АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОТВОДЯЩЕГО РОЛЬГАНГА ПРОКАТНОГО СТАНА

В процессе общей модернизации НТЛС 1680 – непрерывного стана горячей прокатки тонкого листа, одного из основных станов ОАО “Запорожсталь”, поднялся вопрос о модернизации электроприводов отводящего рольганга и создании автоматизированной системы управления процесса транспортировки прокатанной полосы от последней чистовой клети к моталкам, сверточным машинам или к летучим ножницам. 

Конструктивно рольганг состоит из 6 групп, в каждой из которых от 28 до 36 роликов, разбитых на нечетную и четную подгруппы. В дальнейшем, после замены мехоборудования в каждой группе планируется установить от 48 до 50 роликов. 

По управлению шесть групп рольганга объединены в две секции: первая – с первой по вторую группы и вторая – с третьей по шестую. 

Каждый ролик снабжен приводным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором мощностью 2,5 кВт. Ролики с первой по пятую группы подсоединены к двигателям через редуктор с передаточным числом 1,4; ролики шестой группы – напрямую. Двигатели нескольких типов, отличаются по характеристикам с разбросом до 10 % номинального значения, кроме номинальной частоты вращения, составляющей 635 об/мин при синхронной частоте вращения 750 об/мин. 

Ранее питание двигателей рольганга осуществлялось через индивидуальные автоматические выключатели от электромашинных преобразователей (по два на каждую группу), которые посредством изменения выходных напряжения и частоты изменяли частоту вращения двигателей и соответственно скорость транспортировки полосы.

Режим работы электромашинных преобразователей и состояние автоматических выключателей контролировались дежурным машзала визуально по щитовым стрелочным приборам, работу рольганга контролировал оператор прямым наблюдением за движением полосы и за вращением роликов. Скорость транспортировки полосы задавалась вручную, раздельно на каждую секцию, фактическая скорость транспортировки не контролировалась.

Такое управление, как правило, приводило к появлению складок на полосе во время транспортировки, особенно при отключении нескольких автоматических выключателей в одной группе рольганга. Кроме того рабочий ресурс электромашинных преобразователей давно закончился, часто возникали отказы в работе генераторов, а следовательно простои и значительные затраты на ремонт оборудования.

Необходимость модернизации электроприводов рольганга с применением преобразователей частоты (ПЧ) и создание автоматизированной системы управления была очевидной.

Цель модернизации

Целью модернизации было:

• максимально автоматизировать процесс управления электроприводами рольганга;
  
• исключить появление брака проката за счет транспортирования;
• обеспечить автоматический и ручной режимы управления рольгангом, совместное и раздельное управление группами и секциями рольганга;
• обеспечить автоматический и ручной режимы управления рольгангом, совместное и раздельное управление группами и секциями рольганга;
• обеспечить автоматический и ручной режим задания скорости транспортировки полосы, возможность задания индивидуальной скорости для каждой группы;
• обеспечить возможность управления приводом рольганга и контроля с трех операторских постов и возможность контроля режимов работы оборудования дежурным машзала;
• значительно улучшить динамику работы электропривода, с целью повышения производительности и сокращения простоев;
• обеспечить всесторонний автоматический контроль работы всех звеньев АСУ ТП и электропривода с визуализацией данных и архивированием отклонений в работе;
• обеспечить интеграцию системы управления рольгангом в автоматизирован-ную систему управления прокатного стана;
• уменьшить расход электроэнергии и пиковые токовые нагрузки питающего трансформатора в динамических режимах работы;
• исключить потребление реактивной мощности приводом рольганга.

Такую задачу пришлось решать на работающем стане в короткий срок сотрудникам немецкой фирмы “transresch Antriebssysteme Berlin GmbH” и компании “Плутон”.

