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[摘 要]本文简介我司冷轧带钢生产线电气控制系统，其采用西门子PLC和工业控制计算机、测厚仪，控制机架张力、卷取张力、钢带厚度，以满足生产工艺要求，实现生产过程自动化，对提高产量、质量、成材率具有理想的效果。
[关键词]PLC 西门子 计算机 测厚仪 张力
中图分类号：P315.69 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）36-0382-01
冷轧钢带生产线，年生产冷轧钢带10万吨，这条生产线可以轧制厚度为0.45mm～1.5mm、宽度最宽为380mm的冷轧钢带产品。其主要设备有1台开卷机，1台矫直机，3台夹送辊，1个活套，4台450八辊轧机，1台收卷机及相关的辅助设备。
经过酸洗的热轧钢带卷装入开卷机，一号夹送辊把钢带送入矫直机进行矫直平整，二号夹送辊把钢带送入入口活套存储，保证轧制工艺段有足够的原料提供；三号夹送辊取出钢带送入轧机，根据工艺设定要求轧出的产品，以卷的形式收卷。
1 自动控制系统组态
轧机和收卷机驱动电机采用直流电机，其调速装置是西门子的6RA70全数字直流调速装置，并配置一台PLC及其附属从站进行控制。辅助设备有稀油站（由S7-200 PLC控制）、润滑站（由S7-200 PLC控制）、液压站（由S7-200 PLC控制）三个套辅助设备。为方便控制，各设备都组态成Profibus-DP网络，进行PLC-PLC，PLC-调速传动装置间进行通讯，达到集中控制的目的。在操作台及主控室各设一台工业控制计算机，安装西门子WINCC人机界面，工业控制计算机以“服务器+客户机”的方式联网共享，服务器与PLC之间使用西门子MPI网络联网。
1.1 控制系统硬件组态
两台工业控制计算机采用的是工业以太网络进行联网通讯，其中一台用于与冷轧线S7-300 PLC通讯交换工艺参数等数据，并将此计算机设置为服务器，方便主操作台计算机以客户机的方式读取或发送数据至服务器，这种主从联网方式有维护方便，联网速度快捷，数据交换速度快等优点。将主站及从站的各个模块驱动添加进PLC的硬件组态分项中，在网络组成上是以S7-300作为冷轧生产线主站进行控制，所以在S7-300程序硬件组态中，将S7-200PLC及ET200设为从站并分配站地址和通讯协议。Profibus网络设置波特率为500Kbps，因在设计控制程序前进行的组态，所以各从站的DP地址采用系统自动分配的地址。
1.2 控制系统软件配置
冷轧生产线使用的PLC有西门子的S7-300一台、S7-200三台，PLC的程序设计分别用西门子STEP 7 5.3、Step 7 MicroWIN_V40_SP6。
軟件配置要求安装微软操作系统Windows2000，西门子Simatic Net 6.0及WINCC 6.0，安装完该三款软件通过设置两台计算机的IP地址，再装入WINCC人机界面项目后，即可正常的实现操作人员与机器设备之间的信息交流。WINCC人机交流界面项目有服务器端及客户端两种，基本信息和画面都是一样，只是实现通讯交换的方式不同，画面主要有工艺流程图、故障报警图、工艺参数反馈显示图和工艺参数设置及设备控制操作图。
2 PLC对张力控制的实现
控制程序有设备的过程控制逻辑、通讯数据交换换算及传输、轧制张力自动控制、卷取张力自动控制及轧制钢带厚度自动控制等，下面介绍利用PLC及现场设备对轧制钢带张力的实现。
2.1 轧机及卷取张力自动控制的实现
