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摘要 本文结合笔者在两台1400mm铝带冷轧机电气控制系统改造中所完成的设计与调试工作，全面地阐述了铝带冷轧机的电气改造工作；论述了ABB全数字直流传动系统和西门子可编程序控制器（简称PLC）等电气新技术和新设备在电气改造中的应用。
关键词 ABB全数字直流传动系统；可编程序控制器；PROFIBUS -DP现场总线技术；工业以太网（Ethernet）通讯技术
中图分类号 TG333 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)081-0112-02
自上世纪90年代初以来，我院设计开发了七台1400 mm铝带冷轧机，90年代初当时是先进的铝板带加工设备，轧机在实际生产厚度为0.1 mm的带材时，产品精度为±3 μm，可以满足生产要求；轧机目前主体机械设备的运转状况仍较为良好，其它系统如液压、气动系统、传动系统等运转基本正常。但由于该轧机是在十余年以前所设计的，受当时技术水平及配套水平的限制，问题已经或者将要暴露出来，如：传动控制采用模拟系统，稳定性比数字系统差，存在温漂现象；机列操作部分（直流传动、交流、液压、板式过滤机的控制）：原装置由小型PLC和信号柜等组成，线路繁杂，故障率高，可靠性差，维修困难；许多元器件已停止生产，给生产维护带来极大的困难等等。
随着现代电气控制技术的飞速发展，结合铝带冷轧机先进的加工工艺，我们对其中两台1400 mm铝带冷轧机进行了多项切实可行的电气改造工作，使改造后的冷轧机整体性能更加完善，发挥出最大的经济效益。
1 直流传动系统升级改造
机架电机、开卷机电机、卷取机电机、碎边机电机的传动系统均采用ABB全数字传动控制器，通过改造使本轧机的传动系统做到实用可靠，稳定生产，尤其要解决张力稳定问题，提高轧制速度和张力的控制精度。
在本技术方案中，1400 mm铝带冷轧机的直流传动控制系统均采用ABB的DCS800系列产品，双电机采用同轴连接，电气控制采用主/从控制方式，使两台电机工作时保持负载的平衡。
ABB DCS800传动控制软件包括：
1.1 传动逻辑
1）本地/远程控制选择。
2）启动/停止顺序控制。
3）故障处理。
4）急停控制。
1.2 速度控制
1）速度监控和速度反馈的处理。
2）可调整的斜率发生器，如果需要可软化积分的输出。
3）速度给定积分器。
4）速度控制器可通过PID闭环控制。调节器的设计使它在不同的环中均易于调整，从而使调试工作更灵活。
1.3 转矩控制
内部/外部转矩极限限幅。客户可以选择电流调节器的电流极限，也可以配合速度降低电枢电流极限。
2 轧机机列控制和操作系统升级改造
PLC及其通讯系统主要由以下部分组成：
1）PLC控制系统：由西门子公司生产的S7－400PLC和完全分布式子站完成。
2）厚度控制系统：采用S7－400PLC控制。
3）人机操作界面（HMI）。
4）工程师站和数据采集分析系统。
整个系统具有简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。上述各个部分通过各自通讯适配器或专用通讯接口模块、交换机连接起来构成一体，系统基本网络结构分为二种：
1）现场级网络采用PROFIBUS-DP总线。主要用于PLC与传动控制系统、机列、油系统控制等实时性、可靠性要求较高的现场级控制交换信息，完成现场信息的采集和实时控制。PROFIBUS-DP能够实现现场级和车间级之间的快速通讯，从I/O到自动化控制中心信号传输仅为毫秒级，即使在干扰严重的环境或跨越几公里的距离，PROFIBUS-DP现场总线能提供良好的解决方案。因此PROFIBUS-DP已经广泛应用于工业自动化制造、加工、过程控制和其它工业控制生产中，是一种国际化的开放式现场总线标准，不同厂商所生产的设备不须对其接口进行特别调整可以进行通信。PROFIBUS-DP可用于高速率的数据传输，也可以应用在大范围的复杂的通信场合。
2）工业以太网通讯。随着Internet技术的不断发展，以太网己成为事实上的工业标准，TCP/IP的简单实用已为广大用户所接受，基于TCP/IP协议的以太网可以满足工业网络各个层次的需求。目前不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的上层网络也都广泛使用以太网技术。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格较低，带宽也在飞速增加，特别是快速Ethernet与交换式Ethernet的出现，使以太网通讯在工业自动化领域得到广泛应用，今天的控制系统和工厂自动化系统，以太网的应用几乎已经和PLC一样普及，可应用于严酷的工业环境，确保工业应用的安全可靠运行。以太网技术的主要性能：