Электропривод

Для управления двигателями рольганга немецкой фирмой “transresch Antriebssysteme Berlin GmbH” были изготовлены и поставлены преобразователи частоты, обладающие всеми качествами самых современных преобразовательных устройств:

• шкафного исполнения, готовые к подключению, со встроенными силовыми предохранителями, разъединителем, входным реактором, фильтром радиопомех, выходным синусоидальным фильтром; 
• с возможностью реализации однодвигательных и многодвигательных асинхронных электроприводов;
• обеспечивающие устойчивый без опрокидывания двигательный и генераторный режимы работы, торможение с рекуперацией энергии в питающую сеть;
• имеющие синусоидальный входной ток с возможностью регулирования коэффициента мощности от минус 0,8 до + 0,8;
• с управлением и обменом информацией при помощи последовательного интерфейса Profibus DP; 
• с высокой динамикой, реверс момента менее чем за 2 мс, с полноценным обеспечением всех характеристик привода в 4-х квадрантах; 
• с полной диагностикой всех систем, с запоминанием нештатных ситуаций, аварийный след, со всеми необходимыми для преобразователя и двигателя защитами. 

Преобразователи частоты выполнены в виде двух шкафов одностороннего обслуживания. Силовая часть и система управления имеют модульную конструкцию, что очень удобно при наладке, обслуживании, ремонте, определении и устранении неисправностей. Сетевой и машинный преобразователи выполнены на IGBT-модулях, каждый снабжен собственной МПСУ имеющих одинаковые схему и конструкцию и отличающихся программным обеспечением. Цепи управления IGBT-модулями выполнены оптоволоконным кабелем, чем достигается высокая помехоустойчивость и надежность управления.  

Для управления двигателями каждой группы рольганга предусмотрено три преобразователя частоты: два рабочих для нечетной и четной подгруппы и один резервный. Резервный преобразователь постоянно подключен к системе и путем простого переключения силовых выходных цепей может быть введен в работу.

Система автоматического управления рольгангом

Функции 

Основным назначением разрабатываемой системы являлось формирование и распределение сигналов задания (коррекции) скорости по преобразователям частоты каждой группы отводящего рольганга, управление секциями рольганга при транспортировке полосы в различных режимах и сигнализация о состоянии оборудования.

В соответствии с поставленной задачей система управления должна обеспечивать:

• постоянный обмен данными между PLC СУ; 
• сбор, обработку и анализ информации о состоянии рольганга и СУ;
• выработку управляющих воздействий;
• передачу управляющих воздействий (сигналов, команд) на исполнение;
• контроль выполнения управляющих воздействий;
• технологическую сигнализацию;
• отображение необходимых параметров и коэффициентов;
• оперативный ввод и изменение скоростных параметров;
• оперативное изменение параметров настройки системы;
• контроль за соблюдением технологии операторами СУ с необходимыми блокировками и ограничениями;
• защиту от некорректных действий персонала, приводящих к аварийному состоянию рольганга и СУ;
• защиту от случайных изменений и разрушения информации и программ, а также от несанкционированного вмешательства;
• настройку СУ без прерывания технологического процесса, защиту от случайных или ошибочных изменений;
  
• алгоритмы управления в различных режимах работы, в том числе алгоритмы «разгона», «останова», «клина скоростей», «подтормаживания»;
• диагностирование, с указанием места, вида и причины возникновения нарушений правильности функционирования рольганга и СУ;
• квитирование предупредительных и аварийных сообщений;
• ведения журнала работы системы;
• регистрацию и хранение информации о предаварийном состоянии СУ и участвующих в работе ПЧ («аварийный след»);
• защиту от ошибок при вводе и обработке информации, обеспечивающую заданное качество выполнения функций СУ;
• безусловное выполнение функций при наличии только необходимых для этого данных (отсутствие отдельных данных не сказывается на выполнении функций, при реализации которых эти данные не используются);
• интуитивно понятный графический интерфейс;
• поддержание единого времени во всей системе.

Структура и аппаратные средства системы

Управление приводами осуществляют контроллерные части системы управления и преобразователей частоты (PLC СУ и ПЧ). Управление приводами групп рольганга является параллельным и независимым, то есть PLC СУ одновременно вырабатывает управляющие сигналы и взаимодействует со всеми РLС ПЧ, участвующими в работе. PLC СУ построена на основе контроллеров B&R SYSTEM 2003 и 2005. В состав PLC СУ входит два шкафа управления (ШУ), один из них резервный, три пульта (ПУ) и шесть шкафов с контроллерами сбора информации о состояния удаленных входов (PLC RIO). 

Каждый ШУ укомплектован управляющим контроллером (PLC) и контроллером с панелью визуализации (PLC ПВ). Резервный ШУ находится в горячем резерве, автоматически перестраивается на режим работы основного ШУ и в любой момент может вступить в работу вместо него без каких-либо дополнительных подстроек. 

