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【摘要】在西门子轧机的自动控制技术中，位置自动控制是轧机自动控制的重要组成，有着极为重要的地位，如压下位置控制、轧辊速度控制以及侧导板开口度控制等全都由位置控制系统来完成。本文介绍了位置控制的关键技术原理、发展状况及其在西门子自动化轧机中的应用。
【关键词】西门子；轧机；自动化；位置控制；
中图分类号：TN830文献标识码： A
一、系统简介
中厚板轧制具有来料短、道次变化频繁、产品规格多等特点。钢坯需要经过多道次的往复轧制，轧机的辊缝每道次变化，因而要进行频繁的辊缝变化。为了实现快速高效轧制，辊缝定位必须既快又定位准确，才能轧出符合厚度要求的产品。西门子轧机是一个具有精密机械、液压、电气传动、复杂自动化控制的设备，而且具有联锁多、控制精度高、响应速度快等特点。从控制角度上，主要分为机架控制及跟踪控制两大系统，而两大系统又分为钢板跟踪、轧线协调、传动控制、辊缝控制等等好多小系统。在钢板厚度控制方面，西门子轧机上使用了厚度自动控制系统，又称为AGC（Automatic Gauge Control）系统。它通过测厚仪、位移传感器和压力传感器等对轧件实际轧出厚度连续的进行测量，然后将实测厚度值与目标厚度值相比较，得出偏差信号，经放大后输出一个控制量去调整压下、张力或轧制速度，把厚度控制在允许的偏差范围内。一个完整的AGC系统由若干个厚度自动控制系统组成，其中最主要的是压下位置闭环系统。
二、系统配置
轧机控制系统主要由3套西门子最先进的TDC控制器（SIMATIC Technology and Drive Control――工艺和驱动自动化系统）组成，它是一种多处理器自动化系统，擅长解决处理复杂的驱动、控制和通讯任务，是对 SIMATIC S7 理想的扩充。组态和编程使用SIMATIC 工具进行，是西门子全集成自动化理念中的一部分。TDC由一个或多个模板机架组成，多处理器运行方式可以实现性能的几乎无穷制扩展。 SIMATIC TDC采用自由组态、模块化的设计思想，使得系统的结构便于扩展。系统可以快速实现闭环和开环控制、算术运算以及系统监视和信号通讯等功能。SIMATIC TDC拥有一套完整的模块化硬件和软件设计模式，能够保证硬件满足各种系统的设计要求。SIMATIC TDC尤其适用与相互关联的高精度控制系统。 SIMATIC TDC系统采用STEP/CFC组态语言，计算机用户界面十分友好，易与操纵和把握，适合于从简单到复杂的控制系统的要求。简单任务可以组态在一个功能包中，较复杂的任务则可由几个功能包共同完成。对于复杂的功能，可由几个处理器组合在一个SIMATIC TDC控制单元中来完成；更高级的系统则由几个SIMATIC TDC控制单元组合在一起，通过通讯连接交换数据来达到设计要求。SIMATIC TDC采用的是实时操纵系统（固定时隙为25 μs），采样速度很快（最短为100μs），强大的循环处理，高达5种采样时间（T1～T5）；能够处理周期任务（T0）和中断（I1～I8八级中断）任务。基于基本采样时间T0，可以定义5种采样时间的周期任务（T1～T5）以处理不同实时性要求的任务，其中T1～T5与T0的关系是SIMATIC TDC的处理机制如下图所示，这样的任务处理机制能够满足实时控制系统的要求。TDC通过PROFIBUS-DP通讯有现场安装的多个ET200M分站进行数据交换，完成对工艺流程的控制；传动部分由一系统西门子6SE7系统变频器组成，主要用于变频电机的控制。
系统根据配置采用3层通信方式,来实现自动化系统和信息网络系统的互联与集成。每个ET200M通过Profibus-DP与各自的CPU交换数据,实现对现场数据的采集及对现场设备的控制。2套TDC之间通过通讯模块实现数据的传递与共享。对于压下的位置控制，系统设计使用了MTS位置传感器以及SONY磁尺这两种高精度传感器进行现场实际位置的测量。