工业以太网技术上与IEEE802.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP 通讯协议 ；
10/100 M自适应传输速率；
冗余24VDC供电；
简单的机柜导轨安装；
方便的构成星型、线型和环型拓扑结构；
用于严酷环境的网络元件，通过EMC测试；
简单高效的信号装置不断地监视网络元件等等。
工业以太网主要用于上位控制系统和PLC之间、人机界面、AGC、数据采集系统、其它系统等的数据信息交換，完成轧机工艺数据上传、下传和轧机运行数据传递，故障信息传递及各个显示运行、报警画面、报表打印等。工业以太网通讯处理器采用CP443-1。
轧机的控制与工作状态在操作台的触摸屏中有显示，当有报警信号（诸如油温异常、压力异常、油液洁净度下降、液位低等）时，即刻推出故障报警画面，以便能够得到及时的维护。
3 西门子S7 400PLC控制系统
西门子PLC控制系统：由西门子公司生产的S7－400PLC和远程I/O分布式子站组成。 1）西门子S7 400是SIEMENS在制造自动化和过程自动化的中高端PLC。机列PLC S7-414-2主要完成传动系统逻辑控制，辅助系统、机前机后、单体的顺序控制等工作；厚控PLC S7-414-2 主要完成AGC的实时控制工作。
2）遠程I/O分布式子站。对于现场的操作站点，阀台，扩展的远程I/O采用了SIEMENS的ET200系列，包括ET200M、ET200S。
ET200具有如下特点：最少的电缆使控制盘体积减小，安装更加容易，扩展和更改方便直接，通讯速率极高。各ET200从站分散在轧机各个控制点上，就近在轧机现场设备附近安放，输入现场控制信号，输出执行信号，所有的ET200通过PROFIBUS-DP总线连接到机列PLC。
3）轧机自动化的控制软件。
控制软件主要包括：
S7-400的编程，维护，调试，仿真软件包；
在STEP7基础上开发的冷轧PLC软件包；
人机界面HMI的编程软件包：WINCC；
上位监控软件：WINCC；
3.1 STEP7软件及冷轧PLC软件包
基于Windows的STEP 7是一个面向对象的强大的PLC编程工具。用户可以通过友好的图形接口（GUI）进行操作。编程语言可以根据习惯使用语句表（STL）、梯形图（LAD）或功能块图（FBD）。
冷轧PLC软件包是根据冷轧的工艺流程开发的控制软件，包含了冷轧的顺序控制，辅助逻辑控制，信息的传递。
3.2 HMI上运行的冷轧软件包
SIEMENS的WINCC软件包是运行于Microsoft Windows 2000、XP和Windows Server 2003的Windows控制软件，可以使设备以最优化运行，并且最大程度的提高工厂的可靠性和生产效率。
HMI软件是在WinCC基础上专门为人机对话开发的程序软件，它可以使操作人员及时准确地了解设备的运行状况，并且根据生产的需要对设备进行控制。
HMI应用软件包含内容有：轧机工作状态显示、传动控制、辅助操作、冷却液控制、参数设定、报警、帮助等。
设备故障诊断系统
系统包括不同等级的诊断系统，诊断信息可以实时显示在HMI并且记录在系统的故障记录中。
3.3 上位监控软件WINCC
通过SIEMENS的WINCC软件包编制的上位监控系统； 实现对生产数据的实时纪录。
3.4 系统的可扩展性说明
根据系统功能的划分，考虑系统的可扩展性，配置中每台PLC装置的各类I/O点（通道）备用量为装机量的10%，远程I/O站备用量至少为5-10%（通道），PLC装置预留适当的扩展接口和扩展空间。
4 结束语
这两台1400 mm铝带冷轧机采用了全新的电气控制系统，电气控制系统经过全新改造后，达到了当代冷轧机的自动化技术水平，提高了轧机整体工艺控制的要求。自动化系统实用性强，便于使用和维护；系统抗干扰性能强，运行可靠性高；产品的精度和机组生产率得到进一步提高，达到了预期的改造目标，取得了良好的社会效益和经济效益。国内许多冷轧机经过长年运行，轧机设备特别是电气控制设备也面临着要更新、改造，电气控制设备的改造工程越来越多，1400 mm铝带冷轧机的成功改造为以后的改造工程积累了丰富的经验。
参考文献
[1]崔坚.西门子工业网络通信指南[J].北京:机械工业出版社,2004.
[2]吴中俊.可编程序控制器原理及应用第2版[J].北京:机械工业出版社,2005.
[3]王建辉,顾树生.自动控制原理第4版[J].北京:冶金工业出版社,2005.