Три операторские пульта управления (ПУ) рассредоточены вдоль прокатного стана. ПУ находятся на постах управления. Расстояние между постами управления составляет от 100 до 200 м. Каждый из 3-х ПУ укомплектован PLC ПВ, что позволяет осуществлять полнофункциональное управление с любого из постов управления.

Шесть PLC RIO рассредоточены вдоль рольганга, непосредственно возле шкафов с автоматическими выключателями двигателей групп рольганга. Расстояние между PLC RIO составляет от 100 до 200 м. Из шести PLC RIO один MASTER и пять SLAVE. Все 6 PLC RIO соединены между собой с помощью сети CAN.
Управляющие PLC, находящиеся в ШУ, (один из которых является «MASTER» сети) с помощью промышленной сети Profibus DP, соединены с PLC ПЧ, которые являются «SLAVE» (всего 18 (12+6) «SLAVE», но может быть увеличено до 32). Управляющие PLC ШУ, соединены с тремя PLC ПВ постов управления по сети CAN. В эту же сеть CAN подключен PLC RIO MASTER уровня удаленных входов. Кроме этого каждый управляющий PLC ШУ соединен по отдельному CAN со своим PLC ПВ. Итак, каждый управляющий PLC ШУ входит в сеть Profibus DP и две сети CAN. Также предусмотрено соединение управляющих PLC с системой уровня АСУ прокатного стана с помощью сети Modbus.

Итого, в PLC СУ входят 26 полнофункциональных PLC и 5 PLC для сбора данных от удаленных входов. Построенная структура связи, позволила повысить реактивность системы, то есть минимизировать время опроса входных параметров и выдачу управляющих воздействий. Несмотря на такое количество PLC и не простую структуру сети, весь комплекс работает как единый механизм, надежно выполняя возложенные на него задачи.

На посту управления и в шкафу управления установлены PLC ПВ. Это позволило обеспечить надежное управление системой и дало ряд сервисных возможностей присущих системам, использующим PC-совместимые индустриальные компьютеры.

Например, не прерывая технологический процесс (ТП), находясь возле любого узла системы, можно наблюдать за ТП, а также провести диагностику аппаратуры, работы сети, изменить различные коэффициенты (при наличии соответствующего уровня доступа), поработать с различными архивами.

Благодаря наличию PLC ПВ на посту управления имеется возможность отображения для оперативного персонала всех необходимых параметров техпроцесса. Ввод задания скорости оперативно можно осуществить как с помощью переключателей «больше/меньше», так и с помощью кнопок клавиатуры. В случае некорректных действий, предаварийных и аварийных ситуаций не только загорается соответствующая сигнальная лампа, но сразу в текстовом виде поясняются причины включения технологической сигнализации. Весь ход работы протоколируется и архивируется. 

Или, например, при выходе из строя одного из двигателей (или отключении по другой причине автоматического выключателя), сразу появляется сигнализация. На панели визуализации появляется поясняющий текст и с помощью соответствующего окна точно определяется номер и месторасположение вышедшего из строя двигателя.

Контроллеры трех пультов управления взаимодействуют с контроллерами ШУ, при этом основной ШУ принимает информацию, обрабатывает её и направляет управляющие и другие ответные команды. Резервный ШУ работает на прием, отображение и запоминание поступающей информации; управляющие и ответные команды по сети он не передает. В случае необходимости основной и резервный ШУ меняются функциями: основной становится резервным, а резервный основным. Резервный ШУ может быть выведен из работы без всяких осложнений для проведения ремонта, доработки, проверки и прочее, после чего снова включен в работу.  

Необходимость осуществлять управление рольгангом одним из трех операторских постов решается установкой на этих постах (по одному на каждом) трех одинаковых пультов управления, содержащих свой контроллер, средства отображения, сигнализации и управления. Один из трех ПУ является рабочим, а два других работают в дежурном режиме на отображение и запоминание информации. Из рабочего пульта осуществляются все регулировки и управление, при этом все регулировки запоминаются в ШУ и при передаче управления на другой ПУ они сохраняются. Возможности и пределы различных регулировок, которые осуществляются из ПУ, задаются в ШУ. На любой ПУ в любой момент, по требованию оператора, из ШУ может быть передана полная информация о состоянии работы всего комплекса. Любые нарушения в работе, попытка неправомерных действий или ошибок персонала приоритетно и сразу отображаются и запоминаются на трех ПУ и обеих ШУ с фиксацией времени.

