摘　要：钢轨是轨道结构的重要部件，是铁路实现高速、重载发展的重要基础。铁道部有关部门根据我国铁路发展的需要，已将发展１００ｍ。长定尺钢轨确定为我国铁路的技术政策。通常钢轨的轧制长度为１１０ｍ～１２０ｍ，利用热锯切去头尾不规整部分，在冷床上进行热预弯工艺处理，减少钢轨矫直前的弯曲度，以降低钢轨因矫直引起的残余应力和表面损伤，同时还可以提高其成材率。热预弯工艺电气自动化控制采用先进的精确定位的位置闭环自动控制模型系统，控制精度可以达到±１ｃｍ。还采用了先进的工业网络技术，某公司ＰＲＯＦＩＮＥＴ工业以太网，整个生产线上的多台控制器及工程师站都联在主干光纤冗余环网中，具有很高的安全和可靠性。

关　键　词：热预弯处理；位置闭环控制；ＰＲＯＦＩＮＥＴ；冗余环网

ＴｈｅＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｏｆＡｎｓｈａｎＳｔｅｅｌ１００ＭｅｔｅｒｓＨｅａｖｙＲａｉｌ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｅｅｌｒａｉｌｉｓａｎｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｆｔｈｅｒａｉｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｉｔｓｔｈｅｂａｓｉｃａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｅｃｈｎｉｃｆｏｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｈｅａｖｉｌｙｈｅａｖｙｃａｒｒｙｌｏａｄｏｆｔｈｅｒａｉｌｗａｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｒａｉｌｗａｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙＯｆＲａｉｌｗａｙｈａｄｐｒｏｐｏｓｅｄｍａｄｅｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃｐｏｌｉｃｙｓｔａｎｄａｒｄｔｏｏｆｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｍａｋｅｔｈｅｌｏｎｇｓｉｚｅｒａｉｌｕｎｉｆｉｅｄａｓｏｎｅｈｕｎｄｒｅｄｍｅｔｅｒｓｒａｉｌ．Ｕｓｕａｌｌｙｔｈｅｌｅｎｇｔｈｓｙｓｔｅｍｏｆｓｔｅｅｌｒａｉｌｉｓｆｒｏｍ１１０ｍｅｔｅｒｓｔｏ１２０ｍｅｔｅｒｓ，ｗｅｃｕｔｔｈｅｅｒｏｓｅｐａｒｔｓａｔｔｈｅｈｅａｄａｎｄｔｈｅｔａｉｌｂｙｔｈｅｈｏｔｓａｗ，ｔｈｅｎｏｎｔｈｅｃｏｌｄｂｅｄｗｅｂｅｎｄｔｈｅｓｔｅｅｌｒａｉｌａｎｄｐｕｔｔｈｅｓｔｅｅｌｒａｉｌａｄｖａｎｃｅｄｗｈｅｎｉｔ｀ｓｓｔｉｌｌｉｎｈｏｔｃｏｎｔｉｏｎ，ｒｅｄｕｃｉｎｇｅｔｈｅｂｅｎｄｄｅｇｒｅｅｂｅｆｏｒｅｉｔｇｅｔｓｃｏｌｄ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｉｓｗａｙｗｅｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｔｒｅｓｓｒｅｍａｉｎｅｄｉｎｔｈｅｓｔｅｅｌｒａｉｌａｆｔｅｒｔｈｅｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅａｎｄｔｈｅｄａｍｎｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ．Ａａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｗｅｏｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｒａｔｅｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ．Ｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｈｏｔｂｅｎｄａｄｖａｎｃｅｓｄｔｅｃｈｎｉｃｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｕｔｏｍａｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇｅｓｔｈｅｐｉｎｐｏｉｎｔｐｏｓｉｔｏｎｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｓｏｔｈａｔｔｈｅ，ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｂｅｃｏｎｔｒｏｌｅｄｉｎｗｉｔｈｉｎ±１ｃｍ．Ａｌｓｏａｄｏｐｔｅｄｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｎｅｔｗｏｒｋｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｄｏｐｔｅｄ，ＳｉｅｍｅｎｓＰＲＯＦＩＮＥＴｉｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｔｈｅｒｎｅｔ，ａｎｄｔｈｅｅｎｔｉｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅｍｕｌｔｉ－ｓｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｓａｒｅｉｎｔｈｅｔｒｕｎｋｏｆｔｈｅｒｅｄｕｎｄａｎｔｆｉｂｅｒｒｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓ，ａｈｉｇｈｄｅｇｒｅｅｏｆｓａｆｅｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｂｅｎｄ；ｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＲＯＦＩＮＥＴ；ｒｅｄｕｎｄａｎｔｒｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋ

１　引　言

鞍钢大型厂１００米重轨自动化控制项目在辽宁省鞍山市鞍山钢铁集团公司鞍钢股份大型厂，拥有世界先进技术装备水平，集精炼、精轧、精整于一体的高速重轨生产精品基地，成为国内重轨生产品种最全、档次最高的钢铁企业。凭借高纯净度、高强度、高精度、高平直度的产品性能，形成了明显的市场竞争优势，鞍钢股份重轨在国内稳居三分之一以上的市场份额。钢轨是铁路的重要部件，是铁路运输安全的重要产品，铁路运输的发展需要钢轨质量的进一步提高。目前，中国铁路、世界铁路发展以及市场变化对钢轨要求主要体现在２个方面：首先，我国铁路以及世界铁路正在快速向高速、重载化发展，要求国内钢轨厂家开发出系列高品质的钢轨，如高速铁路用钢轨、重载钢轨、客货混运线用钢轨。如果进口，进口价格高达７５０美元／吨，每年需要大量进口。因此，需立足国内，替代进口。其次，随着国内主要钢轨生产厂现代化改造完成，保守估计，国内钢轨年生产能力将达很高的产量，而国内近几年甚至以后，年需求钢轨在几百万吨以下，明显供大于求，需要开辟国内外市场，减少生产能力的闲置，提高企业经济效益。因此，开发系列高品质钢轨和进行国内外市场开拓，对中国铁路发展和企业发展具有重要的战略意义。作为国内钢轨开发、生产、市场开拓的重要代表性企业，鞍钢不遗余力开发高品质钢轨和开拓国内外市场，以满足国内铁路发展需要和企业发展需要，开拓国际市场，减少国内市场竞争压力，进而带动行业技术发展，提升国内钢轨厂家国际市场竞争。

２　项目工艺简介

预弯机是整个项目的重要设备，是重轨生产中的重要环节，钢坯从加热炉中通过万能轧机的轧制，轧成１２０ｍ左右的重轨热料，通过辊道运输到予弯冷床的入口辊道上，两端的热锯将重轨热料切割１１０ｍ尺寸后，预弯机工作将重轨热料按照控制画面的设置推出弧度放置在予弯冷床上冷却，重轨从予弯冷床运输到２＃冷床继续冷却，重轨冷却平直度到达要求送到矫直机冷矫，进入检测中心检测，通过四面压力矫进入到冷切断进行定尺切割，成品输出包装。如图１所示图１　鞍钢１００米重轨生产工艺流程简

