1  引言
随着自动化技术的飞速发展，PLC、现场总线和全数字测量传动装置在铜带材冷轧机的控制系统中得到了广泛的应用，使得系统安装、调试及维护工作量大大减少，控制精度和自动化程度越来越高，系统的稳定性得到大幅度提升。同时，随着铜板带材产品竞争的日益激烈，对轧机控制系统的要求也在逐渐发生变化，在提高设备自动化程度和控制精度的前提下，要求实现生产过程自动化和进一步提高生产效率。因此，控制系统的模块化、网络化已是发展的必然趋势。

2  铜带材冷轧机控制系统结构
图1是某有色金属加工厂设计改造的一台铜冷轧机的控制系统结构图。该系统采用了三层网络控制方案，最底层为现场设备级网络，中间为环形对等网络，最上面是工业以太网。

图1     铜带材冷轧机控制系统结构图
在本系统中，为了控制的方便性，在现场设置了多个远程IO子站。每个操作台的按钮、指示灯等直接接入各自台内的远程子站，现场的检测元件和电动执行元件就近接入附近的现场控制箱。这些远程IO通过现场以通讯的方式连入主控室内的PLC主站。远程IO的通讯介质为屏蔽绞线，通信速率为2.5Mbit/s。采用远程IO方式，不但减少了电缆用量，同时也更加便于维护，减少了生产辅助时间。
轧机的控制系统包括6台PLC和1个触摸屏式操作屏。每台PLC均各自构成一个独立的子系统，分别控制AGC(自动厚度控制)、AFC(自动轧力控制)、传动系统和辅助系统;触摸屏式操作屏放置在主操作台。为了使这些独立的控制系统更好地成为一个整体，设置了环形对等网，将6台PLC链接到同一个网络平台。在网络中，各个PLC读取所需要的数据，实现数据的实施共享。通讯介质为光纤，通讯速率为10Mbit/s。
三层网络的最顶层是与工业控制计算机相连接的工业以太网，PLC通过工业以太网与工业控制计算机进行通讯连接。在环形对等网上的6台PLC中，辅助系统PLC上设置了以太网接口板，这台PLC从对等网收取所有需要发送的运行数据，进行分类打包处理，发送给工业控制计算机系统。工业控制计算机系统将一级系统发送来的数据解包，进行运算处理，再将需要的数据发送回辅助系统PLC，其他PLC通过对等网读取各自需要的数据。
为了方便操作手对工业控制计算机的使用，在主操作台设置了一台HMI(人机界面)，供操作手查看工业控制计算机中与操作相关的数据，同时可以对权限内的一些内容进行设置与修改。另外，还设了一套工程师站，用于整个控制系统的本地维护，必要时也可以接上网络或电话线，对现场进行远程维护。HMI和工程师站都连接在以太网上，通讯介质是标准5类线，RJ45接头，通讯速率为100Mbit/s。