首先，张力的作用使变形区的应力状态发生了变化，减小了纵向的压应力，从而使轧制时降低单位压力；其次，调节张力可控制钢带厚度，通过改变张力大小使轧出厚度发生变化，相对而言，增大张力能使钢带轧制的更薄；再次，张力可防止钢带跑偏、保证轧制稳定。轧制中钢带跑偏的原因主要是钢带在宽度方向上出现了不均匀延伸。当轧件出现不均匀延伸时，沿宽度方向张力分布将发生相应的变化，延伸大的部分张力减小，而延伸小的部分则张力增大，结果张力起到自动纠偏作用。虽然张力纠偏同步性好、无控制滞后，但是张力纠偏如果是张力分布的改变超过一定限度，就会造成裂边、压折甚至断带。所以在程序设计上采用的是张力闭环自动控制方式，一般手动控制是在轧制生产前进行穿带时采用。
2.1.1 机架间张力控制
机架间张力有PLC计算自动给定和人工干预给定两种方式，在轧机架旁边操作箱设有机架张力增加/减少开关，现场操作人员可依据钢带明显的张力缺陷给予人工张力补偿。主要是为了保证轧机在原料穿带时的张力稳定，尽量使在低速阶段出口厚度向设定厚度靠近，在轧机穿带阶段进行张力补偿控制，即穿带阶段的机架间张力给定必须比正常的张力给定高（随着厚度的不同进行选择）。然后在轧机升速过程中随着速度的增加按照一定的斜率回归到正常的张力。
2.1.2 卷取张力控制
卷取机张力由PLC程序依据反馈的钢带厚度、钢带宽度换算得出，在控制上主要是卷取实时直径必须比较准确，卷取电机力矩是依据卷取直径计算得来，这个力矩就直接影响到钢带的实际张力。卷取实时直径计算公式D=V/n（D∶卷取直径；V∶钢带实际线速度；n∶卷取机实际转速）；卷取机卷筒已占用卷取部分卷径，故在程序中预先设定一初始卷径。
3 冷轧轧制钢带厚度自动控制的实现
原设计没有钢带厚度自动检测控制，采用钢带慢速时人工检测，误差较大，大约在±0.03mm～0.05mm之间（标准要求厚度公差控制在±0.02mm），且慢速时人工检测钢带厚度影响产量。为了提高轧制出来的钢带厚度精度，进行可行方案改造。采用清华大学核能技术研究院研制的QNT-2型射线厚度检测仪，带钢进行在线非接触、连续、快速的检测，并将厚度值反馈至PLC，由PLC程序根据反馈值与设定值的正负偏差，进行轧辊上升下降调节，所以在厚度自动调节控制用的是位置闭环控制，实现轧机上下轧辊之间的辊缝间距来控制成品的厚度。厚度检测仪反馈的钢带厚度值为1路4～20mA的模拟量信号，直接输入至S7-300主站PLC。经改造后钢带厚度公差可控制检测厚度灵敏度分为0.01mm和0.001mm两档，产品厚度质量明显提高，日产量也得到提高。
4 存在的问题和改进措施
计算机和PLC在冷轧生产线自动控制，在机架间张力控制、卷取张力控制、厚度控制等方面取得了良好效果。但卷取卷径计算还存在误差较大问题，由于原卷取卷径采用设定厚度和卷取机角速度进行简单计算得出卷径大小，没有把张力等因素加以考虑，误差较大。改进方法采用末机架线速度和卷取线速度相等的原理，即V=n1πD1/i1= n2πD2/i2。
（V为线速度；n1为末机架电机转速；D1为末机架轧辊直径；i1为末机架减速机变比；n2为卷取电机转速；D2为卷取机卷径；i2为卷取减速机变比。），即可得到稳定和误差较小的卷取卷径。（1）通过设置末机架辊径大小D1，末机架电机转速n1从末机架电机编码器获取，末机架线速度可得。（2）卷取电机转速n2从卷取机编码器获取。这样就可以准确得到卷取直径D2。根据准确的卷取直径就可以获得恒张力控制。采用以上方法改进，只要对S7-300PLC程序和WINCC部分修改，就能实现卷取卷径理想的效果，无需另外投资。
5 结语
