变频技术在斯太尔摩控冷上的应用

黄亮

摘要：文章针对高速线材轧制工艺复杂、品种繁多，特别是高品质钢种控冷要求严格，不变频或软起动不能有效、精确、节能地调节风量的问题，使用变频器实现调节电机转速来调节风量，使用WinCC组态来实现不同工艺参数输入及故障直观显示和状态显示，最后通过PCS7实现过程控制，实现高品质线材的控冷要求。

关键词：斯太尔摩；PCS7；WinCC；变频技术

中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）13-0047-03

斯太尔摩是武钢高速线材生产线控制线材金相组织最关键的一道工序，每一条生产线由13台风机控冷，它是以上位计算机（作为人机界面客户端）技术、可编程控制（PCS7）技术、PROFIBUS及工业以太网通讯技术、交流变频技术为特征的新型高品质线材控冷系统，具有风量实时性高、调节误差小、节能等特点。对于普通线材，包括帘线钢72A，通过风门调节控制能满足其控冷防止脱碳的要求，但是轧制82A、82B、弹簧钢、电缆钢等，就必须有1#、2#风机风量增加并保障所有风机精准风量调节，来保证其金相组织，因此保障斯太尔摩风量严格可控是实现弹簧钢等高品质钢种轧制的前提条件。

1 问题来源

国内在线材轧制工艺中，在高速线材轧制线上，不论是单线设备模式还是双线设备模式，对普通低碳钢、中碳钢、高碳钢、低合金钢、焊条钢等，大多都是采用不变频、风门控制，控制系统简单，维护费用低。但是随着高技术含量和高附加值的预应钢丝钢铰线系列盘条和钢帘线专用钢盘条的在国内问世，尤其是帘线用钢替代进口，曾创造出巨大的社会效益。随着工艺技术不断进步，素有“线材工艺品”之称的武钢钢帘线优势已不明显。针对重点直供用户对帘线WLX82AE、冷镦钢、弹簧钢、滚珠轴承钢等高品质钢提出的要求，结合不变频系统特点，老系统不足，调整工艺、创新品种势在必行：（1）新工艺要求有合格的控冷曲线；（2）风门控制不精确，使得高品质钢质量不稳定；（3）上位机不能实现对风量的精确调整，不能监控风量及主要设备的状况；（4）建设绿色企业，满足节能、环保的需要。

2 系统组成及工作原理

原有一级网络有6个站，在网络上加一个控制斯太尔摩风机的站，实现风机控冷与轧线的联动控制。通过在原有一级以太网上挂一台上位机，运行服务器的WinCC的项目，完成斯太尔摩的工艺参数和状态进行操作与监控。并在该网上新挂一个可编程控制完成与原有系统的参数传输通讯、变频器与上位机的通讯、相关逻辑和数字控制和相关保护等任务。采用具备友好的人机手持操作器的变频器（斯奈德ATV61系列变频器），通过手持操作器设置电机属性，通过可编程控制器设置网络属性，实现变频器实时接受可编程控制器指令实现驱动控制，产生相应的工艺曲线。

2.2 工作原理

2.2.1 可编程控制器的原理。可编程控制器（PLC）是一种以微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。是可编程序、组态自由、模块化、接口广的智能控制器。其抗干扰能力强，更是针对于工业领域应用的专用的控制器。我国大量使用的PLC产品主要有西门子公司的S7系列、三菱公司的F系列、美国GE公司的GE系列等。其中西门子公司的S7系列控制器在过程控制领域，以其结构紧凑、可靠性高、功能全等优点占有重要地位。

2.2.2 变频调速的原理。变频调速（交流异步电动机变频调速）是日益发展壮大的电力电子技术推动的结果，它是借助于改变定子供电电源频率而改变电动机转速的调速方法。提高频率可实现恒功率调速。这种方法调速性能优异，特别是调速范围大、平滑性好。采用两相旋转坐标系模型进行控制的矢量控制方式，可以得到良好的调速特性，因此在现代工业领域应用极其广泛。

