2100 mm热精轧机换辊电气控制技术

王 刚， 董 宝

(东北轻合金有限责任公司 系统工程师站，黑龙江 哈尔滨 150060)

2100 mm热精轧机换辊电气控制技术

王 刚， 董 宝

(东北轻合金有限责任公司 系统工程师站，黑龙江 哈尔滨 150060)

本文主要介绍了东北轻合金有限责任公司超大规格特种铝合金板带材项目南线板带车间2100 mm热精轧机自动换辊控制的工作原理、电气控制系统硬件和软件设计构成。

热精轧机；控制模式；TDC控制器；闭环控制；CFC编程语言

随着世界铝加工业的迅猛发展，热轧机正向着大型、高速、模块化、多CPU、多任务方向发展，以往原始热轧机换辊工作往往是通过采用起重机械的人工物理方法进行更换，其占用时间长、危险性高。然而采用SIEMENS公司的TDC(technology drive control)控制器设计的自动换辊系统具有更换效率高、安全性高等特点，本文将介绍东北轻合金有限责任公司2100 mm热精轧机换辊电气控制系统的工作原理、硬件构成和软件程序设计介绍。

1 换辊工作原理

精轧机换辊控制主要包括换辊前准备工作逻辑控制、换工作辊逻辑控制、换支撑辊逻辑控制，主要控制的机械部件包括：工作辊/支撑辊推拉缸、支撑辊平衡缸、工作辊正弯缸/负弯缸、工作辊/支撑辊锁、阶梯垫、出入口导板台、横移平台、工作辊辊刷等。

换辊前准备工作步骤：主传动轴定位→主操作台预选换辊模式，关闭机架冷却喷淋→油气润滑停止→主传动停止→机架辊刷传动停止，机架辊刷液压缸缩回→升起卷帘门→HGC卸荷→支承辊平衡开启→工作辊正弯OFF模式→手动工作辊平衡开启→负弯缩回。

移除工作辊工作步骤：升起工作辊换辊液压缸翻板→伸出工作辊换辊液压缸至E5位置→退出入口导板台→手动工作辊平衡OFF→缩回正弯，测厚仪退出离线→落下出口紧急剪挡板台→退出出口导板台，升起下支撑辊支架→退出阶梯垫至换辊位置→手动工作辊平衡开启→下降下支撑辊托架，伸出工作辊换辊液压缸至E9位置，伸出工作辊推拉缸锁，缩回下工作辊锁，工作辊换辊液压缸退至E7位置→手动工作辊平衡OFF→缩回正弯→缩回上工作辊锁→缩回工作辊推拉缸锁→工作辊换辊液压缸退至E2位置→伸长工作辊液压缸至E3位置。

装入工作辊工作步骤：横移平台移动至出口位置，工作辊换辊液压缸至E3a位置，伸出下工作辊锁，工作辊换辊液压缸至E8位置→伸出上工作辊锁→手动工作辊平衡开启→缩回下工作辊锁→工作辊换辊液压缸至E9位置→伸出下工作辊锁→工作辊换辊液压缸至E9a位置，工作辊换辊液压缸至E1位置，升起下支撑辊支架→手动工作辊平衡OFF→缩回正弯→阶梯垫移动至适合辊直径的位置→下降下支撑辊支架→手动工作辊平衡开启，入口导板台进入，出口导板台进入→升起紧急剪挡板台→测厚仪进入在线。

换支撑辊工作步骤：横移平台到位→升起下支撑辊支架→伸出支承辊换辊液压缸至轧机位→伸出插销→缩回下支撑辊锁→缩回支撑辊换辊液压缸→放托架在下支撑辊表面→伸长支撑辊换辊液压缸至轧机位→关闭支撑辊平衡→缩回上支撑辊锁→缩回支撑辊换辊液压缸→移除上支撑辊→移除支撑辊托架→移除下支撑辊→放置新支撑辊和托架→伸长支撑辊换辊液压缸至轧机位，支撑辊平衡开启，伸出上支撑辊锁，缩回支撑辊换辊液压缸→移除支撑辊托架→伸长支承辊换辊液压缸至轧机位，拔出支撑辊插销，伸出下支撑辊锁，缩回支撑辊换辊液压缸锁→下降下支撑辊支架。

表1 工作辊推拉液压缸位置说明

热精轧机换辊控制模式包括自动模式、手动模式和维护模式，其中，工作辊换辊正常采用自动模式，而支撑辊换辊只能采用手动模式。

自动模式：所有换辊逻辑动作步骤由程序自动控制完成，操作手可通过现场操作站的HMI人机界面观察当前动作步骤的执行情况。如果发生异常，可通过松开手持安全手柄按钮来进行紧急停止，并通过手动控制操作完成余下步骤。

手动模式：所有的换辊逻辑动作步骤由人工操作来完成，操作手根据现场电气检查元件(如接近开关、位移传感器)等反馈信号进行判断操作，各种电气连锁控制条件在此种工作模式时仍然有效，操作手必须熟悉各种连锁控制条件，并严格按照操作手册进行逻辑操作。

维护模式：主要在调试和维护时进行使用，在此种工作模式下，各种电气连锁控制条件均失效，操作人员必须熟悉设备机械结构进行谨慎操作，防止发生机械碰撞造成设备损伤。

2 系统硬件构成

该系统采用SIMATIC TDC控制器，它是多CPU处理器控制设备中的一种，擅于快速响应处理繁杂的逻辑控制和通讯工作，拥有较多数量的框架和极短的循环扫描周期。其优势为：借助其强大的运算能力，可显著提高生产效率和竞争能力，降低购置能本，减少工程成本，具有全球通用标准。该系统硬件配置如图1所示，机架采用了UR5213，其有良好的电磁屏蔽效果。硬件可以进行扩充，扩展裕量较高，自身安装的集成电源具有降温和实时监控功能。UR5213机架最多有21个插槽可用于模块的扩展，模块之间使用64位机架背板总线相连。

