1、引言
冷軋窄帶鋼有著非常好的市場，但很多生產廠的軋機設備比較陳舊，特別是電氣的裝機水平和控制性能較差，直接影響到產品的質量、成材率和產量，當然也影響了企業的經濟效益。總結前人的窄帶鋼冷軋機電控裝置的設計生產經驗，結合用戶的具體要求，本著高性能，低成本的原則，選擇德國VIPA 300S系列PLC和英國CT不可逆全數字" title="全數字">全數字直流調速裝置MENTOR-Ⅱ為控制核心，設計制造了一套五機架冷連軋機的電氣控制系統，而且實現了速度的級聯" title="級聯">級聯控制和張力的閉環控制，大大提高了設備和產品的各項性能指標，取得了較明顯的經濟效益。
2、系統介紹2.1 機組情況
五機架冷連軋機是由開卷機、螺旋儲料裝置、1-5#四輥冷軋機和卷取" title="卷取">卷取機等主要機械設備組成，全線沒有活套機構，在1-2#、2-3#、3-4#和4-5#機架間設有張力計，1#機架入口和5#機架出口各有一臺測厚儀，以測量來料厚度和成品厚度；每個機架為獨立的直流傳動系統，1-5#四輥冷軋機均為工作輥傳動，輥縫按工藝人工擺放，壓下控制采用四象限全數字直流調速裝置電動壓下替代交流電動壓下，卷取機也采用了四象限直流傳動系統。圖1是機組的組成圖。
圖1 窄帶鋼五機架冷連軋機布置圖
2.2 電氣系統
針對窄帶鋼五機架冷連軋機的工藝特點，選擇高性能的控制元器件是滿足控制要求的關鍵。作為控制核心的PLC，選擇了VIPA公司300S系列的CPU作為PROFIBUS系統的主站，在主操作臺設置了IM253DP從站和一塊TP270觸摸屏，在兩個壓下控制柜和卷取控制柜分別設置了S7-200從站，同時控制1-5#機架的直流控制裝置" title="控制裝置">控制裝置都安裝了PROFIBUS擴展板MD24，在1-5#機架的機旁操作箱以及卷取操作臺都分別設置了VIPA公司的IM253DP作為從站。
該套PLC系統，以VIPA公司的Speed7系列的CPU 315-2AG12作為主站，從站數量達到了16個。作為主站的CPU 315-2AG12，本機自帶1M內存（50%程序，50%數據），運算速度高達每毫秒100,000指令，主要采集各個從站的數據，同時向各個從站傳遞指令，控制整個軋機；1-5#機架從站主要功能是接受主站傳輸的指令和數據（例如合閘、運行、速度給定等）以控制每個機架電機，同時向主站傳遞信息和數據（例如故障、速度反饋、電流反饋等）以反映每個機架電機的狀態；1-5#架旁操作箱從站分別采集各個機架控制的開關量信號；卷取機從站主要功能是傳遞卷取電機的各種信息和接受主站的各種指令，同時還進行卷取卷徑的計算以實現張力恒定；兩個壓下從站的功能是控制1-5#壓下十臺電機，同時還計算2#和5#壓下驅動側和操作側的位置；系統200V從站主要采集主操作臺對整個機列的操作信號；TP270觸摸屏，通過MPI與CPU 315-2AG12通訊，主要用于顯示各種機列數據（例如機列速度、卷取卷徑和設備的故障情況等）。
在本控制系統中，大量選用VIPA公司的IM253DP作為從站，是節省投資的另一個主要方面。IM253DP具有很高的性價比，使用上可以和ET200M相媲美；同時VIPA公司的IM253DP的尺寸較小，采用35mm標準導軌安裝，可以減小機旁操作箱的尺寸，接線采用彈簧卡接的型式，快速，可靠。圖2是PLC的配置圖
圖2 五機架冷連軋機PLC系統配置圖
直流電機的直流驅動單元采用的是C.T公司的MENTOR——Ⅱ系列全數字直流控制裝置。該系列全數字直流控制裝置具有典型的雙閉環控制特性，全數字菜單式參數設定，并可在線調整，可編程的模擬量和開關量輸入輸出，速度反饋可選擇電樞電壓、測速發電機和碼盤，電流環參數自整定功能，裝置自檢功能，自帶小功率磁場驅動及可配套的磁場控制模塊FXM5。為了節省投資，1-5#機架直流驅動單元都選用單象限工作的不可逆全數字直流控制裝置及磁場控制模塊FXM5，采用磁場換向的控制方式，滿足點動時對反向的工作要求。
3、系統的控制功能
窄帶鋼五機架冷連軋機的電氣控制系統需要實現：機列的邏輯控制、直流傳動控制、速度級聯控制、機架間張力閉環控制和卷取張力控制" title="張力控制">張力控制。
3.1機列的邏輯控制和直流傳動控制
這兩部分的控制屬于基本控制，邏輯控制上主要是在容錯方面做了較多工作，因為直流裝置采用的是不可逆裝置，而工作中，各單機又需要反向點動，做好電機磁場的換向及避免各種誤操作對設備造成損壞尤為重要。直流傳動控制由于采用了全數字直流控制裝置，保證了對給定信號的快速精確和穩定可靠地響應，并能準確地反饋各種信號。
3.2速度級聯控制
