Profibus Electrical Control System

WZX-G total digitized rolling mill 
DC speed governing and control system
 
I. General
The modern rolling process can be simplified as: electric furnace-refining-continuous casting- continuous rolling. Continuous rolling means one rolling slab is rolled at more than two rollers at the same time, and the volume of the rolling slab which goes through the roller in the unit time is the same. The main task of the rolling process is shaping and improving the structure and performance, so, rolling is the key process to ensure the quality. Rolling line is composed by N sets of rollers, each roller has a motor, there is an accumulator between the thick and precise roller for no pall rolling, to ensure the high precision or the rolling products. Most thick, medium and precise roller is powered by DC motor. Roller is one of the main rolling devices, and the control of roller is the key point of rolling quality.
 
WZX-G rolling mills DC speed governing and automatically control system is one of the DC speed governing system of WZX series from our company. It is designed for rolling product line and developed according to the specific requirement from the users and the actual conditions of rolling mills both abroad and at home. It is applicable to the finish rolling and rough rolling of all kinds of bars and plates.
This system is developed for the product line of rolling mill in iron and steel industry. By absorbing completely the latest application technologies of the computer and automation, integrating new requirements of integrated automation from enterprises, utilizing the computer technology, automatic control technology and network communication technology, this system makes the function perfect and reliable and makes the components flexible and economic, which is convenient for the operation of the user and meets the requirements from the users in all aspects.
 
II. Comparison of control mode 
At present, some rough rolling of the rolling lines still adopt AC governing system. Almost all the fine rolling machines adopt DC governing system. But some old product lines still adopt analog governing system which can't meet the need of the rapid development of the enterprise in modern days digital control technology develops rapidly.
Compare with analog governing system:

item	analog governing system	digital governing system
working stability	poor: the parameter drifts according to the climate	great: total digital control without any drift
Stead-state deceleration	10%	<1%
dynamic effect	slow: large fluctuation and unsteady governing	Fast: total self-adopting PID governor. Only some ms is needed  to govern after receiving yhr order
governing function	low accuracy and large speed fluctuation	Total digital network control, high accuracy: analog tachometer 0.1%, impulse coder 0.01%
maintenance	complex secondary loop, hard maintenance	80% reduction of the secondary loop, easy maintenance
fault time	high ratio of the fault, large consumption of the spare parts, high cost	above 95% reduction
debugging	complex loop, many test points, long period debugging	simple structure, fast installation, few wiring and test, easy debugging, short period
anti-interference capacity	poor	Great: PROFIBUS-DP is designed specially for industrial occasion; the equipment itself is in line with EMC

Compare with AC governing system:

item	AC governing system	WZX-G DC governing system
governing sensitivity	insensitive, slow response	sensitive, the time of the acceleration and deceleration is adjustable, quick response
switching over	Inconvenient, slow response, frequent switching over inadaptable	Convenient, quick response, applicable to the occasion of frequent or periodical switching over
governing performance	Applicable to the occasion of slow production speed and low requirement of the governing t	Applicable to the occasion of slow production speed and low requirement of the governing

As we all know, steel rolling schedule includes temperature schedule, rolling schedule, cooling schedule. And rolling schedule includes out of shape schedule and speed schedule. Speed schedule is the confirmation the rolling schedule speed of every process. For continuous rolling, the rolling schedule speed of every process is very important, the higher the rolling schedule, the larger the output. If the system automation level is not high enough, too fast speed will increase the consumption of power, and there will be more faults, and it has a bad effect on the product quality. Low efficiency brings low output. So, improving the automation level of the rolling liner does has something to do with the output and quality of the steel rolling.       
 