作者简介
赵欣（1968—），男，1991年7月毕业于东北工学院（现名：东北大学）工业自动化专业，获得学士学位，从事电气自动控制系统的设计、调试工作，主要研究和开发现代工业自动化控制技术。
关键词 ABB全数字直流传动系统；可编程序控制器；PROFIBUS -DP现场总线技术；工业以太网（Ethernet）通讯技术
中图分类号 TG333 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)081-0112-02
自上世纪90年代初以来，我院设计开发了七台1400 mm铝带冷轧机，90年代初当时是先进的铝板带加工设备，轧机在实际生产厚度为0.1 mm的带材时，产品精度为±3 μm，可以满足生产要求；轧机目前主体机械设备的运转状况仍较为良好，其它系统如液压、气动系统、传动系统等运转基本正常。但由于该轧机是在十余年以前所设计的，受当时技术水平及配套水平的限制，问题已经或者将要暴露出来，如：传动控制采用模拟系统，稳定性比数字系统差，存在温漂现象；机列操作部分（直流传动、交流、液压、板式过滤机的控制）：原装置由小型PLC和信号柜等组成，线路繁杂，故障率高，可靠性差，维修困难；许多元器件已停止生产，给生产维护带来极大的困难等等。
随着现代电气控制技术的飞速发展，结合铝带冷轧机先进的加工工艺，我们对其中两台1400 mm铝带冷轧机进行了多项切实可行的电气改造工作，使改造后的冷轧机整体性能更加完善，发挥出最大的经济效益。
1 直流传动系统升级改造
机架电机、开卷机电机、卷取机电机、碎边机电机的传动系统均采用ABB全数字传动控制器，通过改造使本轧机的传动系统做到实用可靠，稳定生产，尤其要解决张力稳定问题，提高轧制速度和张力的控制精度。
在本技术方案中，1400 mm铝带冷轧机的直流传动控制系统均采用ABB的DCS800系列产品，双电机采用同轴连接，电气控制采用主/从控制方式，使两台电机工作时保持负载的平衡。
ABB DCS800传动控制软件包括：
1.1 传动逻辑
1）本地/远程控制选择。
2）启动/停止顺序控制。
3）故障处理。
4）急停控制。
1.2 速度控制
1）速度监控和速度反馈的处理。
2）可调整的斜率发生器，如果需要可软化积分的输出。
3）速度给定积分器。
4）速度控制器可通过PID闭环控制。调节器的设计使它在不同的环中均易于调整，从而使调试工作更灵活。
1.3 转矩控制
内部/外部转矩极限限幅。客户可以选择电流调节器的电流极限，也可以配合速度降低电枢电流极限。
2 轧机机列控制和操作系统升级改造
PLC及其通讯系统主要由以下部分组成：
1）PLC控制系统：由西门子公司生产的S7－400PLC和完全分布式子站完成。
2）厚度控制系统：采用S7－400PLC控制。
3）人机操作界面（HMI）。
4）工程师站和数据采集分析系统。
整个系统具有简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。上述各个部分通过各自通讯适配器或专用通讯接口模块、交换机连接起来构成一体，系统基本网络结构分为二种：
1）现场级网络采用PROFIBUS-DP总线。主要用于PLC与传动控制系统、机列、油系统控制等实时性、可靠性要求较高的现场级控制交换信息，完成现场信息的采集和实时控制。PROFIBUS-DP能够实现现场级和车间级之间的快速通讯，从I/O到自动化控制中心信号传输仅为毫秒级，即使在干扰严重的环境或跨越几公里的距离，PROFIBUS-DP现场总线能提供良好的解决方案。因此PROFIBUS-DP已经广泛应用于工业自动化制造、加工、过程控制和其它工业控制生产中，是一种国际化的开放式现场总线标准，不同厂商所生产的设备不须对其接口进行特别调整可以进行通信。PROFIBUS-DP可用于高速率的数据传输，也可以应用在大范围的复杂的通信场合。
2）工业以太网通讯。随着Internet技术的不断发展，以太网己成为事实上的工业标准，TCP/IP的简单实用已为广大用户所接受，基于TCP/IP协议的以太网可以满足工业网络各个层次的需求。目前不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的上层网络也都广泛使用以太网技术。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格较低，带宽也在飞速增加，特别是快速Ethernet与交换式Ethernet的出现，使以太网通讯在工业自动化领域得到广泛应用，今天的控制系统和工厂自动化系统，以太网的应用几乎已经和PLC一样普及，可应用于严酷的工业环境，确保工业应用的安全可靠运行。以太网技术的主要性能：
