西门子模块6ES7517-3UP00-0AB0安装调试
1 引言
冷轧窄带钢有着非常好的市场，但很多生产厂的轧机设备比较陈旧，电气自动化性能较差，直接影响到产品的质量、成材率和产量，影响了企业的经济效益。根据窄带钢冷轧机电控装置的设计生产经验，结合用户的具体要求，本着高性能，低成本的原则，选择德国vipa 300s系列plc和英国ct不可逆全数字直流调速装置mentor-ⅱ为控制核心，设计制造了一套五机架冷连轧机的电气控制系统，而且实现了速度的级联控制和张力的闭环控制，大大**了设备和产品的各项性能指标，取得了较明显的经济效益。
2 系统介绍
2.1 机组情况
五机架冷连轧机是由开卷机、螺旋储料装置、1-5#四辊冷轧机和卷取机等主要机械设备组成，全线没有活套机构，在1-2#、 2-3#、 3-4#和4-5#机架间设有张力计，1#机架入口和5#机架出口各有一台测厚仪，以测量来料厚度和成品厚度；每个机架为独立的直流传动系统，1-5#四辊冷轧机均为工作辊传动，辊缝按工艺人工摆放，压下控制采用四象限全数字直流调速装置电动压下替代交流电动压下，卷取机也采用了四象限直流传动系统。图1是机组的组成图。
图1 窄带钢五机架冷连轧机布置图
2.2 电气系统
针对窄带钢五机架冷连轧机的工艺特点，选择高性能的控制元器件是满足控制要求的关键。作为控制核心的plc， 选择了vipa公司300s系列的cpu作为profibus系统的主站，在主操作台设置了im253dp从站和一块tp270触摸屏，在两个压下控制柜和卷取控制柜分别设置了s7-200从站，同时控制1-5#机架的直流控制装置都安装了profibus扩展板md24， 在1-5#机架的机旁操作箱以及卷取操作台都分别设置了vipa公司的im253dp作为从站。
该套plc系统，以vipa公司的speed7系列的cpu 315-2ag12作为主站，从站数量达到了16个。作为主站的cpu 315-2ag12，本机自带1m内存(50%程序，50%数据)，运算速度高达每毫秒100,000指令，主要采集各个从站的数据，同时向各个从站传递指令，控制整个轧机；1-5#机架从站主要功能是接受主站传输的指令和数据(例如合闸、运行、速度给定等)以控制每个机架电机，同时向主站传递信息和数据(例如故障、速度反馈、电流反馈等)以反映每个机架电机的状态；1-5#架旁操作箱从站分别采集各个机架控制的开关量信号；卷取机从站主要功能是传递卷取电机的各种信息和接受主站的各种指令，同时还进行卷取卷径的计算以实现张力恒定；两个压下从站的功能是控制1-5#压下十台电机，同时还计算2#和5#压下驱动侧和操作侧的位置；系统200v从站主要采集主操作台对整个机列的操作信号；tp270触摸屏，通过mpi与cpu 315-2ag12通讯，主要用于显示各种机列数据(例如机列速度、卷取卷径和设备的故障情况等)。
在本控制系统中，大量选用vipa公司的im253dp作为从站，是节省投资的另一个主要方面。im253dp具有很高的性价比，使用上可以和et200m相媲美；同时vipa公司的im253dp的尺寸较小，采用35mm标准导轨安装，可以减小机旁操作箱的尺寸，接线采用弹簧卡接的型式，快速，可靠。图2是plc的配置图。
图2 五机架冷连轧机plc系统配置图
直流电机的直流驱动单元采用的是c.t公司的mentor ⅱ系列全数字直流控制装置。该系列全数字直流控制装置具有典型的双闭环控制特性，全数字菜单式参数设定，并可在线调整，可编程的模拟量和开关量输入输出，速度反馈可选择电枢电压、测速发电机和码盘，电流环参数自整定功能，装置自检功能，自带小功率磁场驱动及可配套的磁场控制模块fxm5。为了节省投资，1-5#机架直流驱动单元都选用单象限工作的不可逆全数字直流控制装置及磁场控制模块fxm5，采用磁场换向的控制方式，满足点动时对反向的工作要求。