2.2.3 工业以太网及DP网的工作原理。工业以太网以其价格低廉、全开放、全数字化和操作简便，在工业领域得到良好的应用。它实现了工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的开放网络。企业营销信息通过三级即企业级，即通过以太网传送给二级工艺级网络，二级再以太网传送给一级，并在一级现场级以太网中共享。在这信息时代的工业领域，发展潜力巨大。

PROFIBUS-DP协议包含编码器行规、变速传动行规、过程监视行规等，在工业控制领域具有极强的针对性。它使用RS485、光纤等传输方式，传输速率高，可靠性高，并且支持多主系统，与工业控制中，各类设备独立而又互联的特征相仿，因此，在一级网络上的传动驱动器之间、驱动器与控制器之间，基本都采用DP网。

3 实现过程

3.1 参数流从操作站给到原控制器ROD的实现

从操作站到控制器是通过以太网连接实现通讯的，在WinCC服务器数据通道组态里，组态一条从风机变频控制器站到服务器的数据通道。通过此数据通道建立画面与控制器的数据共享，也就是在WinCC服务器能读取到控制器的各类控制和状态信息，再通过WinCC画面本身，做一个友好的、可视化程度高的界面，便于岗位素质较低的操作人员操作使用。调试过程中，首先从变频器上操作，设定电机相关名牌参数，对其优化运行，再根据工艺和设备要求设置启、停斜坡时间以及加减速斜坡时间。而后设置变频器给定源为通讯卡，从画面变参数调试运行即可。

4 结语

目前，武钢高速线材生产线钢帘线的产量达30万吨/年，其他高附加值线材产量达20万吨/年。钢帘线在全国的市场占有率达50%，弹簧钢、冷镦钢等高品质产品直销山东等地。线材质量的决定性因素不止有线材表面质量的优劣，更是要由其金相组织决定其延展性、伸缩性和弹性等指标。在线材生产过程中，产品成形之前，使用水冷控制，而整个工艺过程，斯太尔摩才是控制其金相组织的关键工序。需要大范围精确可调的风量，就必须有精确、平滑可调的电机转速，因此，变频技术在斯太尔摩控冷上是至关重要的，是不可或缺的。

参考资料

[1] 贺隆贞，吴国和.型材工艺[M].武汉：武汉钢铁（集团）公司教育培训中心.

[2] 周邵英.电力拖动[M].北京：冶金工业出版社.

[3] 崔坚.西门子工业网络通讯指南[M].北京：机械工业出版社.

[4] 苏昆哲.深入浅出西门子WinCCV6[M].北京：北京航空航天大学出版社.

[5] 鲍伯祥.西门子TDC编程及应用指南[M].北京：北京航空航天大学出版社.

（责任编辑：周 琼）

摘要：文章针对高速线材轧制工艺复杂、品种繁多，特别是高品质钢种控冷要求严格，不变频或软起动不能有效、精确、节能地调节风量的问题，使用变频器实现调节电机转速来调节风量，使用WinCC组态来实现不同工艺参数输入及故障直观显示和状态显示，最后通过PCS7实现过程控制，实现高品质线材的控冷要求。

关键词：斯太尔摩；PCS7；WinCC；变频技术

中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）13-0047-03

斯太尔摩是武钢高速线材生产线控制线材金相组织最关键的一道工序，每一条生产线由13台风机控冷，它是以上位计算机（作为人机界面客户端）技术、可编程控制（PCS7）技术、PROFIBUS及工业以太网通讯技术、交流变频技术为特征的新型高品质线材控冷系统，具有风量实时性高、调节误差小、节能等特点。对于普通线材，包括帘线钢72A，通过风门调节控制能满足其控冷防止脱碳的要求，但是轧制82A、82B、弹簧钢、电缆钢等，就必须有1#、2#风机风量增加并保障所有风机精准风量调节，来保证其金相组织，因此保障斯太尔摩风量严格可控是实现弹簧钢等高品质钢种轧制的前提条件。

