1 引言
寶鋼薄帶連鑄新增試驗軋機(jī)項目是為寶山鋼鐵股份有限公司薄帶連鑄產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)項目的一部分。試驗機(jī)組的處理能力為每天一爐，規(guī)格為厚度1~3mm，最大帶寬1110mm，最大卷重18t。根據(jù)雙輥式薄帶連鑄中試的需要，寶鋼股份在原有薄帶連鑄試驗機(jī)組上新增1套試驗軋機(jī)。
試驗軋機(jī)配置的目的：
（1）通過新增試驗軋機(jī)裝置和后續(xù)帶鋼冷卻系統(tǒng)及卷取機(jī)系統(tǒng)的局部改造，改善從薄帶連鑄到卷取成型全過程的穩(wěn)定性，為進(jìn)一步改善薄帶的澆鑄成型過程和提高連鑄薄帶的卷重創(chuàng)造有利條件；
（2）通過軋制進(jìn)一步改善連鑄薄帶的尺寸與板形精度；
（3）通過軋制和冷卻改善帶鋼的組織，從而進(jìn)一步改善連鑄薄帶的物理性能；
（4）本試驗軋機(jī)僅限于薄帶連鑄連軋工藝和產(chǎn)品的開發(fā)試驗。
圖1為薄帶實驗軋機(jī)工藝流程圖。工藝過程為：經(jīng)電爐（部分經(jīng)過vod和lf精煉）的鋼水澆鑄到高速旋轉(zhuǎn)的雙輥式薄帶連鑄機(jī)上，經(jīng)過氣冷的二冷系統(tǒng)以及活套，輸送到輸送輥道進(jìn)入軋機(jī)前夾送輥，單機(jī)架熱軋機(jī)軋制后的帶鋼進(jìn)入冷卻系統(tǒng)冷卻后由夾送輥送至飛剪切頭、切尾，然后帶鋼進(jìn)入卷取機(jī)前夾送輥，最后送入卷取機(jī)卷取成卷。卸卷小車卸下后由天車吊到v型架上進(jìn)行手動打捆。
圖1 薄帶連鑄實驗機(jī)組工藝流程圖
2 控制系統(tǒng)構(gòu)成
新增試驗軋機(jī)系統(tǒng)（見圖2）配置一套s7400 plc（含fm458）、一臺hmi操作站（兼服務(wù)器）、一臺模型計算機(jī)、一套數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)及特殊儀表操作終端，模型計算機(jī)←→l1和hmi←→plc通過tcp/ip方式通信，另外需要同原鑄機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連接。根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置和復(fù)雜性，將新增系統(tǒng)計算機(jī)和原有系統(tǒng)計算機(jī)配置在一個網(wǎng)段，鑄機(jī)、l1和軋機(jī)計算機(jī)均采用tcp/ip以太網(wǎng)方式通信。
圖2 薄帶連鑄實驗機(jī)組三電系統(tǒng)圖
在系統(tǒng)配置和選型上，要點如下：
采用電氣、儀表、計算機(jī)(eic)一體化的結(jié)構(gòu)體系，共用數(shù)據(jù)。采用通用pc機(jī)作為l1的操作終端。
控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用siemens公司的10/100mbps的快速工業(yè)以太網(wǎng)，利用原有系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，增加兩個路由器：一個（不帶光口）用于新增計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接入，另一個（帶光口）用于新增plc的網(wǎng)絡(luò)接入。
plc控制器選用siemens公司的cp416-2及fm458-1dp，plc與外部設(shè)備的連結(jié)，如與分布式i/o、智能儀表、現(xiàn)場智能操作盤、調(diào)速裝置等將采用pprofibus-dp-dp現(xiàn)場總線，根據(jù)距離傳輸介質(zhì)選擇使用雙絞線、同軸電纜或光纜。
采用高檔的pc服務(wù)器作為模型控制計算機(jī)。
采用最新型的fdaa系統(tǒng)用于軋制過程工藝數(shù)據(jù)的快速收集和分析。
2.1 plc站的配置
采用synmadyn d系列的fm458模板或tdc專門用于軋機(jī)機(jī)架、層流冷卻等的控制，fm458模板插入s7-400主機(jī)架，tdc機(jī)架單獨成柜，fm458或tdc的cpu為64位浮點risc cpu，最快采樣時間100靤，帶有256k緩沖存儲器，使用的編程語言為cfc和step7。配置以太網(wǎng)通訊模板用于實現(xiàn)與hmi站和模型服務(wù)器的通訊；配置pprofibus-dp-dp接口模板用于連接fdaa系統(tǒng)；tdc的一個pprofibus-dp接口用于連接主電機(jī)變頻調(diào)速裝置。