3 系统控制功能
窄带钢五机架冷连轧机的电气控制系统需要实现：机列的逻辑控制、直流传动控制、速度级联控制、机架间张力闭环控制和卷取张力控制。
3.1 机列的逻辑控制和直流传动控制
这两部分的控制属于基本控制，逻辑控制上主要是在容错方面做了较多工作，因为直流装置采用的是不可逆装置，而工作中，各单机又需要反向点动，做好电机磁场的换向及避免各种误操作对设备造成损坏尤为重要。直流传动控制由于采用了全数字直流控制装置，保证了对给定信号的快速**和稳定可靠地响应，并能准确地反馈各种信号。
3.2 速度级联控制
在冷连轧机的轧制过程中，各机架的速度匹配关系应始终遵循金属秒**相等的原则，针对五机架连轧机，确定3#机架为机列速度基准机架，1#和2#机架按逆向级联方式进行，4#和5#机架按顺向级联方式进行。
按照金属秒**相等的原则，第i机架的速度计算公式是：
vi =vi + 1 / ki + 1
式中，vi是本机架的出口线速度，vi+1是相邻下游机架的出口线速度，ki+1是相邻下游机架的延伸率。
有三个信号对各机架的速度产生影响：一是机列的主速度给定，根据主操作手给定的机列速度，按相应的级联关系分配给各机架；二是各机架的速度微调，3#机架是基准机架，不需要速度微调，1#、2#和4#、5#机架在操作台上各有一个微调电位器，1#和5#机架是级联终端，它们的微调vw1、 vw5分别只对本机架产生影响，而2#和4#机架的微调除了影响本机架，还应级联调节1#和5#机架；三是张力闭环调节信号，1-2#机架间的张力调节信号vz12，附加给1#机架的速度给定，2-3#机架间的张力调节信号vz23，除了附加给2#机架，还要级联到1#机架，3-4#机架间的张力调节信号vz34，附加给4#机架，4-5#机架间的张力调节信号vz45，除了附加给4#机架，还要级联到5#机架，各机架的终速度给定如下：
5#机架：v5=v4*k5 +vz45+vw5
4#机架：v4=v3*k4 +vz34+vw4
2#机架：v2=v3/k3 +vz23+vw2
1#机架：v1=v2/k2 +vz12+vw1
作为1#和5#机架的速度微调，因为它们只影响本机架的速度给定，其实是可以直接进直流控制器的，但是为了充分利用plc资源，利用profibus的优点，减少现场布线，所以将各微调信号都送到了plc。
3.3 张力闭环控制
连轧机机架间张力的变化主要是由金属秒**的变化引起的，由于在轧制过程中，辊缝基本上是不做调节的，所以改变轧机的速度就能改变金属秒**，从而达到控制张力的目的。
轧制过程中，plc定时对机架间的张力反馈值进行采样，根据相应的张力给定计算出张力偏差值，调用pid控制指令，计算出张力调节信号，变换为速度信号形式，分配给相应的机架，达到通过速度实现对张力控制的目的。图3 是张力控制框图。
图3 张力控制框图
需要说明的是，1-2#和2-3#机架间的张力控制信号对应1#和2#机架的速度给定是正极性，也就是1-2#机架间的张力偏大的时候，pid计算的张力调节信号vz12是使1#机架的速度增加，反之减小；而3-4#和4-5#机架间的张力控制信号对应4#和5#机架的速度给定则是负极性的，也就是3-4#机架间的张力偏大的时候，pid计算的张力调节信号vz34是使4#机架的速度减小，反之增大。