1 问题来源

国内在线材轧制工艺中，在高速线材轧制线上，不论是单线设备模式还是双线设备模式，对普通低碳钢、中碳钢、高碳钢、低合金钢、焊条钢等，大多都是采用不变频、风门控制，控制系统简单，维护费用低。但是随着高技术含量和高附加值的预应钢丝钢铰线系列盘条和钢帘线专用钢盘条的在国内问世，尤其是帘线用钢替代进口，曾创造出巨大的社会效益。随着工艺技术不断进步，素有“线材工艺品”之称的武钢钢帘线优势已不明显。针对重点直供用户对帘线WLX82AE、冷镦钢、弹簧钢、滚珠轴承钢等高品质钢提出的要求，结合不变频系统特点，老系统不足，调整工艺、创新品种势在必行：（1）新工艺要求有合格的控冷曲线；（2）风门控制不精确，使得高品质钢质量不稳定；（3）上位机不能实现对风量的精确调整，不能监控风量及主要设备的状况；（4）建设绿色企业，满足节能、环保的需要。

2 系统组成及工作原理

原有一级网络有6个站，在网络上加一个控制斯太尔摩风机的站，实现风机控冷与轧线的联动控制。通过在原有一级以太网上挂一台上位机，运行服务器的WinCC的项目，完成斯太尔摩的工艺参数和状态进行操作与监控。并在该网上新挂一个可编程控制完成与原有系统的参数传输通讯、变频器与上位机的通讯、相关逻辑和数字控制和相关保护等任务。采用具备友好的人机手持操作器的变频器（斯奈德ATV61系列变频器），通过手持操作器设置电机属性，通过可编程控制器设置网络属性，实现变频器实时接受可编程控制器指令实现驱动控制，产生相应的工艺曲线。

2.2 工作原理

2.2.1 可编程控制器的原理。可编程控制器（PLC）是一种以微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。是可编程序、组态自由、模块化、接口广的智能控制器。其抗干扰能力强，更是针对于工业领域应用的专用的控制器。我国大量使用的PLC产品主要有西门子公司的S7系列、三菱公司的F系列、美国GE公司的GE系列等。其中西门子公司的S7系列控制器在过程控制领域，以其结构紧凑、可靠性高、功能全等优点占有重要地位。

2.2.2 变频调速的原理。变频调速（交流异步电动机变频调速）是日益发展壮大的电力电子技术推动的结果，它是借助于改变定子供电电源频率而改变电动机转速的调速方法。提高频率可实现恒功率调速。这种方法调速性能优异，特别是调速范围大、平滑性好。采用两相旋转坐标系模型进行控制的矢量控制方式，可以得到良好的调速特性，因此在现代工业领域应用极其广泛。

2.2.3 工业以太网及DP网的工作原理。工业以太网以其价格低廉、全开放、全数字化和操作简便，在工业领域得到良好的应用。它实现了工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的开放网络。企业营销信息通过三级即企业级，即通过以太网传送给二级工艺级网络，二级再以太网传送给一级，并在一级现场级以太网中共享。在这信息时代的工业领域，发展潜力巨大。

PROFIBUS-DP协议包含编码器行规、变速传动行规、过程监视行规等，在工业控制领域具有极强的针对性。它使用RS485、光纤等传输方式，传输速率高，可靠性高，并且支持多主系统，与工业控制中，各类设备独立而又互联的特征相仿，因此，在一级网络上的传动驱动器之间、驱动器与控制器之间，基本都采用DP网。

3 实现过程

3.1 参数流从操作站给到原控制器ROD的实现

从操作站到控制器是通过以太网连接实现通讯的，在WinCC服务器数据通道组态里，组态一条从风机变频控制器站到服务器的数据通道。通过此数据通道建立画面与控制器的数据共享，也就是在WinCC服务器能读取到控制器的各类控制和状态信息，再通过WinCC画面本身，做一个友好的、可视化程度高的界面，便于岗位素质较低的操作人员操作使用。调试过程中，首先从变频器上操作，设定电机相关名牌参数，对其优化运行，再根据工艺和设备要求设置启、停斜坡时间以及加减速斜坡时间。而后设置变频器给定源为通讯卡，从画面变参数调试运行即可。