PLC与计算机、测厚仪在冷轧钢带生产线中应用，实现轧机之间张力控制，卷取机张力控制，生产线自动控制和钢带厚度控制。系统运行稳定可靠，对减轻员工劳动强度，保证钢带质量，提高产量、成材率和经济效益等方面取得良好效果。
[关键词]PLC 西门子 计算机 测厚仪 张力
中图分类号：P315.69 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）36-0382-01
冷轧钢带生产线，年生产冷轧钢带10万吨，这条生产线可以轧制厚度为0.45mm～1.5mm、宽度最宽为380mm的冷轧钢带产品。其主要设备有1台开卷机，1台矫直机，3台夹送辊，1个活套，4台450八辊轧机，1台收卷机及相关的辅助设备。
经过酸洗的热轧钢带卷装入开卷机，一号夹送辊把钢带送入矫直机进行矫直平整，二号夹送辊把钢带送入入口活套存储，保证轧制工艺段有足够的原料提供；三号夹送辊取出钢带送入轧机，根据工艺设定要求轧出的产品，以卷的形式收卷。
1 自动控制系统组态
轧机和收卷机驱动电机采用直流电机，其调速装置是西门子的6RA70全数字直流调速装置，并配置一台PLC及其附属从站进行控制。辅助设备有稀油站（由S7-200 PLC控制）、润滑站（由S7-200 PLC控制）、液压站（由S7-200 PLC控制）三个套辅助设备。为方便控制，各设备都组态成Profibus-DP网络，进行PLC-PLC，PLC-调速传动装置间进行通讯，达到集中控制的目的。在操作台及主控室各设一台工业控制计算机，安装西门子WINCC人机界面，工业控制计算机以“服务器+客户机”的方式联网共享，服务器与PLC之间使用西门子MPI网络联网。
1.1 控制系统硬件组态
两台工业控制计算机采用的是工业以太网络进行联网通讯，其中一台用于与冷轧线S7-300 PLC通讯交换工艺参数等数据，并将此计算机设置为服务器，方便主操作台计算机以客户机的方式读取或发送数据至服务器，这种主从联网方式有维护方便，联网速度快捷，数据交换速度快等优点。将主站及从站的各个模块驱动添加进PLC的硬件组态分项中，在网络组成上是以S7-300作为冷轧生产线主站进行控制，所以在S7-300程序硬件组态中，将S7-200PLC及ET200设为从站并分配站地址和通讯协议。Profibus网络设置波特率为500Kbps，因在设计控制程序前进行的组态，所以各从站的DP地址采用系统自动分配的地址。
1.2 控制系统软件配置
冷轧生产线使用的PLC有西门子的S7-300一台、S7-200三台，PLC的程序设计分别用西门子STEP 7 5.3、Step 7 MicroWIN_V40_SP6。
軟件配置要求安装微软操作系统Windows2000，西门子Simatic Net 6.0及WINCC 6.0，安装完该三款软件通过设置两台计算机的IP地址，再装入WINCC人机界面项目后，即可正常的实现操作人员与机器设备之间的信息交流。WINCC人机交流界面项目有服务器端及客户端两种，基本信息和画面都是一样，只是实现通讯交换的方式不同，画面主要有工艺流程图、故障报警图、工艺参数反馈显示图和工艺参数设置及设备控制操作图。
2 PLC对张力控制的实现
控制程序有设备的过程控制逻辑、通讯数据交换换算及传输、轧制张力自动控制、卷取张力自动控制及轧制钢带厚度自动控制等，下面介绍利用PLC及现场设备对轧制钢带张力的实现。
2.1 轧机及卷取张力自动控制的实现