采用s7-400系列的cpu用于軋機(jī)和層冷以外的公輔設(shè)備控制，配置一個pprofibus-dp-dp接口用于連接et200m站和機(jī)架變頻調(diào)速裝置；配置以太網(wǎng)通訊模板用于實現(xiàn)與hmi站的通訊。
2.2 通訊功能
plc裝置通過工業(yè)以太網(wǎng)和計算機(jī)相連，通過pprofibus-dp-dp現(xiàn)場總線與遠(yuǎn)程et-200m及變頻調(diào)速裝置相連。本系統(tǒng)采用siemens step7編程軟件對plc系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)，編程和參數(shù)設(shè)置。cfc、step7軟件運行在bbbbbbs xp平臺上，可采用串行編程或以太網(wǎng)編程（或使用mpi多點通訊接口），編程方式靈活方便。
2.3 hmi系統(tǒng)
由于薄帶試驗機(jī)組現(xiàn)有操作室和計算機(jī)室的剩余空間有限，本項目需要新增的計算機(jī)設(shè)備較多，為了減少占地及節(jié)省投資不考慮hmi服務(wù)器加hmi操作站的標(biāo)準(zhǔn)配置，hmi服務(wù)器兼作hmi操作站。
2.4 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)
數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能夠幫助用戶進(jìn)行在線調(diào)試、故障跟蹤、故障診斷及分析等。本項目調(diào)試時間短，技術(shù)含量較高，且技術(shù)難度大，特別是對于軋制力調(diào)節(jié)、輥縫位置調(diào)節(jié)及彎輥力控制等實時性要求很高的功能，均需要使用實時的數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)來協(xié)助調(diào)試，這樣才能達(dá)到優(yōu)化工藝參數(shù)、加快調(diào)試進(jìn)程、提高控制精度的目的。
3 西門子sm150選型依據(jù)、軟硬件及控制功能
系統(tǒng)主回路原理圖如圖3所示。
圖3 主回路系統(tǒng)原理圖
3.1 選型依據(jù)
在sinamics家族中，g系列的主要用于風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)等要求控制精度不高的場合；所以不適合控制精度要求較高的主軋機(jī)上，功率最大1500kw，所以容量不夠。
s120屬于低壓范疇，電壓主要在380v~690v，本項目電壓3000v，電壓等級不夠，功率最大為1200kw，也達(dá)不到項目要求。s150最大功率容量為1200kw，也達(dá)不到項目要求。
sm系列是中壓產(chǎn)品，功率元件采用igct模塊，適合于高壓大功率的場合，目前本項目電機(jī)功率3000 kw，若用sm雖然有些浪費，但是為了以后的產(chǎn)業(yè)化，適合于不同的產(chǎn)品鋼種需求，所以采用sm150。
軋機(jī)主傳動電機(jī)采用上海電機(jī)廠生產(chǎn)的交流同步電動機(jī)，其主要的技術(shù)數(shù)據(jù)如附表所示。
附表 主傳動電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
3.2 硬件
3.2.1 igct功率元件
整流和逆變的功率元件硬件設(shè)備是完全一樣的，其控制功能是不同的。
功率模塊（見圖4）由三塊不同的相位元件組成。每個相位元件有3個并聯(lián)的夾緊壓桿。每個相位元件安置在四個igct功率半導(dǎo)體和水冷卻體之間，以此使組件得到雙面冷卻。此外，每個相位元件安裝有4個空程二極管、2個中點二極管和2個端子接線。每個端子接線由一個開啟平衡電抗器、一個接線電容器和一個接線電阻組成。開啟平衡電抗器位于相位元件旁，接線電容器和電阻位于相元件的下部區(qū)域。
圖4 igct功率元件
中間電路電容器通過低電感扁平軌道與單一相位元件相連接。低電感扁平軌道作為軌道束，其單一軌道與絕緣面相粘合。
控制系統(tǒng)：控制組件直接安裝在相位元件上；功率半導(dǎo)體通過控制組件開關(guān)。控制命令通過控制組件上psa的合成材料光波導(dǎo)體連接進(jìn)行傳輸。