Объединенные интерфейсной сетью CAN три ПУ, два ШУ и один PLC RIO «MASTER» находятся на территории в 0,04кв.км. общая протяженность сети более 800м.

Средства программирования

Для создания программного обеспечения (ПО) использовалась B&R Automation Studio 2.10 (AS). AS позволяет создавать интеллектуальные системы сбора и обработки информации.

AS – это интегрированная среда разработки, которая позволяет программировать PLC на любом из шести языков: Basic, C, Instruction list, Ladder Diagramm, Sequential function chart, Structed text. Пакет предоставляет в распоряжение разработчика мощные средства для написания и отладки программ (обнаружение, локализация и устранение ошибок). AS допускает загрузку и проверку программ по частям и позволяет производить замену одних программ без коррекции других.

Для разработки программ системы управления применен язык “C” (мощность и лаконичность которого всем известны).

Для интеграции управляющих PLC в сеть Profibus DP применен B&R Fieldbus Configurator.

Внедрение системы должно было осуществляться на постоянно работающем объекте - рольганг предоставлялся для наладки на 15 – 20 минут 1 – 2 раза в день.

Поэтому особое требование предъявлялось к качеству написанного нами кода.

В некоторых случаях, для отладки особо сложных алгоритмов, были разработаны модели с использованием пакета Borland C++Builder 5. Oтладка особо сложных алгоритмов производилась сначала на ПК без использования аппаратуры B&R, затем на исследовательских и комплексных стендах компании “Плутон”.

Программное обеспечение

ПО обеспечивает выполнение всех функций, возложенных на него системой управления и имеет средства организации всех требуемых процессов.

ПО позволяет выполнять в реальном масштабе времени все автоматизированные функции во всех регламентированных режимах функционирования системы.

При построении ПО были соблюдены следующие принципы:  

• функциональная достаточность (полнота); 
• надежность и достоверность (соответствие заданному алгоритму работы, контроль и фильтрация входной информации, отсутствие ложных действий); 
• модульность построения и инкапсуляция (ПО разбито на задачи, каждая задача работает только со своими данными);
• многозадачность (одновременное выполнение нескольких программ);
• иерархичность (различные приоритеты программ);
• адаптивность и гибкость (возможность быстрого конфигурирования и возможность быстрой перестройки алгоритмов управления); 
• модифицируемость (возможность в модификации и расширения, модернизации, развитию и наращиванию); 
• удобство эксплуатации и сопровождения. 

Структура и специфические особенности ПО

Всю PLC СУ (только ее контроллерную часть) логически можно разделить на структуру со следующими уровнями:

• уровень управляющего PLC: на нем осуществляется управление восемнадцатью PLС ПЧ в соответствии с командами, принятыми с от PLC ПУ, блокировка несанкционированного включения, передача данных на ПУ, в систему входят два управляющих контроллера, любой из них может выступать в роли основного и резервного;
• уровень ПУ: с любого из трех осуществляется централизованное управление рольгангом в целом;
• уровень интуитивно понятного графического интерфейса (ИПГИ). На нем два PLC ПВ. Каждый PLC ПВ соединен с одним управляющим PLC;
• уровень удаленных входов.

В СУ входят 26 полнофункциональных PLC. Для полноценной работы системы, не обязательно должны быть включены все PLC. Не задействованное в ТП в данный момент оборудование, безболезненно может быть выключено, например на профилактику, а затем опять включено. Система лишь запротоколирует этот факт, не нарушая своей работы.

Общее количество сигналов системы составило 696 (дискретность опроса 100 мс). Из них дискретных входов – 473, дискретных выходов – 83, аналоговых входов – 3, аналоговых выходов – 3, цифровых входов – 79, цифровых выходов - 55.

Оптимально распределив на этапе проектирования функции между PLC СУ, нам удалось все прикладное ПО запрограммировать в 4 проектах AS. Например, несмотря на некоторые отличия в функциях управления и в окнах отображения, в каждый из 3-х PLC уровня ДП загружена одинаковая программа. При старте, прикладная программа сама настраивается на работу в конкретном месте СУ.

