I. Überblick Das Vierfach-Kaltwalzwerkprojekt ф380/ф960×1750 des Aluminiumwerks Meiya ist die erste komplette Anlage zur Aluminiumverarbeitung, die von Zhuoshen Nonferrous Metals Processing Special Equipment Co., Ltd. nach Südostasien exportiert wurde. Um den Anforderungen des Anwenders nachzukommen, die Arbeitsbelastung der Walzwerksbediener zu reduzieren und Bedienungsfehler zu minimieren, um die Produktausbeute zu verbessern, ist diese Anlage mit teil- bzw. halbautomatischen Funktionen ausgestattet. II. Anlagenleistung 1. Wichtigste technische Spezifikationen Walzmaterial: Reinaluminium und Aluminiumlegierungen (einschließlich der Serien 1000, 3000, 5000 und 8000) Eingangsbreite: 800–1550 mm Maximale Eingangsdicke: 10 mm Minimale Endproduktdicke: 0,6 mm Maximale Spannung: 12 t Maximale Walzgeschwindigkeit: 400 m/min Maximaler Spulendurchmesser: 1650 mm Minimaler Spulendurchmesser: 510 mm Maximale Walzkraft: 1000 t 2. Wichtigste Parameter der elektrischen Ausrüstung Hauptmotor (zwei mechanische Einheiten in Reihe): P = 934 kW, U = 630 V, I = 1600 A, n = 500/1000 U/min Abwicklermotor: P = 453 kW, U = 400 V, I = 1254 A, n = 395/1000 U/min, If = 35 A Aufwicklermotor (zwei mechanische Einheiten in Reihe): Serie): P=453 kW, U=400 V, I=1254 A, n=395/1000 U/min, If=35 A III. Aufbau des Steuerungssystems Das Walzwerkssteuerungssystem ist als dreistufige Netzwerksteuerung ausgelegt. Die Antriebsebene (Ebene 0) verwendet das ABB-Antriebsmodul DCS500B mit einer Drehzahlregelungsgenauigkeit von 1/20000 und einer Drehmomentregelungsgenauigkeit von 1/4000. Das Gerät ist mit einer NPBA-12 Profibus-DP-Kommunikationskarte ausgestattet, die ein Profibus-DP-Kommunikationsnetzwerk mit der SPS bildet. Die Basisautomatisierungsebene (Ebene 1) verwendet eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) Rockwell RSLogix5000 mit einem Profibus-Adaptermodul (SST-PFB-CLX) eines Drittanbieters für den Netzwerkzugriff. Der übergeordnete Überwachungsrechner (Ebene 2) ist mit der Überwachungssoftware RsView32 ausgestattet. Um Wartungsaufwand und Kabelverlegung zu reduzieren, ist jede Bedienkonsole und jeder Pumpen-/Ventilstations-Anschlusskasten mit einer Fernstation ausgestattet. Die SPS überträgt Daten über ControlNet an entfernte Stationen, empfängt Steuersignale von entfernten E/A-Stationen und gibt Steuerbefehle aus. Über PROFIBUS-DP kommuniziert die SPS mit dem Antriebssystem, um Drehzahl und Drehmoment des Walzwerks zu steuern. Die SPS interagiert über ControlNet mit dem Host-Rechner, unter anderem zur Einstellung von Walzgeschwindigkeit und -spannung, und kann den Betriebszustand des Walzwerks anzeigen, z. B. die lineare Walzgeschwindigkeit, den Ankerstrom des Motors und den Walzendurchmesser. IV. Implementierung der Steuerungssystemfunktionen 1. Drehzahlregelung Kern der Walzwerkssteuerung ist die Form- und Dickenkontrolle. Um eine gute Form zu erzielen und akzeptable Dickentoleranzen zu gewährleisten, muss das Walzwerk eine hohe Drehzahl- und Spannungsstabilität aufrechterhalten. Hinsichtlich der Steuerungsmethoden übernimmt die Haupteinheit die Drehzahlregelung und bietet eine stabile lineare Drehzahlreferenz für das gesamte Walzwerk. Abwickler und Aufwickler arbeiten mit Konstantspannungsregelung. Die Drehzahleinstellung erfolgt durch den Hauptbediener am Bedienfeld. Die Daten werden zur Verarbeitung an die SPS gesendet, bevor sie an die einzelnen Antriebssysteme weitergeleitet werden. Die Drehzahlregelung nutzt die Haupteinheit als Referenz für die lineare Drehzahl. Durch Einstellen des Walzendurchmessers und des Untersetzungsverhältnisses des Getriebes wird ein Sollwert für die Motordrehzahl vorgegeben. Gemäß den Regelungsfunktionen verfügt die Drehzahlregelung über Vorwärts- und Rückwärts-Tipping-Funktionen zur Fehlerbehebung. Die Einfädeldrehzahlregelung dient dem Einfädeln des Bandes vor der Produktion, und die Walzwerksdrehzahlregelung wird für das normale Walzen verwendet. Die Drehzahl wird gemäß dem Prinzip der gleichen linearen Drehzahl unter Berücksichtigung der Schlupfkoeffizienten an Vorder- und Rückseite auf die einzelnen Antriebssysteme verteilt. 