3.2.2 d445控制器硬件組成
控制模塊d445包含和傳動其他部分通訊的以太網(wǎng)接口、軟件和傳動程序等。主要如下：
（1）8個狀態(tài)指示燈；
（2）8個數(shù)字量的輸入和8個雙向di/do，其中4個是快速di；
（3）提供24v直流電；
（4）可以擴(kuò)展接口(cbc10)；
（5）2個以太網(wǎng)接口；
（6）2個pprofibus-dp-dp接口，一個接口為dp口，另外一個接口是dp和mpi通用接口；
（7）dp地址選擇撥碼（dp地址也可以軟件設(shè)置）；
（8）閃存卡。
其中，現(xiàn)場總線用pprofibus-dp和pro-net、drive-cliq（編碼器接口板sm30、端子板tm15、tm31、cx32等采用drive-cliq與d445通訊）等通訊。
3.2.3 檢測元件：速度檢測模塊sm30
速度檢測模塊sm30用于檢測電機(jī)的編碼器的速度反饋信號。
3.2.4 檢測元件：電壓、電流檢測元件avt
電流和電壓實際值通過avt組合組件測定。avt組合組件的重要功能是將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，再將信號發(fā)送給psa。信號通過光波導(dǎo)體傳送至psa。
3.2.5 檢測元件：電壓傳感模塊vsm10
電壓傳感模塊vsm10主要用于檢測高壓開關(guān)電網(wǎng)一側(cè)的電壓、頻率、相位。
3.2.6 冷卻設(shè)備
循環(huán)冷卻設(shè)備（rke）從變頻器將損失功率引離。其構(gòu)成主要包括：
（1）一個內(nèi)部充滿離子水的過濾水循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)循環(huán)設(shè)備主要由兩臺泵組成，一用一備，24小時交替工作；
（2）一個外部原水循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)內(nèi)循環(huán)冷卻循環(huán)系統(tǒng)冷卻水溫度達(dá)到35℃以上，自動開啟外部循環(huán)系統(tǒng)。
內(nèi)部水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的過濾水傳導(dǎo)出變頻器功率部件的熱量，再由無需保養(yǎng)的循環(huán)泵導(dǎo)入至熱交換器。過濾水的熱量在此被外部原水循環(huán)系統(tǒng)導(dǎo)出，再由泵重新輸送至變頻器。
3.2.7 勵磁部分
采用外部勵磁控制，主要采用西門子6ra70直流調(diào)速裝置作為勵磁控制單元，勵磁電流的大小是由d445控制。
3.3 軟件
sm150應(yīng)用軟件為scort軟件，scort軟件必須在step7軟件環(huán)境下安裝。
在實際編程語言中，編程方式可以采用以下幾種方式：
● 可以以流程圖的方式對機(jī)器程序順序進(jìn)行圖形化編程；
● 采用lad（梯形圖）、fbd（功能結(jié)構(gòu)圖）、cfc語言方式進(jìn)行編程；
● 可采用st高級編程語言，主要用于sm150系統(tǒng)的通訊，如d445與tdc、觸摸屏等數(shù)據(jù)通訊；
此外，在d445中，邏輯順序合閘功能采用cfc軟件編程實現(xiàn)。
3.4 功能介紹
3.4.1 三電平控制
sm150中壓系統(tǒng)采用三電平控制，三電平中點鉗位式變流器在中高壓大功率場合應(yīng)用中相對于傳統(tǒng)兩電平變流器所表現(xiàn)出來的明顯優(yōu)勢：具有輸入功率因數(shù)高（cos1）、輸出頻率高、無需無功補(bǔ)償，減少高次諧波等顯著優(yōu)點，特別是在低速時，輸出負(fù)載電流也能夠連續(xù)。
sm150分為hvigbt和igct兩個版本，但兩者的主回路都是用中點鉗位的三電平結(jié)構(gòu)。sm150是帶有源前端、可以4象限運行的高性能變頻器，用的是中點鉗位的三電平結(jié)構(gòu)。sm150控制核心使用了simotion d445控制器(見圖5)，功率部分基本上沒有變化。其最大單臺功率為10mv·a，3臺直接并聯(lián)起來可構(gòu)成28mv·a的逆變器。sm150也可以構(gòu)成一個公共直流母線帶幾個逆變器的系統(tǒng)。
圖5 sm150系統(tǒng)配置圖
3.4.2 d445控制功能
d445控制器是由tdc通過profibus發(fā)送過來的合閘指令，用cfc編程順序完成合閘過程。
