Our automation system for a continuous tandem mill coupled with ...

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Spesso passa parecchio tempo tra la laminazione a caldo e quella a freddo, per cui sul metallo si forma della ruggine che deve essere eliminata facendo passare il nastro dentro alcune vasche con una soluzione di acqua e acido cloridrico; questo processo di decapaggio (pickling line) può essere fatto in un altro impianto prima di laminare il nastro al tandem o, più efficientemente, il decapaggio può essere inserito direttamente tra la saldatrice e la prima gabbia; servono dunque altri looper prima delle gabbie per disaccoppiare le diverse fasi e conferire così il massimo di flessibilità all’impianto, che ora può raggiungere i 300 m in lunghezza ed accumulare 2000 m di nastro nei looper (v. ancora fig. 1). Alcune cifre di un tipico impianto possono dare l’idea della complessità del processo di laminazione a freddo e, di conseguenza, del suo sistema di automazione (tab. 1): questi controlli in real-time devono gestire un processo veloce ed altamente interconnesso e devono garantire accuratezza, affidabilità e produttività per mezzo di una efficiente generazione dei riferimenti per un gran numero di anelli di regolazione che girano a tempi di ciclo dell’ordine di pochi ms, connessi ad altrettanto numerosi attuatori, sensori e stazioni di supervisione. IL SISTEMA DI AUTOMAZIONE La fig. 3 illustra in maniera molto semplificata lo schema teorico dei nostri sistemi di automazione , mentre la fig. 4 presenta la configurazione di automazione per un decatreno: • Livello 1: comprende molti regolatori che controllano posizioni e pressioni delle capsule idrauliche, tiri e spessori del nastro, velocità dei motori e così via; spesso sono necessari anelli interni ed esterni, anelli concorrenti, azioni di disaccoppiamento e calibrazioni on-line; il livello 1 gestisce anche le logiche, le sequenze, le idrauliche, le comunicazioni col campo (sensori, attuatori, azionamenti elettrici, banchi operatore, ecc.). Un completo sistema di acquisizione dati consente di investigare accuratamente i dettagli di comportamento dei regolatori . • Livello 2: i riferimenti necessari ai regolatori possono cambiare a seconda dei diversi prodotti da laminare (i programmi di produzione arrivano dal dipartimento che gestisce la produzione – livello 3) e/o a causa della intrinseca tempo-varianza dell’impianto (p. es., i cilindri di lavoro si scaldano e si usurano); i riferimenti vengono dunque ricalcolati pezzo per pezzo (e si laminano molte decine di pezzi al giorno) da modelli matematici appositamente sviluppati; durante la laminazione vengono raccolte moltissime misure sia per auto-adattare i modelli matematici pezzo dopo pezzo, sia per certificare la qualità di ciascun nastro prodotto. Le caratteristiche peculiari che contraddistinguono il tandem continuo possono essere ora brevemente descritte per aggiun- gere informazioni pratiche al precedente schema teorico. Calcolo del setup e funzioni di livello 2 di base La scheda di laminazione che contiene i riferimenti che il livello 1 deve attuare viene calcolata da accurati modelli matematici quando il rotolo viene saldato, quando si trova al decapaggio e prima di entrare nel tandem; i calcoli necessari al meccanismo di auto-adattamento dei modelli matematici sono effettuati quando il rotolo finito viene tagliato e lascia il tandem, usando le misure acquisite durante il suo processamento. Inoltre, i server di processo raccolgono, gestiscono e immagazzinano tutti i dati relativi a ciascun rotolo laminato (dati primari, scheda di laminazione, calcoli di adattamento, riferimenti applicati, misure di qualità) e alla produzione effettuata. Gestiscono anche la connessione col sistema di automazione di livello 3. Cambio di Set al Volo Il mondo dei modelli matematici e dell’attuazione dei riferimenti per i laminatoi è parecchio ampio e variegato, ma ciò che sicuramente fa la differenza in un laminatoio continuo è il cambio di set al volo, che coinvolge sia capacità modellistiche che regolazioni e logiche real-time. La scheda di laminazione, calcolata per ciascun nastro, assicura riferimenti ottimali per quel nastro; ma quando la saldatura tra due diversi nastri passa attraverso le gabbie, il punto operativo dell’impianto si deve spostare dallo stato del nastro corrente a quello del successivo e questo cambio deve essere continuamente gestito dal sistema di automazione. Diversi set intermedi (v. fig. 5), calcolati dai modelli matematici e applicati al momento giusto dai regolatori mentre la saldatura si muove attraverso il tandem, permettono di mantenere la stabilità di laminazione (limitando il rischio di rottura nastro) per minimizzare la lunghezza di nastro fuori tolleranza, limitando l’area di transizione e massimizzando la produzione. Controllo Automatico di Spessore & Controllo di Tiro (AGC & ATC) Lo spessore del prodotto finito che sta in tolleranza è ciò che appare immediatamente al cliente finale e ha fondamentale importanza sia per quel che riguarda la qualità del nastro che per la bontà complessiva dell’impianto (v. fig. 6). I modelli matematici calcolano riduzioni nominali e tiri intergabbia al fine di ottenere le condizioni operative desiderate in assenza di disturbi. I controlli tecnologici sono progettati per minimizzare le variazioni che sorgono durante la laminazione: per esempio, variazioni di spessore e di durezza del materiale d’ingresso, fenomeni termici sui cilindri di lavoro, usura ed eccentricità dei cilindri e variazioni di attrito, se non vengono adeguatamente controllati dal sistema di automazione, provocano deviazioni di spessore dal target garantito per il prodotto finale (fig. 7). Nella fig. 8 è mostrato il sistema di controllo: sono eviden- 19
20 REPORTS MATHEMATICAL MODELS Level 2 Production Programs Production Reports The peculiar features that distinguish the continuous tandem mill can be now briefly described for adding more practical information to the previous theoretical scheme. + - Roberta Gatti & Sergio Murgia Level 1 Level 3 R R REGULATOR MODEL ADAPTION Adaption Measures Fig. 3 - Functional structure of the automation system Fig. 3 - Struttura funzionale del sistema di automazione OPERATOR STATIONS & LOCAL CONTROL DESKS LEVEL 2 & COMPUTER ROOM LEVEL 1 LEVEL 0/PLANT Entry pulpit LEVEL 3 NETWORK (to level 3 system) Entry and pickling areas Process Servers Setup Calculation and Level 2 Basic Functions The rolling schedule to be actuated by level 1 is calculated by accurate mathematical models when the coil is welded, when it is at the pickling line and before entering the tandem mill; calcula- PLANT tions dedicated to autoadapt the mathematical models using actual plant measures are carried out when the coil is cut and exits the plant. In addition, the process servers are dedicated to collect, manage and store all of the information related to each coil (primary data, rolling schedules, adaption calculations, applied sets, quality measures) and to production and operations. They also manage the connection to the level 3 system. HMI NETWORK DATA ACQUISITION NETWORK Maintenance stations Side trimmer pulpit Tandem pulpit HMI Servers MAIN NETWORK Engineering stations Drives Drives Data acquisition client Fig. 4 - ASI automation system for a cold tandem mill coupled with pickling line Fig. 4 - Il sistema di automazione ASI per un decatreno Fast I/O Tandem area COMMUNICATION NETWORK FIELD NETWORK Slow I/O INNOVATION
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