工业以太网技术上与IEEE802.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP 通讯协议 ；
10/100 M自适应传输速率；
冗余24VDC供电；
简单的机柜导轨安装；
方便的构成星型、线型和环型拓扑结构；
用于严酷环境的网络元件，通过EMC测试；
简单高效的信号装置不断地监视网络元件等等。
工业以太网主要用于上位控制系统和PLC之间、人机界面、AGC、数据采集系统、其它系统等的数据信息交換，完成轧机工艺数据上传、下传和轧机运行数据传递，故障信息传递及各个显示运行、报警画面、报表打印等。工业以太网通讯处理器采用CP443-1。
轧机的控制与工作状态在操作台的触摸屏中有显示，当有报警信号（诸如油温异常、压力异常、油液洁净度下降、液位低等）时，即刻推出故障报警画面，以便能够得到及时的维护。
3 西门子S7 400PLC控制系统
西门子PLC控制系统：由西门子公司生产的S7－400PLC和远程I/O分布式子站组成。 1）西门子S7 400是SIEMENS在制造自动化和过程自动化的中高端PLC。机列PLC S7-414-2主要完成传动系统逻辑控制，辅助系统、机前机后、单体的顺序控制等工作；厚控PLC S7-414-2 主要完成AGC的实时控制工作。
2）遠程I/O分布式子站。对于现场的操作站点，阀台，扩展的远程I/O采用了SIEMENS的ET200系列，包括ET200M、ET200S。
ET200具有如下特点：最少的电缆使控制盘体积减小，安装更加容易，扩展和更改方便直接，通讯速率极高。各ET200从站分散在轧机各个控制点上，就近在轧机现场设备附近安放，输入现场控制信号，输出执行信号，所有的ET200通过PROFIBUS-DP总线连接到机列PLC。
3）轧机自动化的控制软件。
控制软件主要包括：
S7-400的编程，维护，调试，仿真软件包；
在STEP7基础上开发的冷轧PLC软件包；
人机界面HMI的编程软件包：WINCC；
上位监控软件：WINCC；
3.1 STEP7软件及冷轧PLC软件包
基于Windows的STEP 7是一个面向对象的强大的PLC编程工具。用户可以通过友好的图形接口（GUI）进行操作。编程语言可以根据习惯使用语句表（STL）、梯形图（LAD）或功能块图（FBD）。
冷轧PLC软件包是根据冷轧的工艺流程开发的控制软件，包含了冷轧的顺序控制，辅助逻辑控制，信息的传递。
3.2 HMI上运行的冷轧软件包
SIEMENS的WINCC软件包是运行于Microsoft Windows 2000、XP和Windows Server 2003的Windows控制软件，可以使设备以最优化运行，并且最大程度的提高工厂的可靠性和生产效率。
HMI软件是在WinCC基础上专门为人机对话开发的程序软件，它可以使操作人员及时准确地了解设备的运行状况，并且根据生产的需要对设备进行控制。
HMI应用软件包含内容有：轧机工作状态显示、传动控制、辅助操作、冷却液控制、参数设定、报警、帮助等。
设备故障诊断系统
系统包括不同等级的诊断系统，诊断信息可以实时显示在HMI并且记录在系统的故障记录中。
3.3 上位监控软件WINCC
通过SIEMENS的WINCC软件包编制的上位监控系统； 实现对生产数据的实时纪录。
3.4 系统的可扩展性说明
根据系统功能的划分，考虑系统的可扩展性，配置中每台PLC装置的各类I/O点（通道）备用量为装机量的10%，远程I/O站备用量至少为5-10%（通道），PLC装置预留适当的扩展接口和扩展空间。
4 结束语
这两台1400 mm铝带冷轧机采用了全新的电气控制系统，电气控制系统经过全新改造后，达到了当代冷轧机的自动化技术水平，提高了轧机整体工艺控制的要求。自动化系统实用性强，便于使用和维护；系统抗干扰性能强，运行可靠性高；产品的精度和机组生产率得到进一步提高，达到了预期的改造目标，取得了良好的社会效益和经济效益。国内许多冷轧机经过长年运行，轧机设备特别是电气控制设备也面临着要更新、改造，电气控制设备的改造工程越来越多，1400 mm铝带冷轧机的成功改造为以后的改造工程积累了丰富的经验。
参考文献
[1]崔坚.西门子工业网络通信指南[J].北京:机械工业出版社,2004.
[2]吴中俊.可编程序控制器原理及应用第2版[J].北京:机械工业出版社,2005.
[3]王建辉,顾树生.自动控制原理第4版[J].北京:冶金工业出版社,2005.
作者简介
赵欣（1968—），男，1991年7月毕业于东北工学院（现名：东北大学）工业自动化专业，获得学士学位，从事电气自动控制系统的设计、调试工作，主要研究和开发现代工业自动化控制技术。