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長(zhǎng)期以來(lái)，北美地區(qū)最主要的鋼鐵產(chǎn)區(qū)位于密西西比州Columbus市。Severstal Columbus是一家由俄羅斯Severstal集團(tuán)掌控的煉鋼廠。他們生產(chǎn)的高質(zhì)量鋼材被汽車(chē)制造商大量采用，其中包括了BMW、Mercedes和Honda。新工廠的一期工程于2007年投入使用，員工數(shù)量達(dá)到450名，年生產(chǎn)能力達(dá)到150萬(wàn)噸熱軋鋼、冷軋鋼和鍍層鋼。二期工程目前正處于規(guī)劃階段，建成后將會(huì)使工廠的產(chǎn)能翻倍。
基于物理參數(shù)的過(guò)程計(jì)算模型被稱為2級(jí)模型（藍(lán)色），既能夠作為1級(jí) PLC控制（紫色）的參考（設(shè)定點(diǎn)），同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了兩者的緊密整合。所有電機(jī)的速度都由PLC統(tǒng)一協(xié)調(diào)，而PLC又通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)與2級(jí)計(jì)算機(jī)相連的。
TMEIC GE是一家由Toshiba、Mitsubishi-Electric和General Electric合資組建的系統(tǒng)集成商。他們?yōu)樾鹿S提供恒定轉(zhuǎn)速電機(jī)、可變轉(zhuǎn)速電機(jī)、驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)以及相關(guān)的電子設(shè)備。他們負(fù)責(zé)的項(xiàng)目包括采用內(nèi)聯(lián)式平整機(jī)和獨(dú)立式平整機(jī)的連續(xù)鍍鋅流水線以及獨(dú)一無(wú)二的連續(xù)酸洗串列式冷軋機(jī)。
2007年8月，發(fā)表在Memphis Business Journal上的一篇文章引用了Severstal商業(yè)主管Mike Wagner的一番話：“我們只對(duì)那些能夠在冷軋機(jī)上體現(xiàn)出立竿見(jiàn)影般效果的可行技術(shù)進(jìn)行投資。‘現(xiàn)有技術(shù)水平’這一說(shuō)法被我們反復(fù)使用，但這種說(shuō)法用來(lái)描述當(dāng)前的問(wèn)題確實(shí)很貼切。”
對(duì)于本次規(guī)模龐大的系統(tǒng)整合項(xiàng)目，TMEIC GE的職責(zé)包括為客戶訂制軟件、安排工廠系統(tǒng)測(cè)試、監(jiān)控系統(tǒng)的安裝和投運(yùn)。TMEIC GE還提供后續(xù)的客戶支持，并且負(fù)責(zé)對(duì)他們的系統(tǒng)進(jìn)行描述和說(shuō)明。
TMEIC GE的項(xiàng)目經(jīng)理Ron Tessendorf認(rèn)為該項(xiàng)目面臨的主要挑戰(zhàn)在于其規(guī)模。他說(shuō)：“這是一個(gè)規(guī)模巨大的整合項(xiàng)目。我們需要與各家供應(yīng)商展開(kāi)合作，編寫(xiě)大量定制軟件。除此之外，我們決定采用優(yōu)點(diǎn)更多的下一代PLC?？蛻舫藢?duì)產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率有要求之外，還必須保證性能。我們的目標(biāo)就是滿足他們的全部要求。”
持續(xù)運(yùn)作
這座占地659800平方英尺的冷軋車(chē)間是美國(guó)僅有的四座與酸洗流水線相連的冷軋廠之一。而且據(jù)該公司所言，他們能夠生產(chǎn)寬度為72英寸的鋼卷，這在美國(guó)是獨(dú)一無(wú)二的。洗酸流水線由一系列酸性池組成，在鋼卷進(jìn)入冷軋車(chē)間之前對(duì)其實(shí)施清洗。酸洗池底部能夠容納大量鋼卷，即使當(dāng)有新的鋼卷抵達(dá)時(shí)，冷軋車(chē)間依然能夠連續(xù)作業(yè)。
冷軋車(chē)間內(nèi)配備了五臺(tái)由5000kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)的立式軋機(jī)，每臺(tái)都會(huì)將鋼卷壓軋到精確的厚度。TMEIC GE開(kāi)發(fā)的操作員界面能夠讓工程師掌控工廠內(nèi)的一舉一動(dòng)。
酸洗軋機(jī)生產(chǎn)線（PLTCM）是一個(gè)連續(xù)的操作過(guò)程，需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制并且采用一系列輔助設(shè)備。在酸洗流水線上，鋼帶需要以最佳的速度和張力接受酸洗操作。酸洗操作不會(huì)出現(xiàn)停頓，即使是前后兩組鋼卷首尾相接時(shí)也是如此。冷軋車(chē)間內(nèi)配備了五臺(tái)由5000kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)的立式軋機(jī)，每臺(tái)都會(huì)將鋼帶壓軋到精確的厚度。
PLTCM流水線全長(zhǎng)1100英尺，高度為34英尺。鋼帶的運(yùn)行速度達(dá)到了驚人的每分鐘4100英尺。在冷軋操作中，為了保證鋼帶的平整度，需要對(duì)鋼帶的張力、速度、軋制力進(jìn)行精確控制。為了保證產(chǎn)品外觀（平整度）達(dá)標(biāo)，工作軋輥由PLC控制的電動(dòng)液壓裝置進(jìn)行捆綁和水平移動(dòng)。
以下的組件列表很好地詮釋了本次PLTCM控制項(xiàng)目的規(guī)模：13582個(gè)數(shù)字輸入輸出端口、2893個(gè)模擬輸入輸出端口、129臺(tái)交流電機(jī)（功率范圍從2馬力到6700馬力不等）、116臺(tái)低壓交流調(diào)速驅(qū)動(dòng)、7臺(tái)高功率中壓交流調(diào)速驅(qū)動(dòng)、34臺(tái)PLC及操作界面。