Каждый проект разделен на задачи. Это увеличило модульность и упростило сопровождение проекта.

Для всех задач оптимально подобрано время такта их выполнения. Например, все алгоритмы управления системы работают с тактом 100 мс, а некоторые задачи визуализации с тактом 500 мс.  

Хочется особо отметить ряд сервисных функций системы для диагностики состояния оборудования системы. Обслуживающий персонал уже в полной мере оценил эти возможности. 
Кроме подробной диагностики и детальной визуализации ПО учитывает человеческий фактор оперативного персонала, управляющего рольгангом. Например, оперативно изменять скорость рольганга можно как с помощью переключателей (традиционно), так и с помощью клавиатуры.

Благодаря большому количеству уставок, корректировку которых может осуществлять обслуживающий персонал с помощью панелей визуализации, система легко перенастраивается, но позволит произвести изменения только пользователям знающим пароль.

Во время выполнения задач в PLC, прикладные программы управляются операционной системой (ОС).

ОС данного семейства PLC хорошо адаптирована для использования в области автоматизации управления и является детерминированной многозадачной системой, позволяющей работать в масштабе жесткого реального времени.

В пределах данной статьи трудно подробно описать все особенности разработанных прикладных программ. Отметим лишь, что при разработке прикладных программ были использованы преимущества многозадачной системы, а именно:

• детерминированная многозадачность;
• различные классы задач;
• регулируемое время цикла для каждого класса задач;
• оптимальная загрузка процессора;
• приоритеты класса задач;
• гибкое обновление системы;
• файл регистрации ошибок;
• проверка отдельных задач.

Основные результаты

Комплекс в составе ПЧ и САУ электропривода отводящего рольганга введен в промышленную эксплуатацию с 1 октября 2002 года. 

Ввод ПЧ и САУ в эксплуатацию показал правильность технических решений, принятых при создании системы. Уже небольшой опыт эксплуатации показал, что САУ осуществляет надежное управление и обладает простым и удобным интерфейсом. Позволяет оперативному и обслуживающему персоналу иметь полную информацию о состоянии рольганга, оперативно осуществлять нужные переключения и профилактику системы. 

Внедрение для электропривода отводящего рольганга описанных ПЧ и САУ позволило снизить затраты на обслуживание электропривода, повысить надежность и безопасность его работы, значительно улучшить оперативность и гибкость управления.

За 7 месяцев работы простоев, брака или других нештатных ситуаций по вине ПЧ и САУ ПР не было. На 30% (приблизительно на 50000 кВт.ч./мес.) уменьшилось потребление электроэнергии приводом рольганга и в четыре раза уменьшились пиковые нагрузки на питающую сеть. Полностью исключена реактивная составляющая в потребляемой мощности ЭП ОР и частично компенсируется реактивная составляющая других потребителей. В 2,5 раза улучшилась динамика работы ЭП ОР, что дает возможность значительно сократить или исключить простои в нештатных ситуациях. 

Заключение

Результаты выполненной работы показали, что объединение усилий, опыта и технических возможностей немецкой фирмы “transresch Antriebssysteme Berlin GmbH” и запорожского ЧАО “Плутон” позволяет в кратчайшие сроки и на высоком техническом уровне создавать автоматизировнные электроприводы и АСУ ТП любой сложности.

Список сокращений

1. PLC – программируемый логический контроллер
2. HMI (ИПГИ) – человеко-машинный интерфейс (интуитивно понятный графический интерфейс)
3. ПЧ - преобразователи частоты
4. PC – персональный компьютер
5. ПО – программное обеспечение
6. СУ – система управления
7. PLC СУ – контроллер часть системы управления
8. ШУ - шкаф управления
9. PLC RIO - шкаф c котроллером сбора состояния удаленных входов
10. ПУ – пульт управления
11. PLC ПВ - программируемый логический контроллер с панелью визуализации
12. ТП - технологический процесс
13. АСУП – автоматизированная система управления предприятием
14. AS - B&R Automation Studio
15. ПК – персональный компьютер
16. ЭП – электропривод
17. ОР – отводящий рольганг
18. ПР – привод рольганга
19. САУ – система автоматического управления
20. ОС – операционная система
21. АСУ ТП – автоматическая система управления технологическим процессом