2. Spannungsregelung Die Spannungsregelung ist für die gesamte Walzwerkssteuerung von entscheidender Bedeutung. Da das System nicht mit einem Spannungsmesser ausgestattet ist, wird ein indirektes Spannungsregelungsverfahren angewendet. Für das Wickelsystem gilt bei Vernachlässigung der Leerlaufverluste des Motors folgende Beziehung: MD = CM ∮ I = FD/2i. Dabei ist: MD das elektromagnetische Drehmoment des Motors; ∮ der Motorfluss; I der Nennstrom des Motors; CM die elektromechanische Zeitkonstante. F ist die Spulenspannung, D der Spulendurchmesser und i das mechanische Untersetzungsverhältnis. Die Spannungsregelung der Spulenmaschine kann daher näherungsweise als Drehmomentregelung betrachtet werden. Für die Genauigkeit und Stabilität der Spannungsregelung sind zwei wichtige Variablen erforderlich: die Umfangsgeschwindigkeit und der Spulendurchmesser. Die Umfangsgeschwindigkeit wird vom SPS-System mithilfe des Impulsgebers an der Führungsrolle vor der Spulenmaschine gemessen und berechnet. Dies ist eine wichtige Variable für die Berechnung des Spulendurchmessers. Die Genauigkeit der Drehzahlmessung hängt von der Anzahl der Impulse pro Umdrehung des Impulsgebers und der Abtastzeit ab. Bei konstanter Drehzahl gilt: Je mehr Impulse pro Umdrehung des Impulsgebers und je länger die Abtastzeit, desto höher die Messgenauigkeit. Es gibt zwei Methoden zur Berechnung des Spulendurchmessers: die Methode der Umfangsgeschwindigkeit und die direkte Messmethode. In der Praxis hat sich die direkte Messmethode als stabiler und genauer erwiesen. Üblicherweise werden Ultraschall- oder Laser-Entfernungsmesser eingesetzt. Laser-Entfernungsmesser bieten eine sehr hohe Messgenauigkeit und -stabilität und erfüllen somit die Anforderungen an die Spulendurchmessermessung optimal. Bei der indirekten Spannungsregelung muss zur Gewährleistung der Regelgenauigkeit der Einfluss des Trägheitsmoments der Wickelmaschine und der maschineneigenen Reibung auf das Drehmoment vollständig berücksichtigt werden. Daher sind Beschleunigungs-/Verzögerungs- und Reibungsdrehmomentkompensationsglieder im System vorgesehen. Der Drehmomentkompensationswert entspricht der Summe aus Drehmoment-Vorregelwert und Drehmoment-Sollwert und dient als resultierendes Drehmoment des Wickelmaschinensystems zur Steuerung der Wickelmaschine. 3. Automatisches Wickeln am Einlauf: Entscheidend für das automatische Wickeln ist die Messgenauigkeit von Rollendurchmesser und -breite. Ein Satz von Lichtschranken ist am Rollenförderer des Wagens installiert und arbeitet mit einem Impulsgeber am Wagenhub zusammen, um den Rollendurchmesser zu messen. Ein weiterer Satz von Lichtschranken ist seitlich am fahrenden Rollenförderer des Wagens angebracht und arbeitet mit einem Impulsgeber in Fahrtrichtung des Wagens zusammen, um die Rollenbreite zu messen. Das automatische Wickeln beginnt an der Rollenlager- und Transportstrecke. Der Wagen mit der Rolle fährt nach Verlassen der Lager- und Transportstrecke vorwärts. Sobald der Wagen die Hubposition erreicht hat, stoppt er, während der Lift mit dem Absenken beginnt. Während des Absenkens wird der Walzendurchmesser mithilfe der ersten Gruppe von Lichtschranken und des Impulsgebers gemessen. Nach Erreichen der unteren Endposition fährt der Wagen weiter und misst die Walzenbreite mit der zweiten Gruppe von Lichtschranken und dem Impulsgeber. In der Warteposition hält der Wagen an. Anhand des gemessenen Walzendurchmessers zentriert der Wagen die Walze durch eine