4 结语

目前，武钢高速线材生产线钢帘线的产量达30万吨/年，其他高附加值线材产量达20万吨/年。钢帘线在全国的市场占有率达50%，弹簧钢、冷镦钢等高品质产品直销山东等地。线材质量的决定性因素不止有线材表面质量的优劣，更是要由其金相组织决定其延展性、伸缩性和弹性等指标。在线材生产过程中，产品成形之前，使用水冷控制，而整个工艺过程，斯太尔摩才是控制其金相组织的关键工序。需要大范围精确可调的风量，就必须有精确、平滑可调的电机转速，因此，变频技术在斯太尔摩控冷上是至关重要的，是不可或缺的。

参考资料

[1] 贺隆贞，吴国和.型材工艺[M].武汉：武汉钢铁（集团）公司教育培训中心.

[2] 周邵英.电力拖动[M].北京：冶金工业出版社.

[3] 崔坚.西门子工业网络通讯指南[M].北京：机械工业出版社.

[4] 苏昆哲.深入浅出西门子WinCCV6[M].北京：北京航空航天大学出版社.

[5] 鲍伯祥.西门子TDC编程及应用指南[M].北京：北京航空航天大学出版社.

（责任编辑：周 琼）

摘要：文章针对高速线材轧制工艺复杂、品种繁多，特别是高品质钢种控冷要求严格，不变频或软起动不能有效、精确、节能地调节风量的问题，使用变频器实现调节电机转速来调节风量，使用WinCC组态来实现不同工艺参数输入及故障直观显示和状态显示，最后通过PCS7实现过程控制，实现高品质线材的控冷要求。

关键词：斯太尔摩；PCS7；WinCC；变频技术

中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）13-0047-03

斯太尔摩是武钢高速线材生产线控制线材金相组织最关键的一道工序，每一条生产线由13台风机控冷，它是以上位计算机（作为人机界面客户端）技术、可编程控制（PCS7）技术、PROFIBUS及工业以太网通讯技术、交流变频技术为特征的新型高品质线材控冷系统，具有风量实时性高、调节误差小、节能等特点。对于普通线材，包括帘线钢72A，通过风门调节控制能满足其控冷防止脱碳的要求，但是轧制82A、82B、弹簧钢、电缆钢等，就必须有1#、2#风机风量增加并保障所有风机精准风量调节，来保证其金相组织，因此保障斯太尔摩风量严格可控是实现弹簧钢等高品质钢种轧制的前提条件。

1 问题来源

国内在线材轧制工艺中，在高速线材轧制线上，不论是单线设备模式还是双线设备模式，对普通低碳钢、中碳钢、高碳钢、低合金钢、焊条钢等，大多都是采用不变频、风门控制，控制系统简单，维护费用低。但是随着高技术含量和高附加值的预应钢丝钢铰线系列盘条和钢帘线专用钢盘条的在国内问世，尤其是帘线用钢替代进口，曾创造出巨大的社会效益。随着工艺技术不断进步，素有“线材工艺品”之称的武钢钢帘线优势已不明显。针对重点直供用户对帘线WLX82AE、冷镦钢、弹簧钢、滚珠轴承钢等高品质钢提出的要求，结合不变频系统特点，老系统不足，调整工艺、创新品种势在必行：（1）新工艺要求有合格的控冷曲线；（2）风门控制不精确，使得高品质钢质量不稳定；（3）上位机不能实现对风量的精确调整，不能监控风量及主要设备的状况；（4）建设绿色企业，满足节能、环保的需要。

2 系统组成及工作原理

原有一级网络有6个站，在网络上加一个控制斯太尔摩风机的站，实现风机控冷与轧线的联动控制。通过在原有一级以太网上挂一台上位机，运行服务器的WinCC的项目，完成斯太尔摩的工艺参数和状态进行操作与监控。并在该网上新挂一个可编程控制完成与原有系统的参数传输通讯、变频器与上位机的通讯、相关逻辑和数字控制和相关保护等任务。采用具备友好的人机手持操作器的变频器（斯奈德ATV61系列变频器），通过手持操作器设置电机属性，通过可编程控制器设置网络属性，实现变频器实时接受可编程控制器指令实现驱动控制，产生相应的工艺曲线。