软件方面该系统使用西门子PCS7为开发平台，例用COMPROFIBUS进行DP网硬件组态配置，使用CFC进行编程。上位机组态软件Win CC V6.0向用户提供了极大的应用灵活性和系统开放性，在工业自动化领域有着广泛的应用，它可以通过操作画面对实现数据进行监控及操作。
三、位置控制流程介绍
为了轧出给定厚度的钢板，在板坯进入辊缝之前要正确地设定空载辊缝。在轧制过程中，为了使轧后的轧件厚度均匀一致，还必须随着轧制条件的变化及时调整空载辊缝的大小。这些都是通过正确地设定和控制辊缝来完成的。辊缝位置闭环的作用就是准确的控制压下位移，达到设定和控制空载辊缝的目的。它是整个厚度自动控制系统的基础。
西门子轧机的辊缝控制主要由上辊位置以及下辊位置两部分组成，通过分别控制上辊与下辊的位置来实现对辊缝的控制。
位置自動控制系统实际上是一个闭环控制系统，以压下位置控制为例，其实质就是压下电机转速的闭环控制系统。本次介绍的轧机中位置检测采用MTS公司生产的位置传感器以及SONY公司生产的磁尺，其动作执行单位分别为电动压下采用变频电机驱动、液压辊缝调节采用伺服阀驱动，其中电动压下有两台电机进行驱动，分别驱动工作侧和传动侧压下螺丝，每个压下螺丝中安装一个位置传感器进行螺丝位置检测；在液压辊缝调节中使用两个液压缸，每个液压缸上相对安装两个SONY磁尺进行检测，每个液压缸用两个伺服阀进行驱动，以供液压缸大行程、高速工作，达到快速设定辊缝的目的。
MTS位置传感器具有抗强振动、冲击及抗干扰性能，能在各种恶劣的环境下正常工作。其直接安装在压下螺丝顶部，通过固定安装在压下螺丝中的磁环来检测位置。而SONY磁尺安装在轧机下部其工作环境更加恶劣，长期处在水大、油污及在震动大的工作环境中，但其很强的防护使得SONY磁尺能够长时间在这种工况中工作。因此这两种具有传感器检测精度高，运行可靠的特点。
在轧钢过程中，为了轧出给定厚度的轧件，在轧件进入辊缝之前要正确地设定空载辊缝。在轧制过程中，为了使轧后的轧件厚度均匀一致，还必须随着轧制条件的变化及时调整空载辊缝的大小。这些都是通过正确地设定和控制压下位移来完成的。压下位置闭环的作用就是准确的控制压下位移，达到设定和控制空载辊缝的目的。它是整个厚度自动控制系统的基础。
电动压下系统中，通过传感器测出的实际数值与程序中计算的位置设定值比较，计算出差值，根据差值大小输出对应的速度给定到压下电机变频控制系统，直到实际位置达到设定位置，速度给定也变为零，电机停转达到预摆好辊缝的目的。对于液压辊缝控制系统，液压缸柱塞或活塞相对缸体的位移Δs通过SONY磁尺检测出来。为消除柱塞或活塞相对缸体摆动的误差，在缸体两侧对称位置安装两个SONY磁尺，取其平均值作为实测位移值。SONY磁尺检测出来数值反馈到TDC中，与给定位置设定值相比较，如有误差Δs，则通过放大器放大并转换成电流信号Δi送给电液伺服阀。伺服阀获得电流信号Δi后，转换成液压油的流量ΔQ送给压下油缸，再由油缸变为柱塞位移，一直到位移的反馈值（实测值）与给定值相等为止。这就是液压辊缝控制闭环的调节过程，如图1。
电动压下以及液压辊缝的闭环控制的上下辊位置控制的基本环节，它通过控制上下辊的位置，实现了对辊缝的控制，为引入其它补偿环节提供了条件。
四、结语
轧制自动化实际上是对轧制过程进行自动控制，尤其在高速与高精度轧制时，更需要计算机高速准确地控制生产过程。但所有自动控制都是人们精心安排和设计的。轧制自动控制就包括描述轧制过程的数学模型、机械动态特性模型及其组合方式。同时需要高精度的检测器、高速度的模拟或数字控制单元与系统以及稳定可靠的执行单元。需要我们不断来完善。
参考文献：
[1]李明. 板带轧机系统自动控制
[2]胡志平.PLC控制系统的设计应用[J],矿冶,2004,3(13):72-74.