３　控制系统构成

１）１００米钢轨预弯工艺自动化　采用带钢轨预弯装置的１００米跨距的步进梁式冷床，可以适用于各种重轨产品均匀冷却，弯曲度小、减少钢材表面划伤，降低钢轨残余应力；预弯工艺控制的运算执行ＣＰＵ采用西门子Ｓ７４００系列的４１６２ＤＰ，使用ＣＰ４４３１Ａｄｖａｎｃｅｄ把预弯控制ＰＬＣ连接到主干光纤冗余环网中，使用ＦＭ４５０１计数器模板反馈预弯实际值，使用ＳＩＡＭＴＩＣＭＰ３７０设定预弯工艺值，使用ＡＢ变频器Ｐｏｗｅｒｆｌｅｘ７００控制预弯机小车电机进行行走。系统工艺，如图２所示。图２　系统工艺图预弯冷却控制技术决定１００ｍ重轨的重要环节，决定１００ｍ重轨的高精度高平直度，为了达到控制工艺的要求，３９台预弯机按照设定的预弯值同时启动同时停止，采用精确定位ｉｅ的位置闭环控制，控制精度能够达到±１ｃｍ。预弯机一个自动工作过程中只有在起始位设有一个接近开关，其余的动作都是通过在电机轴头安装的编码器反馈经过ＰＬＣ计算模型控制完成的。预弯机的动作复杂，一个自动工作过程，如图３所示。图３　自动工作过程图在ＳＩＭＡＴＩＣＭＰ３７０ＨＭＩ里编好同各种型号重轨相对应的配方，生产的时候操作员只需要从中选中现在生产的重轨型号，３２台预弯机小车的行走行程便设定到主控制ＰＬＣ中，按下预弯自动按钮，预弯机完成一个自动工作过程，把热重轨推出一定弧度，在１＃冷床自动步进梁上自动步进冷却，再通过在２＃冷床上进一步冷却，冷却后的重轨比较平直，通过矫直机后可以避免受到大的内部应力的影响，提高重轨的品质。预弯机ＳＩＭＡＴＩＣＭＰ３７０ＨＭＩ，如图４所示。图４　ＨＭＩ显示在ＳＩＭＡＴＩＣＳ７４００ＰＬＣ控制程序中建立一个位置闭环控制的数学模型，通过三段速度控制模型的设定分段控制小车行走速度，预弯机小车能够定位，控制小车制动时间和制动速度是关键，由于机械结构回程和链条传动精度较低等硬件设备的不利条件，在软件控制模型中考虑这部分的影响加入非线性补偿，达到生产工艺要求的位置精度。由于工作环境处于高温中，很多检测位置无法放置检测元件，以及编码器存在误差累积，工作连续性受到一定的影响，采用先进的模糊控制方式解决了这个问题。

２）工业以太网技术在１００ｍ重轨生产中的应用　以太网及ＴＣＰ／ＩＰ通信技术在ＩＴ行业获得了很大的成功，成为ＩＴ行业应用中首选的网络通信技术。近年来，以太网及ＴＣＰ／ＩＰ技术逐步在自动化行业中得到应用，并发展成为一种技术。以太网在自动化行业中的应用应该区分为两个方面问题，或者说两个层次的问题。一是工厂自动化技术与ＩＴ技术结合，与互连网Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术结合，成为未来· ７ ４ １ · 　增刊　　　　　　　　　　　曲　强等：鞍钢大型厂１００ｍ重轨自动化控制可能的制造业电子商务技术、网络制造技术雏形。另一个方面，即以太网能否在工业过程控制底层，也就是设备层或称为现场层广泛应用，成为甚至取代现有的现场总线技术成为统一的工业网络标准。近年来，自动化技术发展使人们认识到，单纯提高生产设备单机自动化水平，并不一定能给整个企业带来好的效益；因此，企业给自动化技术提出的进一步要求是：将整个工厂作为一个系统实现其自动化，目标是实现企业的最佳经济效益。因此，有了现代制造自动化模型，所以说自动化技术由单机自动化发展到系统自动化。现代网络技术突飞猛进，以太网技术应用到工业控制领域成为可能，西门子开发出了新一代的工业以太网络技术ＰＲＯＦＩＮＥＴ，实现高实时数据通讯，解决网络数据交换的延时。在这个控制系统中，网络采用高安全性高可靠性的光纤冗余环网技术，主干网的管理交换机选用的西门子的ＳＣＡＬＡＮＣＥＸ４１４３Ｅ高性能交换机，如果环网中出现故障或错误时，传输路径可在０３ｓ内重构，保持通讯正常工作。为了提高网络的安全性，每个站点都设置口令，上传下载程序都需要口令。每个工作区域ＰＬＣ独立工作，交换数据，采用ＦＣ５／ＦＣ６功能块实现，由于每个区域ＰＬＣ的程序量区别很大，循环周期相差很多，为了提高各区域数据传输的实时性，采用统一的固定循环周期进行数据的发送。网络技术的应用，解决了重轨生产中各个控制区域需要频繁交换数据的工作要求，在控制区域重合部分，采用统一的控制协议，使得程序的可移植性增强，便于维护，通用性极强，在控制权限的确定上准确无误，取保生产的快捷可靠，可操作性极强。网络技术在自动化控制中的应用提高工作效率，加强控制系统的可用性，增强控制系统得可靠性，网络决定了整个系统得先进性的高低，现代化生产工艺要求企业采用高性能网络作为自动化生产的基础平台。冷床电气室硬件配置图，如图５～图１０所示。图５　冷床电气室ＰＬＣＩ硬件图