III. System composition and features
The centre control room controls many motors via PROFIBUS bus. The schematic diagram of the network is as following:
 
Network of WZX-G rolling mills DC speed governing and automatically control system
 
The main units:

name	the main elements inside the cabinet	quantity
the main PLC cabinet (one side)	Siemens S7-300/400 series PLC  (power supply, CPU, I/O module)	one suit
	Temperature meter	two sets
	RS485 intermediate relay	one set
governing cabinet (N sides)	Siemens 6RA70DC governing unit, S7-224 PLC	one set for each
	AC contactor	two sets for each
	single phase transformer, reactor, current meter, revolution indicator	one suit for each
power cabinet    (N sides)	silicon control and the protection unit	one suit for each
	current divider, current transformer	one suit for each
	cooling fans	four for each
	armature current meter, armature voltage meter	one suit for each
inlet cabinet  (N sides)	inlet circuit breaker	one set for each
	the operation of switching on/off and the displaying elements	one suit for each
the main operation cabinet (one set)	S7-300module(I/O module, IM153 module, power supply module)	one suit for each
	the epistatic machine, UPS power supply	one set for each
	current meter, revolution meter, operation and displaying elements	five suits for each

 
IV. The main functions of the system 
1. the control function
The control function includes internal control and external control. Internal control refers to local control, that is, single field apparatus is controlled on the control cabinet, which is convenient for single cabinet commissioning and inspection; external control refers to centralized control and Siemens large and mediate size PLC is the core of the control system. The control function is fulfilled via the main PLC and the external expansion module. The operation and monitoring are done on the operation console and the epistatic machine. This function is fulfilled mainly by PROFIBUS communication.
1.1 The internal control     
The input/cutting off of the single machine, the switching of internal/external control, normal-reverse rotation, acceleration and deceleration and other functions can be fulfilled in internal control status; 
   Input/cutting off of the single machine: Single motor inputs to the control of the system or is separated from the system. This order is valid in any status. The switching on order is invalid in "cutting off" status.
 Internal/external control: Fulfill the switching between local control and centralized control. 
 Internal control starting/stop: single machine starting and stop are fulfilled in internal control status. Invalid in external status.
 Reset: the internal signal is locked when it is a fault. Reset to eraser the fault indicator when the fault disappeared. The signal will be locked for seconds time when the fault appears again.
1.2 The external control
The remote control of each framework is fulfilled by PROFIBUS bus which samples all kinds of information on site and transmits it to PLC for handling, and then orders will be sent to the pointed equipment. The control operation and status monitoring are done on the operation console and the epistatic machine.
1.2.1 The operation console
The control operation is done usually on the operation console during the normal operation of the system. All the operation control information of the whole system is sent from the operation consoles. It is sent to the pointed (6RA70) DC speed governing unit through PROFIBUS bus after PLC handling. Specifics are determined according to the requirement of the craft on site.
 Switching on/off: the order is sent and then goes through PROFIBUS bus and USS in order to control the operation of the mechanism;
 Speed governing: including single governing and linked governing. Select switch shift via "single/linked governing" on the operation console. The potentiometer is arranged inside the equipment. The speed can change in ramp without impulse. The acceleration is adjustable. 
Speed governing: with manual operation. Add extra speed disturbance quantity in order to change the speed of single equipment. This operation has no effect on other equipments. An order is sent out via the "acceleration/deceleration" knob on the operation console, which will be transferred to the pointed unit via PROFIBUS after being handled by S7 CPU. The speed changes as some ratio. Release the knob and turn it to the linked governing position. The speed at this time is the given value of linked governing.
Linked governing: automatically speed governing; the speed is dynamic when the system is operating. On the basis of the flow quantity per second (line speed) of the metal of the exit unit sets, set proper rotational speeds for other unit sets. A certain linked ratio exits among the speed of each unit sets. Speed dynamic balance can be got through loop regulating.
  Operation mode: including rolling, crawl and reverse crawl and so on. The relative parameters of all kinds of operation modes can be modified on line or off line if necessary.
  Governing modes: single governing (manually) and linked governing (automatically).
  Emergency stop: stop the whole system urgently if there is a special fault or an accident to avoid the trouble growing.
 1.2.2 The upper computer
The upper computer simulates the operation of the field apparatus by friendly human-to-machine interface (HMI) and it can control and monitor the field apparatus centrally. The functional parameters of the system can be set on line to change the operation status of the equipment or to operate it directly. Each function can effect on the main PLC and the order can be sent to the pointed unit by the support of PROFIBUS. 
2. Displaying functions
2.1 The control cabinet: display the basic parameter and status of each machine: voltage of the armature, current of the armature, excitation current and rotational speed and other indicating of the basic status.
2.2 DC speed governing unit itself has strong displaying capacity. By PMU of the front panel:
l Display the current operation status; RUN / READY / FAULT;
l Display total digitally all the functions, craft parameters and the ratio of the setting value including the voltage, the current, the rotational speed, inlet frequency, trigger angle and receiving data and so on; high displaying accuracy; the temperature rise, temperature, all the input and output status also can be displayed via the external location and connection;
l Computer diagnoses; automatically display the fault (alarm) code; automatically lock and store the first fault (alarm); being convenient for checking the fault reason.
2.3 The operation console can display all kind of status and parameters centrally according to need. 
l Each index needing the most attention of the system; the operator can master the operation status of the equipment timely. The rotational speed of the motor, the voltage, the current and so on can be displayed by digital-display or analogy-display.
l The indicating of the basic operation status: starting allowable, switching on indicating, switching off indicating and fault indicating of the unit sets and so on.
l Governing mode, the parameter of the auxiliary equipment and the monitoring of the status.
2.4 The upper computer the configuration software WINCC of the industrial process has rich functions and strong configuration functions. All the quantity values have passed the correct test and calculation to ensure the high accuracy and correctness.
l The main page (see below figure): display digitally and dynamically all the quantity needed monitoring with high correctness. This page is the main monitoring page during the operation of the system, which displays centrally the current of each rolling unit set, rotational speed, flow quantity of the metal per second, the governing amount of the loop, operation status, control status and fault and so on. It can simulate the framework and the position of the red steel. The buttons for basic control and emergency stop are connected to PLC through configuration variable quantity and the relative scenario. In the consideration of safety, operation authorization limitation is added to the operation control buttons to avoid any random or error operation. The correct password has to be input before the control operation. The below picture shows the system indicating when unauthorized operation is done: 
 