[3]西门子公司. SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册[M].西门子公司, 2005.
【关键词】西门子；轧机；自动化；位置控制；
中图分类号：TN830文献标识码： A
一、系统简介
中厚板轧制具有来料短、道次变化频繁、产品规格多等特点。钢坯需要经过多道次的往复轧制，轧机的辊缝每道次变化，因而要进行频繁的辊缝变化。为了实现快速高效轧制，辊缝定位必须既快又定位准确，才能轧出符合厚度要求的产品。西门子轧机是一个具有精密机械、液压、电气传动、复杂自动化控制的设备，而且具有联锁多、控制精度高、响应速度快等特点。从控制角度上，主要分为机架控制及跟踪控制两大系统，而两大系统又分为钢板跟踪、轧线协调、传动控制、辊缝控制等等好多小系统。在钢板厚度控制方面，西门子轧机上使用了厚度自动控制系统，又称为AGC（Automatic Gauge Control）系统。它通过测厚仪、位移传感器和压力传感器等对轧件实际轧出厚度连续的进行测量，然后将实测厚度值与目标厚度值相比较，得出偏差信号，经放大后输出一个控制量去调整压下、张力或轧制速度，把厚度控制在允许的偏差范围内。一个完整的AGC系统由若干个厚度自动控制系统组成，其中最主要的是压下位置闭环系统。
二、系统配置
轧机控制系统主要由3套西门子最先进的TDC控制器（SIMATIC Technology and Drive Control――工艺和驱动自动化系统）组成，它是一种多处理器自动化系统，擅长解决处理复杂的驱动、控制和通讯任务，是对 SIMATIC S7 理想的扩充。组态和编程使用SIMATIC 工具进行，是西门子全集成自动化理念中的一部分。TDC由一个或多个模板机架组成，多处理器运行方式可以实现性能的几乎无穷制扩展。 SIMATIC TDC采用自由组态、模块化的设计思想，使得系统的结构便于扩展。系统可以快速实现闭环和开环控制、算术运算以及系统监视和信号通讯等功能。SIMATIC TDC拥有一套完整的模块化硬件和软件设计模式，能够保证硬件满足各种系统的设计要求。SIMATIC TDC尤其适用与相互关联的高精度控制系统。 SIMATIC TDC系统采用STEP/CFC组态语言，计算机用户界面十分友好，易与操纵和把握，适合于从简单到复杂的控制系统的要求。简单任务可以组态在一个功能包中，较复杂的任务则可由几个功能包共同完成。对于复杂的功能，可由几个处理器组合在一个SIMATIC TDC控制单元中来完成；更高级的系统则由几个SIMATIC TDC控制单元组合在一起，通过通讯连接交换数据来达到设计要求。SIMATIC TDC采用的是实时操纵系统（固定时隙为25 μs），采样速度很快（最短为100μs），强大的循环处理，高达5种采样时间（T1～T5）；能够处理周期任务（T0）和中断（I1～I8八级中断）任务。基于基本采样时间T0，可以定义5种采样时间的周期任务（T1～T5）以处理不同实时性要求的任务，其中T1～T5与T0的关系是SIMATIC TDC的处理机制如下图所示，这样的任务处理机制能够满足实时控制系统的要求。TDC通过PROFIBUS-DP通讯有现场安装的多个ET200M分站进行数据交换，完成对工艺流程的控制；传动部分由一系统西门子6SE7系统变频器组成，主要用于变频电机的控制。
系统根据配置采用3层通信方式,来实现自动化系统和信息网络系统的互联与集成。每个ET200M通过Profibus-DP与各自的CPU交换数据,实现对现场数据的采集及对现场设备的控制。2套TDC之间通过通讯模块实现数据的传递与共享。对于压下的位置控制，系统设计使用了MTS位置传感器以及SONY磁尺这两种高精度传感器进行现场实际位置的测量。
