的操作方式来控制整个产线，并确保所有的工作以适当和协调的方式进行。根据不同的操作模式，可通过HMI或本地操作台进行干预，修正设定值的分配以及上下线的运行选择。LCO的主要控制功能如下：

（1）协调操作模式（运行，停止，保持等）。

（2）联锁逻辑和切换带钢传动功能（传动启停，传动点动）。

（3）通过带钢跟踪和操作人员干预控制MRG功能。

（4）控制所有需要协调的移动设备，包括压辊，穿带导板，水平辊等。

（5）控制带钢穿带、焊接，飞剪自动剪切等功能。

（6）初始化和带钢定位监测，及线上点动操作。

（7）提供与其他PLC的接口支持功能，与HMI之间的接口等。

2.3 MRG （主斜坡控制模块）

主斜坡控制模块主要实现全线电机传动控制以及张力控制。MRG与LCO相接，控制产线带钢的传送，MRG计算速度和加减速斜坡发送给传动，速度设定取决于不同的操作模式、速度参数、加速和点动设定。MRG的主要控制功能如下：

（1）传动电机的协调控制。

（2）为带钢传动设备提供速度设定。

（3）线速度主斜坡设定。

（4）穿带甩尾控制，自动降速功能。

（5）张力控制、活套控制

镀锌生产线的张力控制主要两种方法，间接张力控制和直接张力控制。

间接张力控制时，根据带钢的信息结合张力计算公式要求的张力设定值转换适当的电机转矩，作为转矩限幅值发送给传动装置，因此传动装置工作在转矩控制方式。带钢张力通过转矩限幅值来调节，它没有实际带钢张力的反馈，也没有控制器来修正转矩限幅值的偏差。在镀锌生产线中，开卷机、卷取机、中间活套和个别张力辊工作在开环张力控制的方式下。

直接张力控制需要有一个张力测量设备，因此对于每一张力区域，闭环张力控制要安装张力计。张力控制器计算实际带钢张力和参考张力的偏差。从这个偏差产生一个修正值，提供给传动装置，去消除实际带钢张力的偏差。在镀锌生产线中，入口、出口活套和大部分张力辊都工作在闭环张力控制的方式下。

3 结语

本套控制系统已经在唐钢二冷轧5#连续热镀锌线投入使用，并热试成功，实现稳定生产。目前，该产线已经连续稳定运转，产品合格率高、生产效率高，期间完成海尔钢的生产，质量完全达到国标要求。报警程序，能够对隐患提前预警，防止事故发生。HMI系统辅以故障诊断程序，能够准确指出问题点，方便维护人员在不查看程序的情况下，对故障的判断并及时处理，保证生产正常运行。系统投入运行以来，控制精度高，稳定可靠，功能完善，监控操作灵活方便，自动化程度高，大大节省了操作时间，提高了生产效率，同时也减少了操作人员的劳动强度。

[1]张计风.热镀锌工艺自动控制系统设计[J].河北工业大学,2011.

[2]王嘉伟.冷轧带钢非对称板形调控方法的研究[D].燕山大学，2015.