3.4 卷取机张力控制
卷取机的张力控制由卷取机的从站s7-200来完成，为了使卷取机以恒张力的卷取特性工作，就必须实时计算卷取机的带材卷径；本系统将测速辊的编码器接入s7-200的高速计数通道中，以计算带材长度，同时将卷取机的测速编码器的零脉冲接入高速计数通道，在s7-200的程序中做了事件中断，本系统设置了卷取机的测速编码器每转10转，调用一次中断程序，算出两次的长度差，即可算出卷径。
带材卷径计算出来后，即可通过程序计算出所需的卷取张力值，当卷径较小速度又较快时，卷取电机的速度有可能超过基速，电机则需要弱磁，此时电机的力矩会减小，为了获得恒定的力矩，需要从卷取机直流装置中读取电机的实时转速，计算出弱磁的倍数，按倍数加大卷取电机的电流给定，以补偿弱磁后的力矩减小。
3.5 系统特点
(1) 将原来人工分别调各机架速度来保持机架间张力，改造为张力自动闭环工作方式，系统响应的快速性、稳定性得到了保证，消除了人为因素的影响。
(2) 在300s plc的编程中，应用ob35系统块的定时中断功能，对张力闭环采取内外环的控制方式，也就是说以3#机架为速度基准，先调用2#和3#pid环，以调节2#和4#机架的速度，在下一个循环周期再调用1#和4#pid环，以调节1#和5#机架的速度，这样就避免了同时调用1-4#pid环所容易引起的速度震荡，效果非常良好。
(3) 张力的投入是在穿带过程中自动进行，从而在整个轧制过程中实现了张力控制，保证了产品的质量和成品率。
(4) 因为整个系统都应用了profi-bus通讯，省去了柜子之间以及和操作台之间的布线，大大降低了系统故障率，同时在主操作台设置了良好的人机画面，为客户检修故障提供了方便。
4 结束语
采用上述控制技术，窄带钢五机架冷连轧机的机列速度从90m/min，**到240m/min，张力控制实现了自动闭环，带负荷试车一次成功，运行一年半时间，plc和直流控制装置未出现任何故障，设备可靠性高，经济效益十分显著
1 引言
冶金关键过程控制系统中要求控制装置有极高的可靠性。在高炉炼铁生产中，如果控制系统出现故障，由此引起的停产和设备的损坏将造成极大的经济损失，只要系统中一个地方出问题，就会造成整个系统停产。仅仅通过**控制系统的硬件及软件的可靠性来满足高炉炼铁对可靠性的要求是不可能的。因为可编程序控制器本身的可靠性的**有一定的限度，并且可靠性的**会使成本急剧增加。因此，对一些关键的、危险的或停止(故障)后对人员安全或设备损伤有重大隐患的控制部分经常使用冗余控制器或冗余系统就能够有效地解决上述问题。
2 数据冗余技术
“冗余”就是将相同功能的设备设计为2个或2个以上，如果一个设备有问题，另外一个设备就会自动承担起有问题设备的任务，使生产能够继续进行。具体说来就是备份出另一套服务。一般情况下是某一套系统运行，而第二个系统处于待命状态，可以通过人工方式监视套系统，当发现有故障时，便激活第二套系统。也可以用控制器对2个模块同时进行扫描，当其中一块停止回应时，系统从另一个模块中获取数据。由此可见，冗余的目的保证了系统工作的连续性(基本不会出现系统不工作的情况)、稳定性。
plc 冗余可以分为软件冗余和硬件冗余两种。硬件冗余实现方式下对硬件型号有所要求，连接方式也不同，但对软件并无特殊要求。软件冗余投资不会太大，通过软件设计实现数据的读取、备用，监测到异常时自动切换。有些场合，也有按照冷冗余、暖冗余和热冗余来区分。
3 高炉自动化数据冗余
3.1 炉顶料罐压力冗余检测