 

 
l Set and modify (on line possible) the craft parameters on a special page. Monitor the feedback value in real time. The parameters after setting can not be modified without authorization in principle in order to avoid random or error operation.
 
  
l Displaying page: this page displays the operation status of the motor and the relative parameters of operation. Include switching on status, operation or not, armature voltage of the unit set, armature current, the actual rotational speed, the actual flow quantity per second and the actual height of the loop and so on. Monitor the fault in real time.
 
 
 
 
l Real time monitoring has reference parameters. It can draw the analog curve and file it. Data sampling has the advantages of short period and high accuracy. It can draw the curve of the voltage during the operation of the motor or the rotational speed and file it.
 

 
 
Special page for fault information, monitor in real time and file the fault. Each item includes the time, date, lasting time of the fault, message text (fault description), fault point, help content and message style and so on.
 
3. Fault protection function
l Over voltage, low-voltage, excess and too low frequency protection of the power supply;
l over-current, overload, short circuit protection;
l fault protection of the excitation loop: under excitation, phase voltage, fault of the fuse and so on;
l fault protection of the phase voltage of the armature power supply;
l fault protection of the power supply of the electron plate and the interface;
l protection of excess temperature of the motor;
l fault of the speed measuring feedback unit;
l protection of communication overtime, protection of the bus fault;
l Fault of the thyristor elements.
 
The main electric technical parameters
1. Control function: total digital; the best dynamic performance.
        Siemens 6RA70: self-governing current loop, PID governing of complete self-adopting current loop, adjustable PI speed governing and multiple optimization operations match the accuracy with that of the motor. 
2. 1 the range of speed governing: 100: 1
3. accuracy of the steady speed: 
0.1%     the feedback of the analog tachometer
0.01%    with the feedback of the digital given coder
2%      voltage feedback
4. deceleration of the steady speed: <1%
5. input power supply: 3AC, 400V~830V, non-phase and frequency
6. speed control:
 By the support of armature voltage feedback of IR structure
By the support of the feedback of the rotary encoder and the analog tachometer