6ES7315-6FF04-0AB0详细说明

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，特别是电气的装机水平和控制性能较差，直接影响到产品的质量、成材率和产量，当然也影响了企业的经济效益。总结前人的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、系统的控制功能
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
公式中，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。
4、系统特点和应用效果
4.1系统特点
A、 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；
B、 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。
C、 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；
D、 因为整个系统都应用了PROFIBUS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。
4.2 应用效果
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。

此外，卷绕计算曲线具有4套设定、并能以外部输入信号来进行选择。由此、即使卷绕时间或绕线筒直径发生很大的变化、也能以1条曲线切换信号简便地改变系统。

    2．3应用于送线机

    在形形色色的卷绕系统的构成中、有时还需要同卷绕側进行相反动作的送线側的装置（送线机）。本控制法、是此类装置所为合适的送线机对应功能。

    送线机是同卷绕側的卷绕速度予以联动来作为其基本动作的。但在不能得到卷绕装置而来的速度情报时、联动运转就会成为非常困难的动作。即使是在这种情况下、本控制也能同卷绕側的速度无关来进行供线。

    卷绕側的速度变化、全反映在张力架的动作上、检测此张力架的动作并进行原位控制、为事先预防送线时的过张力及卷绕的松卷现象、来改变旋转方向和转矩。由此动作、即能进行不受卷绕側速度影响的单独的送线机控制。此外、考虑到断线时的紧急停机、在超越了断线判断电平时、即使其进行DC制动（直流制动）停止动作。此外、在进行卷线的准备作业时、若发生过多的送线时、即会在反转方向进行回卷控制。

    2．4应用于卷绕机

    从送线筒把线材送到绕线筒的卷绕机方面、会因其线的材质而要求某种恒定的張力和某种恒定的线速度。图6所示的光纤的卷绕装置中、由于使用的是非常容易断线的线材、所以应以数m～数十m／分的低速来进行恒張力、恒线速度的卷绕.

    其特征在于驱动送线部绕线筒的变频器和驱动卷绕部分绕线筒的变频器是互相独立地进行控制的。卷绕側的变频器、是以装置滑車上所设置的PG速度传感器的速度反馈脉冲为依据来进行线速度恒定控制的。此外，送线側的变频器是使用着专用的卷绕功能的、并以张力架的位置检测反馈信号为基准来进行張力的恒定控制的。

    也就是说，不使用相互的比率联动信号等、而是以卷绕側变频器的线速度恒定控制为基础、即由送线侧的变频器紧跟卷绕侧的变频器速度来进行張力控制、从而总能保持稳定的卷绕动作。此外、对予卷绕的中途停机后的再起动、或是改变卷线筒直径时的再起动、都能不受比率联动影响而进行稳定的卷绕动作。

    图8表示卷线筒转速―经过时间的特性。相互控制部分的线速度、从卷绕开始到卷绕结束是始终保持恒速的。为保持此恒定速度、相互的卷线筒的转速、在送线部分是逐渐上升的、而在卷绕部分则是逐渐下降的。

    在实现此特性时、特别是供线側的变频器的張力控制是起了很大效果的。通常、为把张力架的位置控制在所希望的位置时，使用PI控制，若增益的设定値不太合适时、就可能会经常发生微小的或是较大的振動现象而使控制变得非常困难。而本控制的手法是为抑制微小振动张力架的偏移幅度而进行的盲区控制以及抑制振动现象并能进行高速响应的可变增益控制，这些都在变频器内部予以了增强。此外，同送线机一样由于断线时的DC制动（直流制动）的停止动作，在通线时的反转方向的回卷控制从而形成了廉价的系统构成并**了其控制性能和作业性能。

    3．后记

    近几年来变频器应用系统正迅速地趋向特性化，若只是单纯地意识到通用性能的话则就难以满足特性化用户的需求。作为用户来说，现在也更为急切地要求变频器能对各用途市场的迅猛发展的动向逐步予以对应。

    本文所记载的对卷绕装置方面的应用、是对应形形色色系统而开发的专用功能的实例。

    日益追求技术发展的各种变频器应用系统正在不断地实现专用化，希望本文能为正在致力于变频卷绕控制的用户提供帮助