图1 系统硬件配置

1～4号槽位插接的模块为CPU551，其擅于处理运行计算要求时间非常短的自动化控制任务。设计上采用了64位RISC技术，配有一块插入式用户存储器，其存储容量为32 MB。程序循环扫描处理的采样时间可以进行调整，CPU并根据设置的采用时间严格执行。另外，CPU551自身集成设置了四个数字量输入和一个故障诊断端口，四个数字量输入具备报警功能。其中用于精轧机换辊控制的为1号槽位的CPU551(STM)。

11～13号槽位插接的模块为SM500信号处理模板，具有多种选择方案，进行分布式输入/输出的连接。除了设有16通道DI/DO数字量接口以外，SM500模块还设有4通道积分型AI模拟量输入和8通道AI/AO模拟量接口。SM500模块还可插接四个增量型编码器和四个绝对值型编码器。模板的运行状态可通过六个LED指示灯进行显示。

14～15号槽位插接的模板为通讯模板CP50M1，其可以为试运行、过程控制和HMI提供高性能的通讯。CP50M1通讯模板提供有两个PROFIBUS DP/MPI接口，8 MB缓存，用于CPU之间的通讯。主要用于调试、过程控制、HMI。

20号槽位插接的模板为通讯模板CP51M1，其用于SIMATIC TDC自动化系统的一个工业以太网接口。CP51M1最多组态4块在机架上。

TDC机架系统之间采用GDM(Global DATA MEMORY)光纤通讯，光纤的最大连接长度为200 m。其系统硬件网络配置见图2。CP52M0为存储器模块，其可提供2 Mbyte的数据通信缓存。CP52IO为接口模块，GDM也同样需要选用UR5213来用作专属机架，CP52M0模块按照规定需要组态到该机架的一号槽位，CP52IO需组态到GDM的二号槽位以后。CP52A0为访问模块，用于组态到其余TDC机架中。PDA为数据采集分析服务器。其可用于监控TDC程序信号的历史记录和实时信息，便于故障的诊断和处理。通过中央存储器(GDM)，机架TDC相互之间可以进行高速耦合通讯，最多可有四十四个TDC机架进行入网通讯。

图2 GDM网络通讯系统硬件配置

3 软件程序介绍

程序调试和监控软件安装配置有：SIMATIC PCS7 V7.0 SP3,SIMATIC STEP7 V5.4+SP3+HF8，SIMAITIC WinCC V6.2 SP3+Hotfix 7,SIMATIC CFC V7.0+SP1+HF7,SIMATIC D7-SYS V7.0+HF3。程序采用CFC编程语言，该编程语言的特点：程序可以通过编辑顺序功能图来自动生成，用户可以预先开发编制功能块库，编辑创建程序时既可以使用用户自身编制的功能块，也可以使用STEP7软件中的标准程序功能块，功能块之间通过连线进行连接，便于快速查看链接程序，非常适合用于过程控制和系统工程。

程序设计采用模块化原则，按照二级过程自动化STA→基础自动化SDH→逻辑功能 LFE的顺序结构进行编辑。

换辊机械部件中的出入口导板台、上下工作辊锁、下支撑辊托架等采用了MOT_C 2D1V功能块进行控制液压回路中的电磁阀，其可以控制机械部件两个相反方向的动作，动作速度只有一种。MOT_C 2D1V功能块的每个方向控制都有相应的运行条件和启动条件进行限制。维护模式控制引脚激活时，每个方向控制不受相应的运行条件和启动条件限制。MOT_C 2D1V功能块还有急停、接近开关、阀状态激活等信号处理。

此外如工作辊推拉液压缸、阶梯垫、支撑辊推拉液压缸、横移平台等采用了MOT_C 2D2V功能块、M_POS功能块、S_MUX功能块等进行控制液压回路中的比例阀，MOT_C 2D2V其可以控制机械部件两个相反方向的动作，动作速度有快速和慢速两种，其他功能引脚与MOT_C 2D1V功能块类似。M_POS功能块、S_MUX功能块能可进行比例阀速度给定斜坡控制。

精轧机换辊自动功能采用了SFC顺序功能图控制，程序中设计了换辊前准备工作自动控制顺序功能图、移除工作辊自动控制顺序功能图、装入工作辊自动控制顺序功能图，功能图中每一步的执行都需要检测前面运行条件是否满足，如果运行条件满足，则链接激活相关的MOT_C 2D2V、MOT_C 2D1V等功能块运行控制，功能图按照从上至下的原则进行逻辑控制。

4 结束语

通过实际运行证明，精轧机换辊电气控制系统采用SIEMENS公司的TDC(technology drive control)控制器具有运行稳定、换辊效率高、维护方便、可操作性强等优点，能够很好满足精轧机较高频次的换辊工作，提高了生产效率，为企业带来了良好的经济效益。

Electrical Control Technology of Roll Replaced for 2100 mm
Hot Finishing Machine

WANG Gang， DONG Bao

(System Engineer Station, Northeast Light Alloy Co., Ltd. Harbin 150060, China)

This article mainly introduces the control theory, electrical system configuration of hardware and software design of 2100 mm hot finishing machine of south department of super size aluminum alloy material project of Northeast Light Alloy Company.

hot finishing machine；control mode；TDC controller；close loop control；CFC program language

2014-01-22

王刚(1984-)，男，黑龙江海林人，工程师，大学本科，主要从事设备调试和维护工作。

董宝(1982-)，男，黑龙江大庆人，工程师，大学本科，主要从事设备管理和维护工作。

TG334.9

B

1003-8884(2014)03-0001-04