整個合閘過程連鎖條件：
● 進(jìn)線柜、功率柜門上的連鎖開關(guān)已關(guān)好；
● 接地開關(guān)已打開；輸出隔離開關(guān)已合好；
● 冷卻循環(huán)系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒；
● d445控制器、電源擴(kuò)展控制模塊cx32、接口模塊psa、整流模塊alm、電機(jī)模塊mm和勵磁單元6ra70準(zhǔn)備ok；
● 無急停、快停信號等等。
tdc發(fā)出合閘指令，首先冷卻循環(huán)系統(tǒng)開始運行（冷卻循環(huán)系統(tǒng)是兩臺泵，一用一備24小時交替工作）。冷卻循環(huán)系統(tǒng)運行后，檢查冷卻循環(huán)系統(tǒng)運行是否工作正常（包括流量、離子濃度等），之后進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)中間直流電壓充到±4800v的80％左右，通過vsm10檢測高壓開關(guān)電網(wǎng)一側(cè)的電源相位、頻率、電壓幅值。d445控制器通過drive-cliq控制電源控制模塊cx32使其發(fā)出脈沖信號通過光電轉(zhuǎn)換接口板pas傳輸光信號來驅(qū)動電源功率模塊alm，使其電源功率模塊alm工作處于逆變狀態(tài)，在1u1、1v1、1w1端產(chǎn)生三相交流電，與電網(wǎng)側(cè)的相位互差30°、頻率相同、電壓幅值與變壓器二次側(cè)相同時，才發(fā)出高壓斷路器合閘信號。d445接到高壓斷路器合好的反饋信號后，使其電源功率模塊alm工作處于整流狀態(tài)，斷開預(yù)充電回路。之后發(fā)出同步機(jī)勵磁電流控制信號，接到同步機(jī)勵磁電流反饋信號后，tdc向控制器d445發(fā)出速度控制指令等控制信號，然后由d445控制電機(jī)模塊mm來完成同步機(jī)的啟動、運行、加減速、穩(wěn)速等過程，從而完成同步機(jī)控制過程。
d445控制器開/閉環(huán)控制控制模式可以選擇：
（1）v/f開環(huán)頻率控制；
（2）帶編碼器矢量控制；
（3）不帶編碼器矢量控制；
（4）帶編碼器轉(zhuǎn)矩控制；
（5）不帶編碼器轉(zhuǎn)矩控制。
4 項目運行
薄帶軋機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過了兩個星期的試車，完成了輥縫調(diào)零、剛度測試、換輥測試、空負(fù)荷試車等。后經(jīng)過2個半月的熱負(fù)荷試車，主軋機(jī)運行平穩(wěn)，各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求，速度精度達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的±0.01%，轉(zhuǎn)矩精度達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的±5%。經(jīng)過這次新上主軋機(jī)系統(tǒng)后，熱軋板卷產(chǎn)品質(zhì)量得到了大大的提高，板形得到了改善。
5 結(jié)束語
通過這次sm150的主軋機(jī)系統(tǒng)調(diào)試，熟練掌握了整個sm150的調(diào)試技術(shù)。與以前的西門子產(chǎn)品相比，sm150除具備原有simovertml2等系列產(chǎn)品的特點外，還具備以下新特點：sm150應(yīng)用界面主要采用圖形化的方式；采用數(shù)結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行方便的查詢，如可查詢硬件組態(tài)、通訊狀態(tài)信息、電機(jī)狀態(tài)信息等；還可以仿真調(diào)試、數(shù)據(jù)采集跟蹤，界面友好；可以轉(zhuǎn)為專家模式；編程可靈活采用多種方式實現(xiàn)完成多種工藝控制。
作者簡介
王繼明（1958-） 男 高級工程師，現(xiàn)就職于寶信軟件股份有限公司。
參考文獻(xiàn)（略）
作 者：寶信軟件股份有限公司 王繼明
本文來自：2009年第10期“系統(tǒng)應(yīng)用”上
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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