在冷連軋機的軋制過程中，各機架的速度匹配關系應始終遵循金屬秒流量相等的原則，針對五機架連軋機，確定3#機架為機列速度基準機架，1#和2#機架按逆向級聯方式進行，4#和5#機架按順向級聯方式進行。
按照金屬秒流量相等的原則，第i機架的速度計算公式是：
Vi=Vi+1/Ki+1
公式中，Vi是本機架的出口線速度，Vi+1是相鄰下游機架的出口線速度，Ki+1是相鄰下游機架的延伸率。
有三個信號對各機架的速度產生影響：一是機列的主速度給定，根據主操作手給定的機列速度，按相應的級聯關系分配給各機架；二是各機架的速度微調，3#機架是基準機架，不需要速度微調，1#、2#和4#、5#機架在操作臺上各有一個微調電位器，1#和5#機架是級聯終端，它們的微調Vw1、 Vw5分別只對本機架產生影響，而2#和4#機架的微調除了影響本機架，還應級聯調節1#和5#機架；三是張力閉環調節信號，1-2#機架間的張力調節信號Vz12，附加給1#機架的速度給定，2-3#機架間的張力調節信號Vz23，除了附加給2#機架，還要級聯到1#機架，3-4#機架間的張力調節信號Vz34，附加給4#機架，4-5#機架間的張力調節信號Vz45，除了附加給4#機架，還要級聯到5#機架，各機架的最終速度給定如下：
5#機架：V5=V4＊K5 +Vz45+Vw5
4#機架：V4=V3＊K4 +Vz34+Vw4
2#機架：V2=V3/K3 +Vz23+Vw2
1#機架：V1=V2/K2 +Vz12+Vw1
作為1#和5#機架的速度微調，因為它們只影響本機架的速度給定，其實是可以直接進直流控制器的，但是為了充分利用PLC資源，利用PROFIBUS的優點，減少現場布線，所以將各微調信號都送到了PLC。
3.3 張力閉環控制
連軋機機架間張力的變化主要是由金屬秒流量的變化引起的，由于在軋制過程中，輥縫基本上是不做調節的，所以改變軋機的速度就能改變金屬秒流量，從而達到控制張力的目的。軋制過程中，PLC定時對機架間的張力反饋值進行采樣，根據相應的張力給定計算出張力偏差值，調用PID控制指令，計算出張力調節信號，變換為速度信號形式，分配給相應的機架，達到通過速度實現對張力控制的目的。圖3 是張力控制框圖
圖3 張力控制框圖
需要說明的是，1-2#和2-3#機架間的張力控制信號對應1#和2#機架的速度給定是正極性，也就是1-2#機架間的張力偏大的時候，PID計算的張力調節信號VZ12是使1#機架的速度增加，反之減小；而3-4#和4-5#機架間的張力控制信號對應4#和5#機架的速度給定則是負極性的，也就是3-4#機架間的張力偏大的時候，PID計算的張力調節信號VZ34是使4#機架的速度減小，反之增大。
3.4卷取機張力控制
卷取機的張力控制由卷取機的從站S7-200來完成，為了使卷取機以恒張力的卷取特性工作，就必須實時計算卷取機的帶材卷徑；本系統將測速輥的編碼器接入S7-200的高速計數通道中，以計算帶材長度，同時將卷取機的測速編碼器的零脈沖接入高速計數通道，在S7-200的程序中做了事件中斷，本系統設置了卷取機的測速編碼器每轉10轉，調用一次中斷程序，算出兩次的長度差，即可算出卷徑。
帶材卷徑計算出來后，即可通過程序計算出所需的卷取張力值，當卷徑較小速度又較快時，卷取電機的速度有可能超過基速，電機則需要弱磁，此時電機的力矩會減小，為了獲得恒定的力矩，需要從卷取機直流裝置中讀取電機的實時轉速，計算出弱磁的倍數，按倍數加大卷取電機的電流給定，以補償弱磁后的力矩減小。
4、系統特點和應用效果
4.1系統特點
A、將原來人工分別調各機架速度來保持機架間張力，改造為張力自動閉環工作方式，系統響應的快速性、穩定性得到了保證，消除了人為因素的影響；
B、在300S PLC的編程中，應用OB35系統塊的定時中斷功能，對張力閉環采取內外環的控制方式，也就是說以3#機架為速度基準，先調用2#和3#PID環，以調節2#和4#機架的速度，在下一個循環周期再調用1#和4#PID環，以調節1#和5#機架的速度，這樣就避免了同時調用1-4#PID環所容易引起的速度震蕩，效果非常良好。
C、張力的投入是在穿帶過程中自動進行，從而在整個軋制過程中實現了張力控制，保證了產品的質量和成品率；
D、 因為整個系統都應用了PROFIBUS通訊，省去了柜子之間以及和操作臺之間的布線，大大降低了系統故障率，同時在主操作臺設置了良好的人機畫面，為客戶檢修故障提供了方便。
4.2 應用效果
采用上述控制技術，窄帶鋼五機架冷連軋機的機列速度從90m/min，提高到240m/min，張力控制實現了自動閉環，帶負荷試車一次成功，運行一年半時間，PLC和直流控制裝置未出現任何故障，設備可靠性高，經濟效益十分顯著。