炉顶料罐压力检测在日常生产中占有很重要的地位，若出现故障将直接影响到布料的顺利进行。莱钢1000立方米高炉整体由受料斗、料罐和高炉炉体三部分构成。焦炭、烧结矿等各种入炉原料由料车运到炉顶，倒入受料斗中。等到料罐内放散完毕后，即料罐压力为零时，打开上密阀和柱塞阀向料罐装料。装料完成后料罐将进行均压，此时料罐压力等于或者大于炉内压力，一旦高炉准备接受下一批炉料就进行布料，则打开下密阀并将料流调节阀开至设定开度，料罐中的炉料通过料流调节阀流到旋转的布料溜槽上。料罐清空后，关闭料流调节阀和下密封阀，打开放散阀进行放散，准备下一次装料。
从上述过程中可看到料罐压力在生产中的重要性，如果无法正确到检测料罐压力，会导致受料斗中的入炉原料无法进入料罐中，同时料罐中已有的炉料不能顺利向炉内布放。
并且当初高炉设计时，将“料罐压力”和“炉内压力”两个检测点的信号先引入本体控制室中，然后通过光纤通讯，传到槽下控制室，该控制室的plc接受并且处理后，再对炉顶设备进行控制。所以通讯是否畅通也是一个不得不警惕的隐患。
通过研究分析，采用数据冗余中硬件冗余的方式，可在原有设备基础上增加一套压力变送器，其信号不通过第三方传递，直接引致槽下控制室中进行处理。平时两套设备都在运行，由本体控制室通讯来的信号和直接从高炉传来的备用信号送给槽下控制室的plc处理，遵循一用一备的原则选择使用。这样就减少了对一套设备的依赖，增加了设备可靠性和操作灵活性。图1为改造后的数据传输、处理过程。
图1 高炉冗余数据传输处理
备用压力变送器要与原有的设备具有型号和相同的规格，这样采集的数据才有可比性，不会有较大的误差；两路信号的使用原则为“一用一备”，即在生产中只使用一路信号，参与生产控制，另一路信号处于备用状态。互为切换使用，当某一路信号出现异常时，另一路可迅速投入使用；监控画面要将两路信号的状态实时体现出来，通过显示的数值和数值的变化来判定两套变送器的运行状况。从而为选用哪一路信号参与控制做参考。监控画面设计如图2所示。
图2 监控画面
炉内压力用棒图的形式表示炉内压力检测点的变化情况。料罐压力。用棒图的形式表示两路料罐压力检测点的变化情况。切换设定用于手动切换使用料罐压力检测点信号。异常设定做了一个报警系统，当两路料罐压力之间的差值大于设定值后即认定为异常，发出报警，由操作人员做出判断。
通过改造，两套压力变送器运行状况良好，平时两套设备同时工作着，互为备用，都能很好得参与到生产控制中去，降低了因设备故障而影响生产的几率，画面上的棒图表示可以很好的反映出两路信号的变化情况，操作简单，而且在不影响生产的基础上可以很方便的对设备进行维护保养，**了设备寿命和系统整体的可靠性，使维护更加方便。
3.2 数据库冗余的应用
冗余可以分为软件冗余和硬件冗余两种，软件冗余的特点是投资少，见效快，在莱钢1000立方米高炉的软件冗余应用中，有代表性的就是历史记录数据库的冗余设计。
在自动化控制系统的监控画面中，历史趋势占有很重要的地位，通过历史趋势，操作人员可以很方便的判断当前一段时间的生产状况，为下一步的生产起到指导作用。或者在生产中出现事故后，操作人员往往首先去查看历史趋势，从而判断事故原因。历史趋势的数据需要记录在数据库中，因此，为了确保历史数据的完整性和安全性，需要对数据库进行冗余设计。
如图3的系统结构所示，该控制室有三台上位机，都通过交换机和plc进行数据交换，②号、③号机都安装数据库，用于保存历史数据，通过交换机可以互访对方的数据库。若其中一台出现故障，另一台可以继续记录历史数据，不影响历史数据的查询和记录。
图3 系统结构