先進(jìn)控制軟件
本項(xiàng)目采用先進(jìn)軟件的一個(gè)最佳范例就是串列式冷軋控制系統(tǒng)。TMIIC GE的分級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)在鋼鐵卷軋行業(yè)已經(jīng)擁有超過(guò)50年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)了。他們提供的控制是基于物理參數(shù)過(guò)程計(jì)算模型的，被稱為2級(jí)模型。2級(jí)模型既可以作為1級(jí)PLC控制的參考（設(shè)定點(diǎn)），同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了兩者的緊密整合。所有電機(jī)的速度都由PLC統(tǒng)一協(xié)調(diào)，而PLC又通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)與2級(jí)計(jì)算機(jī)相連的，如圖所示。
1級(jí)控制系統(tǒng)接收立式軋機(jī)傳來(lái)的I/O信號(hào)，并輸出電機(jī)速度、間隙控制、滾動(dòng)速度、張力等信號(hào)，并且作為其他機(jī)器的主機(jī)。其主要功能包括：
•厚度控制。自動(dòng)厚度控制（AGC）包含了質(zhì)量流量計(jì)算、厚度測(cè)量、前饋、反饋、延展度以及滑動(dòng)補(bǔ)償。
•偏差度。偏差度控制采用傅立葉級(jí)數(shù)分析的方法動(dòng)態(tài)降低由背輥現(xiàn)象引起的厚度誤差。
這條曲線顯示了偏差度控制，采用Fourier基數(shù)分析的方法動(dòng)態(tài)降低由背輥現(xiàn)象引起的厚度誤差。
快速、協(xié)調(diào)的可變厚度控制能夠在產(chǎn)品厚度快速改變時(shí)將鋼帶斷裂和質(zhì)量流量突變的情況降低到最小。
•平整度。自動(dòng)平整度控制采用了先進(jìn)數(shù)據(jù)過(guò)濾、拋物面平整度控制、傾斜度控制、間歇性冷卻劑噴撒控制以及形狀保持等技術(shù)。
•協(xié)調(diào)性。內(nèi)部協(xié)調(diào)采用測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的維護(hù)。
•動(dòng)態(tài)規(guī)格變換?？焖?、協(xié)調(diào)的可變厚度控制能夠在產(chǎn)品厚度快速改變時(shí)將鋼帶斷裂和質(zhì)量流量突變的情況降低到最小。
•精密追蹤。高速數(shù)據(jù)采集和追蹤實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確的控制操作。
2級(jí)控制
TMEIC GE的2級(jí)過(guò)程模塊與1級(jí)PLC控制緊密整合。過(guò)程模型是基于卷軋操作基本物理過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。該模型生成的PLC設(shè)定值能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量。運(yùn)行在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上的過(guò)程模型顯示了分級(jí)自動(dòng)化架構(gòu)。
系統(tǒng)中包含的一些過(guò)程模型有：
•推力、扭矩及功率模型，反映了張力和摩擦力的情況；
•變形阻力模型，考慮了材料在延展過(guò)程中的化學(xué)和機(jī)械硬化效應(yīng)；
•摩擦力模型，考慮了摩擦系數(shù)補(bǔ)償；
•應(yīng)力模型，反映了材料內(nèi)部的應(yīng)力分布；
•軋輥磨損模型，反映了軋輥橫截面上的熱效應(yīng)和磨損效應(yīng)；
•交互式模型，描述了張力、前滑力、摩擦力和速度之間的關(guān)系；
•摩擦系數(shù)，反映軋輥的表面粗糙程度；
•獨(dú)立于產(chǎn)品的1級(jí)控制轉(zhuǎn)移功能；
•軋輥捆綁、轉(zhuǎn)移和IR捆綁；
•通用的表面平整度模型。
圖中所示為五臺(tái)直立式冷軋機(jī)中的兩臺(tái)。大門(mén)敞開(kāi)的情況下能夠看到操作員界面。連續(xù)酸洗串列式冷軋流水線全長(zhǎng)1100英尺，鋼條的運(yùn)行速度達(dá)到了驚人的每分鐘4100英尺。
高質(zhì)量冷軋生產(chǎn)線能夠生產(chǎn)出厚度纖薄、表面平整的產(chǎn)品。有了這套工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的輔佐，PLTCM能夠連續(xù)生產(chǎn)出尺寸為24 x 7的高質(zhì)量冷軋鋼。生產(chǎn)操作只在例行維護(hù)時(shí)才被暫停。Severstal的熱軋廠經(jīng)理Dan Lambert對(duì)工廠自2007年8月開(kāi)工以來(lái)的表現(xiàn)相當(dāng)滿意。他說(shuō)：“工廠中核心電機(jī)的可靠性和性能讓人無(wú)可挑剔。這些機(jī)械和輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到了最低的維護(hù)要求，能夠服役相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。安裝完成之后就不用再操心了！在規(guī)劃階段，TMEIC電機(jī)和安裝團(tuán)隊(duì)提供了一套很好的方案。要知道，以前我們還需要關(guān)注一大堆其他的問(wèn)題。”
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