软件方面该系统使用西门子PCS7为开发平台，例用COMPROFIBUS进行DP网硬件组态配置，使用CFC进行编程。上位机组态软件Win CC V6.0向用户提供了极大的应用灵活性和系统开放性，在工业自动化领域有着广泛的应用，它可以通过操作画面对实现数据进行监控及操作。
三、位置控制流程介绍
为了轧出给定厚度的钢板，在板坯进入辊缝之前要正确地设定空载辊缝。在轧制过程中，为了使轧后的轧件厚度均匀一致，还必须随着轧制条件的变化及时调整空载辊缝的大小。这些都是通过正确地设定和控制辊缝来完成的。辊缝位置闭环的作用就是准确的控制压下位移，达到设定和控制空载辊缝的目的。它是整个厚度自动控制系统的基础。
西门子轧机的辊缝控制主要由上辊位置以及下辊位置两部分组成，通过分别控制上辊与下辊的位置来实现对辊缝的控制。
位置自動控制系统实际上是一个闭环控制系统，以压下位置控制为例，其实质就是压下电机转速的闭环控制系统。本次介绍的轧机中位置检测采用MTS公司生产的位置传感器以及SONY公司生产的磁尺，其动作执行单位分别为电动压下采用变频电机驱动、液压辊缝调节采用伺服阀驱动，其中电动压下有两台电机进行驱动，分别驱动工作侧和传动侧压下螺丝，每个压下螺丝中安装一个位置传感器进行螺丝位置检测；在液压辊缝调节中使用两个液压缸，每个液压缸上相对安装两个SONY磁尺进行检测，每个液压缸用两个伺服阀进行驱动，以供液压缸大行程、高速工作，达到快速设定辊缝的目的。
MTS位置传感器具有抗强振动、冲击及抗干扰性能，能在各种恶劣的环境下正常工作。其直接安装在压下螺丝顶部，通过固定安装在压下螺丝中的磁环来检测位置。而SONY磁尺安装在轧机下部其工作环境更加恶劣，长期处在水大、油污及在震动大的工作环境中，但其很强的防护使得SONY磁尺能够长时间在这种工况中工作。因此这两种具有传感器检测精度高，运行可靠的特点。
在轧钢过程中，为了轧出给定厚度的轧件，在轧件进入辊缝之前要正确地设定空载辊缝。在轧制过程中，为了使轧后的轧件厚度均匀一致，还必须随着轧制条件的变化及时调整空载辊缝的大小。这些都是通过正确地设定和控制压下位移来完成的。压下位置闭环的作用就是准确的控制压下位移，达到设定和控制空载辊缝的目的。它是整个厚度自动控制系统的基础。
电动压下系统中，通过传感器测出的实际数值与程序中计算的位置设定值比较，计算出差值，根据差值大小输出对应的速度给定到压下电机变频控制系统，直到实际位置达到设定位置，速度给定也变为零，电机停转达到预摆好辊缝的目的。对于液压辊缝控制系统，液压缸柱塞或活塞相对缸体的位移Δs通过SONY磁尺检测出来。为消除柱塞或活塞相对缸体摆动的误差，在缸体两侧对称位置安装两个SONY磁尺，取其平均值作为实测位移值。SONY磁尺检测出来数值反馈到TDC中，与给定位置设定值相比较，如有误差Δs，则通过放大器放大并转换成电流信号Δi送给电液伺服阀。伺服阀获得电流信号Δi后，转换成液压油的流量ΔQ送给压下油缸，再由油缸变为柱塞位移，一直到位移的反馈值（实测值）与给定值相等为止。这就是液压辊缝控制闭环的调节过程，如图1。
电动压下以及液压辊缝的闭环控制的上下辊位置控制的基本环节，它通过控制上下辊的位置，实现了对辊缝的控制，为引入其它补偿环节提供了条件。
四、结语
轧制自动化实际上是对轧制过程进行自动控制，尤其在高速与高精度轧制时，更需要计算机高速准确地控制生产过程。但所有自动控制都是人们精心安排和设计的。轧制自动控制就包括描述轧制过程的数学模型、机械动态特性模型及其组合方式。同时需要高精度的检测器、高速度的模拟或数字控制单元与系统以及稳定可靠的执行单元。需要我们不断来完善。
参考文献：
[1]李明. 板带轧机系统自动控制
[2]胡志平.PLC控制系统的设计应用[J],矿冶,2004,3(13):72-74.
[3]西门子公司. SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册[M].西门子公司, 2005.