４　项目主要技术关键点

１）网络部分的配置和应用　由于型材生产厂图６　冷床电气室ＰＬＣ１ＰＲＯＦＩＮＥＴＩ／Ｏ设备硬件图图７　冷床电气室ＰＬＣ１ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ设备硬件配置图图８　冷床电气室ＰＬＣ２硬件配置图图９　冷床电气室ＰＬＣ２ＰＲＯＦＩＮＥＴＩ／Ｏ设备硬件配置图图１０　冷床电气室ＰＬＣ１ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ设备硬件配置图设备区域大每个区域面积都是近似一个足球场大。改造分为五个全新主电室，分管五个区域的控制。生产线上有３０多个操作台。还有的其它３个原主电室与之相关联，新旧控制柜近六、七百套。利旧设备较多，新旧设备中不同时期的数控系统和网络产品应有尽有。需要用一种有效的控制网络来协调和控制，并将原有的各种网络进行接口转换连到一起。改造后即要能生产１００ｍ长的重轨，也要能生产５０ｍ、２５ｍ长重轨多种切换功能。选用西门子最新的ＰＲＯＦＩＮＥＴ工业以太网，形· ８ ４ １ · 控　制　工　程　　　　　　　　　　　　　　　第２０卷　成光纤冗余的环网结构。当时西门子刚刚推出ＰＲＯＦＩＮＥＴ工业以太网。国内很少大面积使用没有成熟经验。我们全新设计出适宜生产的控制网络的最佳配置。节省了大量的改造资金提高了生产率。解决了需要很多的电缆和人工进行施工调试工作，有利于现代生产工艺的要求，利用光纤冗余环网提高网络安全使得整个厂区快捷交换数据，降低故障率，生产工艺更加合理高效。详见网络图及其网络部分的描述。

２）控制模型的程序结构的建立　１００ｍ长钢轨的预弯控制，是对由３９台小车的位置控制来完成。钢轨的变形控制要求每台予弯车的行走距离（位置）是不相等，即对３９台小车动态同步同时控制运动。３９台予弯车运行时的速度不同，但同时启动同时停止，保证对钢轨同时变形控制。对于每一台小车要求精确定位，保证百米长钢轨同时变形，并按予弯设定值控制出准确的结果。如控制不好出现只有一台或几台小车单独在行走其他予弯小车停止时，将使钢轨出现硬变形点成为次品。还会造成电机过负荷事故，如图１１所示。图１１　冷床步进梁予弯区图中，红色表示钢轨由辊道进入上图兰色表示的辊道区域后。小车带动钢轨进行予弯。由３９台变频器带动的运动小车走出上图棕色的轨迹把钢轨推拉出予弯的曲线型状。中间的２０号车行程最远（约６ｍ），由位置控制环计算出３９套予弯车每一台车的距离。其程序全部在一级基础自动化的一台ＰＬＣ内完成。运算数据量大控制变量多。必须采用可靠的合理数据结构。控制框图，如图１２所示。图１２　位置控制模型框图　　充分使用Ｓ７４００ＰＬＣ的功能特点。完成使每台电机小车的控制必须由数学模型来控制。而不是简单的单闭环位置控制。３９台不同位置闭环控制的数学模型完全在动态方式进行计算和控制。在任何资料上还没有见过。完全自主独立完成的模型控制的设计和调试。及程序和数据结构的设计这些我们做了大量的工作和试验。经过大型厂的生产实际检验和横向比较完全优于其他百米重轨厂家的予弯效果。该项目中的钢轨预弯技术已获得国家专利。

５　项目运行

系统于２００７年０４月０５日全线热负荷试车成功，２００７年０５月开始试生产，三个月就达到设计产量，该控制系统运行情况良好，受到用户的好评。１００ｍ重轨自动化控制是一套具有高可靠性，高安全性，高控制精度，高效率的控制系统，在近几年的生产中充分体现其系统的优越性。该项技术已获国家专利。成为一项可以推广的先进技术，如图１３所示。图１３　场区现场图