Hubbewegung. Anschließend fährt er weiter, um die Walzenbreite zu zentrieren. Die Walze wird dann automatisch auf die Abwickelhaspel gelegt. Weitere automatische Funktionen umfassen das automatische Be- und Entladen von Hülsen sowie das automatische Entladen der Walze. V. Dickenregelungssystem: Entsprechend den Anforderungen des Walzwerks an das AGC-System wurde das ROCKWELL RELIANCE AutoMax-System ausgewählt. Das AUTOMAX-System von RELIANCE ist ein Echtzeit-Multitasking-Multiprozessor-Steuerungssystem. Bis zu vier Prozessoren können in jedes Walzgerüst eingesetzt werden, wobei jeder Prozessor seine eigene Aufgabe ausführt. Die Prozessoren arbeiten unabhängig, können aber auch Daten über einen MULTIBUS-Bus (auch Multibus genannt) austauschen. Da es sich um einen Parallelbus handelt, ist die Kommunikationsgeschwindigkeit sehr hoch. Das AutoMax-System unterstützt mehrere Programmiersprachen: Ablaufdiagramme, Kontaktpläne und erweitertes BASIC. Das System umfasst Regelungselemente für Position, Walzkraft und Geschwindigkeit, Synchronisation der Walzenreduktion, Einstellung der Walzenspaltdifferenz, Walzenpressung, Nullstellung des Walzenspalts sowie einen Schutz vor Überschreitung der Grenzwerte für Walzkraft und -differenz. Die Funktionsprinzipien der einzelnen Komponenten werden im Folgenden beschrieben. Systemaufbau und Funktionsprinzip: Diese Dickenregelung ist ein duales Regelsystem. Der innere Positionsregelkreis (APC) ist das Kernstück der Dickenregelung. Sein Ausgang liefert die tatsächliche Walzenposition bzw. den tatsächlichen Walzenspalt. Dieser Regelkreis arbeitet unabhängig und gewährleistet so ein Walzen mit konstantem Walzenspalt. Der äußere Regelkreis dient der Dickenregelung. Sein Ausgangssignal korrigiert den Sollwert des Walzenspalts im Positionsregelkreis. Durch die hydraulische Servosteuerung bewegt sich die Walze schnell, um Dickenunterschiede rasch auszugleichen. 1. Funktionsprinzip der Positionsregelung (APC): Das Positionsregelungssystem besteht aus einem Servoventilverstärker, einem elektrohydraulischen Servoventil, einem Hydraulikzylinder und einem Wegsensor. Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Tritt eine Abweichung zwischen der Ist-Position (bzw. dem Walzenspalt) der Walze und dem Sollwert auf, berechnet AutoMax dieses Abweichungssignal und leitet es über den Servoventilverstärker an die Stromspule des Servoventils. Dadurch wird der Hydraulikzylinder vom Servoventil angesteuert, wodurch sich die Walzenposition schnell dem Sollwert annähert, bis die Ist-Position dem Sollwert entspricht. Sobald das Abweichungssignal null ist, stoppt der Hydraulikzylinder und der Walzenspalt bleibt unverändert. 2. Funktionsprinzip der Walzkraftregelung (AFC): Die AFC wird nur beim Anpressen der Walzen zum Walzenspaltausgleich oder zum Nivellieren eingesetzt. Im normalen Walzbetrieb ist die AFC deaktiviert. Das Walzkraftregelungssystem besteht aus einem AutoMax-System, einem Servoventilverstärker, einem Servoventil, einem Hydraulikzylinder und einem Drucksensor. Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Wird das Sollwertsignal für die Walzkraft in das System eingespeist, ist das Rückkopplungssignal für die Walzkraft null, da die Arbeitswalzen noch keinen Kontakt haben. Die Systemabweichung entspricht dem Eingangssignal. Unter dem Einfluss dieses Abweichungssignals bewegt sich der Hydraulikzylinder schnell und leitet die Aufwärtsbewegung der Walzen ein, bis die Arbeitswalzen in Kontakt treten und Walzkraft erzeugen. Sobald die tatsächliche Walzkraft den Sollwert erreicht, während die Walzen weiter nach oben drücken, stoppt der Hydraulikzylinder und gewährleistet so, dass die tatsächliche Walzkraft konstant auf dem Sollwert bleibt. 