2.2 工作原理

2.2.1 可编程控制器的原理。可编程控制器（PLC）是一种以微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。是可编程序、组态自由、模块化、接口广的智能控制器。其抗干扰能力强，更是针对于工业领域应用的专用的控制器。我国大量使用的PLC产品主要有西门子公司的S7系列、三菱公司的F系列、美国GE公司的GE系列等。其中西门子公司的S7系列控制器在过程控制领域，以其结构紧凑、可靠性高、功能全等优点占有重要地位。

2.2.2 变频调速的原理。变频调速（交流异步电动机变频调速）是日益发展壮大的电力电子技术推动的结果，它是借助于改变定子供电电源频率而改变电动机转速的调速方法。提高频率可实现恒功率调速。这种方法调速性能优异，特别是调速范围大、平滑性好。采用两相旋转坐标系模型进行控制的矢量控制方式，可以得到良好的调速特性，因此在现代工业领域应用极其广泛。

2.2.3 工业以太网及DP网的工作原理。工业以太网以其价格低廉、全开放、全数字化和操作简便，在工业领域得到良好的应用。它实现了工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的开放网络。企业营销信息通过三级即企业级，即通过以太网传送给二级工艺级网络，二级再以太网传送给一级，并在一级现场级以太网中共享。在这信息时代的工业领域，发展潜力巨大。

PROFIBUS-DP协议包含编码器行规、变速传动行规、过程监视行规等，在工业控制领域具有极强的针对性。它使用RS485、光纤等传输方式，传输速率高，可靠性高，并且支持多主系统，与工业控制中，各类设备独立而又互联的特征相仿，因此，在一级网络上的传动驱动器之间、驱动器与控制器之间，基本都采用DP网。

3 实现过程

3.1 参数流从操作站给到原控制器ROD的实现

从操作站到控制器是通过以太网连接实现通讯的，在WinCC服务器数据通道组态里，组态一条从风机变频控制器站到服务器的数据通道。通过此数据通道建立画面与控制器的数据共享，也就是在WinCC服务器能读取到控制器的各类控制和状态信息，再通过WinCC画面本身，做一个友好的、可视化程度高的界面，便于岗位素质较低的操作人员操作使用。调试过程中，首先从变频器上操作，设定电机相关名牌参数，对其优化运行，再根据工艺和设备要求设置启、停斜坡时间以及加减速斜坡时间。而后设置变频器给定源为通讯卡，从画面变参数调试运行即可。

4 结语

目前，武钢高速线材生产线钢帘线的产量达30万吨/年，其他高附加值线材产量达20万吨/年。钢帘线在全国的市场占有率达50%，弹簧钢、冷镦钢等高品质产品直销山东等地。线材质量的决定性因素不止有线材表面质量的优劣，更是要由其金相组织决定其延展性、伸缩性和弹性等指标。在线材生产过程中，产品成形之前，使用水冷控制，而整个工艺过程，斯太尔摩才是控制其金相组织的关键工序。需要大范围精确可调的风量，就必须有精确、平滑可调的电机转速，因此，变频技术在斯太尔摩控冷上是至关重要的，是不可或缺的。

参考资料

[1] 贺隆贞，吴国和.型材工艺[M].武汉：武汉钢铁（集团）公司教育培训中心.

[2] 周邵英.电力拖动[M].北京：冶金工业出版社.

[3] 崔坚.西门子工业网络通讯指南[M].北京：机械工业出版社.

[4] 苏昆哲.深入浅出西门子WinCCV6[M].北京：北京航空航天大学出版社.

[5] 鲍伯祥.西门子TDC编程及应用指南[M].北京：北京航空航天大学出版社.

（责任编辑：周 琼）