首先，张力的作用使变形区的应力状态发生了变化，减小了纵向的压应力，从而使轧制时降低单位压力；其次，调节张力可控制钢带厚度，通过改变张力大小使轧出厚度发生变化，相对而言，增大张力能使钢带轧制的更薄；再次，张力可防止钢带跑偏、保证轧制稳定。轧制中钢带跑偏的原因主要是钢带在宽度方向上出现了不均匀延伸。当轧件出现不均匀延伸时，沿宽度方向张力分布将发生相应的变化，延伸大的部分张力减小，而延伸小的部分则张力增大，结果张力起到自动纠偏作用。虽然张力纠偏同步性好、无控制滞后，但是张力纠偏如果是张力分布的改变超过一定限度，就会造成裂边、压折甚至断带。所以在程序设计上采用的是张力闭环自动控制方式，一般手动控制是在轧制生产前进行穿带时采用。
2.1.1 机架间张力控制
机架间张力有PLC计算自动给定和人工干预给定两种方式，在轧机架旁边操作箱设有机架张力增加/减少开关，现场操作人员可依据钢带明显的张力缺陷给予人工张力补偿。主要是为了保证轧机在原料穿带时的张力稳定，尽量使在低速阶段出口厚度向设定厚度靠近，在轧机穿带阶段进行张力补偿控制，即穿带阶段的机架间张力给定必须比正常的张力给定高（随着厚度的不同进行选择）。然后在轧机升速过程中随着速度的增加按照一定的斜率回归到正常的张力。
2.1.2 卷取张力控制
卷取机张力由PLC程序依据反馈的钢带厚度、钢带宽度换算得出，在控制上主要是卷取实时直径必须比较准确，卷取电机力矩是依据卷取直径计算得来，这个力矩就直接影响到钢带的实际张力。卷取实时直径计算公式D=V/n（D∶卷取直径；V∶钢带实际线速度；n∶卷取机实际转速）；卷取机卷筒已占用卷取部分卷径，故在程序中预先设定一初始卷径。
3 冷轧轧制钢带厚度自动控制的实现
原设计没有钢带厚度自动检测控制，采用钢带慢速时人工检测，误差较大，大约在±0.03mm～0.05mm之间（标准要求厚度公差控制在±0.02mm），且慢速时人工检测钢带厚度影响产量。为了提高轧制出来的钢带厚度精度，进行可行方案改造。采用清华大学核能技术研究院研制的QNT-2型射线厚度检测仪，带钢进行在线非接触、连续、快速的检测，并将厚度值反馈至PLC，由PLC程序根据反馈值与设定值的正负偏差，进行轧辊上升下降调节，所以在厚度自动调节控制用的是位置闭环控制，实现轧机上下轧辊之间的辊缝间距来控制成品的厚度。厚度检测仪反馈的钢带厚度值为1路4～20mA的模拟量信号，直接输入至S7-300主站PLC。经改造后钢带厚度公差可控制检测厚度灵敏度分为0.01mm和0.001mm两档，产品厚度质量明显提高，日产量也得到提高。
4 存在的问题和改进措施
计算机和PLC在冷轧生产线自动控制，在机架间张力控制、卷取张力控制、厚度控制等方面取得了良好效果。但卷取卷径计算还存在误差较大问题，由于原卷取卷径采用设定厚度和卷取机角速度进行简单计算得出卷径大小，没有把张力等因素加以考虑，误差较大。改进方法采用末机架线速度和卷取线速度相等的原理，即V=n1πD1/i1= n2πD2/i2。
（V为线速度；n1为末机架电机转速；D1为末机架轧辊直径；i1为末机架减速机变比；n2为卷取电机转速；D2为卷取机卷径；i2为卷取减速机变比。），即可得到稳定和误差较小的卷取卷径。（1）通过设置末机架辊径大小D1，末机架电机转速n1从末机架电机编码器获取，末机架线速度可得。（2）卷取电机转速n2从卷取机编码器获取。这样就可以准确得到卷取直径D2。根据准确的卷取直径就可以获得恒张力控制。采用以上方法改进，只要对S7-300PLC程序和WINCC部分修改，就能实现卷取卷径理想的效果，无需另外投资。
5 结语
PLC与计算机、测厚仪在冷轧钢带生产线中应用，实现轧机之间张力控制，卷取机张力控制，生产线自动控制和钢带厚度控制。系统运行稳定可靠，对减轻员工劳动强度，保证钢带质量，提高产量、成材率和经济效益等方面取得良好效果。