3. Grundlegendes Funktionsprinzip der Walzenspalt-Synchronisationsregelung: Die Walzenspalt-Synchronisationsregelung dient dazu, sicherzustellen, dass die Verschiebung der Antriebs- und der Arbeitsseite der Walze während der Auf- und Abwärtsbewegung stets gleich ist. Das grundlegende Regelungsprinzip ist wie folgt: Die Synchronisationsregelung ist ein Sonderfall der Regelung der Walzenspaltdifferenz. Wenn die Walzenspaltdifferenz auf null eingestellt und die gemessene Walzenspaltdifferenz ungleich null ist, berechnet das AutoMax-Programm das Walzenspaltdifferenzsignal und teilt es in zwei Signale gleicher Amplitude, aber entgegengesetzter Polarität auf. Diese Signale werden dem Ausgangssignal des Servoventils überlagert. Der Servoventilverstärker steuert anschließend die elektrohydraulischen Servoventile auf der Antriebs- bzw. Arbeitsseite an. Dadurch bewegen sich die Zylinder auf beiden Seiten in unterschiedliche Richtungen, um die Walzspaltdifferenz zu verringern, bis die gemessene Walzspaltdifferenz dem Sollwert entspricht. 4. Grundlegendes Funktionsprinzip der Walzspaltdifferenzregelung: Die Walzspaltdifferenzregelung dient dazu, die ungleichmäßige Dehnung des Aluminiumbandes an beiden Seiten während des Walzens zu korrigieren oder zu beseitigen, die zu einseitiger Kantenwelligkeit führen kann. Im Extremfall kann dies zu Bandabweichungen oder sogar zum Bandbruch führen. Daher ist die Walzspaltdifferenzregelung ein wichtiges Mittel, um ein gleichmäßiges Walzen zu gewährleisten. Sowohl die Walzspaltdifferenzregelung als auch die Synchronregelung erfolgen über denselben Regelkreis. Der Unterschied besteht darin, dass der Sollwert der Walzspaltdifferenz bei der Walzdifferenzregelung nicht null ist. Er muss außerdem während des Walzprozesses fortlaufend an die jeweilige Situation angepasst werden. 4.1 Überwachte automatische Walzkompensation (M-AGC): Das Prinzip dieser Methode ist wie folgt: Ein am Walzwerksausgang installiertes Dickenmessgerät misst die Austrittsdicke des Aluminiumblechs. Dieses Dickensignal wird mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Die resultierende Dickendifferenz dient zur Korrektur des inneren Regelkreises der automatischen Walzkompensation (APC). Dieser steuert das Servoventil nach einer bestimmten Regel und betätigt so den Hydraulikzylinder, der die Walzen antreibt und dadurch die Dickendifferenz ausgleicht. 4.2 Prinzip der spannungsgesteuerten automatischen Walzkompensation (T-AGC): Bei einer Austrittsdicke von weniger als 0,5 mm und nahe 0,1 mm nimmt der Einfluss der Walzkraft auf die Dicke aufgrund der verstärkten Walzenabflachung und des Kontakts zwischen den Arbeitswalzen außerhalb der Bandbreite ab. Gleichzeitig nimmt der Einfluss der Walzgeschwindigkeit und der Einlaufspannung auf die Dicke zu und spielt schließlich eine dominierende Rolle im Walzprozess des Aluminiumblechs. Die spannungsgesteuerte automatische Walzkompensation (T-AGC) erreicht eine Dickenanpassung durch Änderung des Plastizitätskoeffizienten des Bandes mittels Spannungsanpassung. 4.3 Prinzip der Drehzahl-AGC-Regelung (S-AGC) Die Drehzahl-AGC ermöglicht die Dickenregelung durch Anpassung der Drehzahl zur Änderung des Reibungskoeffizienten des Bandes. VI. Fazit Seit der Inbetriebnahme hat dieses Steuergerät Aluminiummaterialien verschiedener Spezifikationen verarbeitet, und alle Kennzahlen erfüllen die Konstruktionsvorgaben. Die benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle und das vollständig vernetzte, digitale Design erleichtern Wartung und Betrieb und verbessern die Systemzuverlässigkeit erheblich. Referenzen: 1. ABB DCS500B Systembeschreibung 2. ProfiBus-Kommunikationshandbuch 3. AutoMax-Systemhandbuch Zugehörigkeit des Autors: Beijing Hongshan Weiye Technology Development Co., Ltd. Adresse: Raum 309, Gebäude A, Shengdi-Bürogebäude, Nr. 29 Xueyuan Road, Haidian District, Peking 100083 E-Mail: [email protected]