3  底层PLC控制系统
3.1  速度控制
轧机控制的核心是板形和厚度控制。要达到良好的板形和保证可接受的厚度公差，轧机就必须保证良好的速度、张力的稳定性。在控制方式上，主机为速度控制，给整个轧机提供稳定的线速度基准。开卷机和卷取机为恒张力控制。
速度设定由主操作手在操作台控制，数据发送到PLC处理后传送各个传动系统。速度设定是以主机为线速度基准速度，通过设定工作辊的直径与减速箱的减速比，从而给出电机的转速给定值。根据控制功能，速度设定有正反向点动功能，用于故障处理;穿带速度设定，用于生产前轧机穿带;轧机线速度设定，用于正常轧制。按照线速度相等的原则以转速的形式分配给各传动系统，其中要考虑前后滑系数的成分。
3.2  张力控制
张力控制在整个轧机控制中至关重要。因系统中未配备张力计，所以采用了间接张力控制方式。
就卷取机系统而言，若忽略电动机的空载损耗，则有如下关系:
MD=CM∮I=FD/2i
式中:MD为电动机的电磁转矩;∮为电动机磁通;I为电动机额定电流;CM为机电时间常数;F为卷取机张力;D为卷径;i为机械减速比。由此可知，卷取机的张力控制可以近似看成转矩控制。而要保证张力控制的精度和稳定性，在就要获得两个重要的变量:线速度和卷径。
(1) 线速度的测量
通过PLC系统读取卷取机前的偏导辊上的脉冲编码器进行计算而获得的。是卷径计算需要的一个重要变量。转速测量的精度与脉冲编码器每转脉冲数及采样时间有关，在转速恒定的情况下，脉冲编码器每转脉冲数越多，采样时间越长，测量精度越高。
(2) 卷径计算
卷径计算有线速度法和直接测量法两种，在实际应用中发现直接测量法比较稳定和精确。一般采用超声波测距仪或激光测距仪，其中激光测距仪可以达到很高的测量精度和稳定性，完全可以满足卷径测量的需要。
在间接张力控制中，为保证张力控制的准确性，要充分考虑卷取机在加减速过程中转动惯量以及机械本身固有的摩擦力对转矩的影响。因此，在系统中设计了加减速和摩擦转矩补偿环节，转矩补偿量即为转矩预控值与转矩设定值叠加，作为卷取机系统的合力矩，对卷取机进行控制。
3.3  入口上卷原理
入口上卷自动的关键是卷材卷径和宽度的测量精度。在小车辊道上安装了一套对射式的光电开关，配合小车升降机上的脉冲编码器实现卷材卷径的测量，在小车行走辊道的侧面基础上安装了另一套对射式的光电开关，配合小车行走方向的脉冲编码器完成卷材宽度的测量。
上卷自动的起点是卷材储运轨道，小车搭载着卷材离开储运辊道后向前行进，到升降位置时小车停止同时小车升降机开始下降，在下降的过程中利用第一套光电开关和脉冲编码器的配合测量了卷材的卷径。小车下降到下极限后，继续向前行进，行进过程中利用第二套光电开关和脉冲编码器测量出了卷材宽度。当小车行进到等待位置时停止，根据测量的卷材卷径小车通过升降动作对中卷材中心，完成后根据测量的卷材宽度向前继续行进对正卷材宽度中心点。这样卷材就被自动放置在开卷卷轴上了。
另外还有上卸套筒自动，卸卷自动等。

3.4  轧制力闭环AFC原理
轧制力闭环控制系统由AutoMax系统、伺服阀放大器、伺服阀、油缸及压力传感器等环节组成，其工作原理为:当轧制力设定信号加入该系统的输入端时，由于此时工作辊并未接触，故轧制力反馈信号为零，系统偏差既等于输入信号，在此偏差信号作用下，油缸迅速动作，起动轧辊向上移动，直到工作辊互相接触，靠实产生轧制力。当实际轧制力随着轧辊的继续上压而增加到等于设定值时，油缸停止移动，使实际轧制力等于设定值保持不变。
AFC只有在轧辊压靠进行辊缝清零操作或做为平整时才使用，正常轧制时，AFC将被切除。
3.5  张力AGC控制原理(T-AGC)
当出口厚度小于0.5mm并接近0.1mm时，由于轧辊压扁影响的增加及带材宽度以外的工作辊之间开始接触，导致轧制力对厚度的作用减小，而轧机速度及入口张力对厚度的影响逐渐增大，最终在铝板轧制过程中起主导作用。张力AGC是通过调节张力来改变板带的塑性系数的大小来实现厚度调节的。
3.6  速度AGC控制原理(S-AGC)
速度AGC是通过速度调节来改变板带摩擦系数的大小来实现厚度控制的。