通过上述改造，监控系统的灵活性大大**，操作性能进一步得到了改善，利用现有的资源，做出了合理的资源优化。将软件冗余的技术特点，应用到生产建设中。
3.3 探尺的冗余检测改造
莱钢1000立方米高炉现采用一部机械探尺，一部雷达探尺的双探尺模式对炉内料面进行检测。之所以采用这种方式，是根据实际生产特点做出的改进。不同与以往简单的数据采集设备冗余，应看作是对同一检测对象的设备类型冗余。
高炉竣工之初，安装使用的是两部机械探尺，投入生产后，发现传统的机械探尺虽然测量数据可靠，但体积大，而且经常发生故障。过去高炉塌料后，机械探尺根本探不到料面，不能反映料面深度。雷达探尺是一个连续的测量过程，是通过雷达的原理来探测料面的深度，探测深度不受限制，采用非接触的测量方式，24小时不间断工作，通过电子部件算出探头到介质表面的距离，能够准确及时地反映高炉料面情况，设备体积小，易操作，测量精度高。适应高温、粉尘、潮湿的工作环境，可连续、稳定检测高炉料位，无机械磨损故障，通过与机械探尺配合使用，可以更好地掌握高炉料面情况。
经过改造，拆除了一部机械探尺，在原开口处安装一部雷达探尺，与原先的机械式探尺同时使用，同时在值班室位机上做出料位实时曲线图和历史曲线图，可以随时供查看，便于高炉工长对整个高炉进行全面掌控，及时判断出高炉崩料、坐料等异常情况，很好跟踪机械探尺，弥补机械探尺探测深度只有四米、加料时探不出、监测有间隙等不足，为高炉提供准确的料位数据，有利于高炉**操作控制的准确性，为高炉稳定、顺行提供技术保证。
3.4 控制回路与限位信号冗余的应用
对一些采用液压回路控制的设备，出于技术方面的考虑，各增加一套控制回路，作为备用。如：上密阀、柱塞阀、下密阀、放散阀和均压阀。这些在日常生产中具有很重要作用的阀都有一个共同特点，就是都采用了液压控制。液压装置易发生油路阻塞或因为天气寒冷导致控制失灵等故障，而且故障不能迅速修复，因此增加一套独立的控制回路就十分的必要，同时在这些被控制的设备上增加备用的限位信号，对判断是设备故障还是控制回路故障具有重要的指导作用。监控画面的设计要做到能对现场设备做出正确判断，还要很方便地对冗余设备进行切换使用，以柱塞阀的控制画面如图4所示。
图4 柱塞阀控制
4 高炉自动化数据冗余关键
要做到数据信号的独立性。虽然在plc每个模板上都留有少量的备用点，但在冗余设计中应遵循的一个原则，即冗余的信号要与原先的信号接在不同的模板上，否则因为模板的故障而导致两路信号全部失灵，失去了冗余设计的本意。
对于输入量冗余的处理，特别是检测信号的冗余，我们虽然接受两组信号，但并不一定把两组数据都进行处理，即：同时接受，但只处理一组。因为这样可以减少系统的运算时间，在程序控制过程中只取一组信号，另一组处于备用状态，不会造成程序混乱。
当出现故障时，两套设备是自动进行切换，还是操作人员手动进行切换是冗余设计的两种思路，自动切换的优点就是当出现故障时程序能时间内发现故障，并自动做出相应的处理，缺点就可能因为假信号的干扰而做出错误的判断，而且操作人员不易觉察。通过权衡利弊后，莱钢1000立方米高炉采用的方式为手动切换，由于采用了异常报警，当出现异常时，操作人员同样可以及时发现，通过他对当时情况的分析，做出相应的操作，这样的好处就是操作人员可以察觉到异常，并且易于查找事故原因。
冗余设计是需要从全局考虑，当发生事故时，造成的损失是很容易计算出来的，但增加了防范措施后，因成功防范事故得到的收益和创造的效益却是无形的，得不到的。因此对该有冗余的设备不重视，舍不得投入，往往就会因小失大；但发生事故几率很小的地方却增加冗余，任凭设备损耗，无形中增加了不必要的投入，**了生产成本。