4  工业控制计算机系统
在轧机的控制系统中，工业控制计算机起着十分重要的作用。以往，国内铜带轧机的工业控制计算机系统主要偏重于系统的监视，其主要功能为故障显示与记录、主要运行参数记录、实时状态显示与监控、设定内容打印等。随着生产厂家对自动化程度要求的不断提高，尤其是全自动轧制概念的引入，工业控制计算机系统必须具有更加完善的功能。
全自动轧制是指输入来料卷材及产品数据后自动生成轧制表，自动按照轧制表进行各道次轧制，轧机可自动进行加减速，并且通过参数自学习可不断改善轧制参数。自动轧制的实现大大减少了手动操作，减少了人为因素对生产过程的影响。
项目设计改造的这台铜带材冷轧机，采用了完善的自动化设计，配合工业控制计算机，可实现自动轧制。其工艺流程如图2所示。

图2     轧制过程流程图
轧机的操作有手动和自动两种方式。手动操作方式，功能与以往的轧机不同，手动单步实现轧制过程的所有操作。本设计中，手动操作方式作为自动轧机的备用功能。自动操作方式可实现自动上卷、自动上套筒、自动穿带准备、穿带自动控制、自动轧制、自动料尾处理、自动卸卷及自动卸套筒等。生产中，操作手根据实际生产情况，启动相应的过程自动控制程序，设备即可按照预定程序进行工作，不需要过多的人工操作。生产过程中可随时进行一定的手工干预，并且可随时由自动状态切换到手动状态。
(1) 实时采集轧制数据
实施采集板形、厚度、轧制速度、升降速时间点以及开卷机、卷取机、主机的电机运行参数等。
(2) 轧制数据分析
将采集的数据进行综合整理，以曲线和列表的方式显示。这些数据可用于分析轧制工艺对产品质量的影响，为改进生产工艺提供依据。
(3) 卷材管理
每个卷材均建有单独的档案，该卷材的轧制表、已完成的轧制道次、将要进行的轧制道次等均以表格形式存储，在批量轧制时可随时调取相关数据进行轧制。
(4) 自动生成轧制道次表
按照卷材的合金牌号、规格及成品要求，自动生成轧制表，并可进行人工修改。
(5) 生产工艺参数自学习
根据每个带卷的生产工艺过程和产品质量进行自学习。
(6) 中间产品及最终产品的质量跟踪
在轧制过程中，如果出现板形缺陷，可自动记录该缺陷的起点和终点位置，并在下一道次的轧制中预先提醒缺陷点。
(7) 生产班次管理
按照车间的生产班次，分别统计生产时间、产品种类、数量、成品率等。
(8) 故障诊断与记录
汇总并记录一级系统传来的非正常轧制状态及其发生时刻，供需要时查询。
(9) 生产状况监控
记录生产过程中一级系统的正常状态及运行时刻。
生产开始，开卷机上卷，工控机调出该卷材的数据，给出相应道次的轧制参数;开始轧制后，工控机不断采集轧制过程数据及整个系统的运行状态，对操作者给出一些指导性建议;在选择自动操作情况下，可实现辊缝自动调节、自动加减速等功能;轧制完成后，对采集的各种数据进行相关处理，并以数据和曲线的形式在工控机上和HMI上显示;所有数据以文件形式进行记录，供日后需要时使用。

5  结束语
通过对冷轧机控制系统功能的改进与提高，使得它的性能得到大幅度提升。
(1) 成品率得到了提高
采用自动加减速后减少了带头、带尾的长度和人为因素的影响，从而提高了带材成品率。
(2) 提高了生产效率
由于自动化程度的提高，辅助时间自然减少;工控机提供的班次管理，更可以清楚地看出每个班次的有效生产时间及辅助时间，为更加合理有效地安排生产，提高生产效率提供有效依据。
(3) 完整的数据记录与分析
为工厂的质量跟踪与管理提供了详实的资料，也可为后续加工或产品的购买者提供可靠的数据资料。
实际生产运行表明，整个系统工作稳定可靠，有效地提高了产品质量、生产效率及经济效益，受到用户良好评价。