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1 Year 4 March 2012 Ansaldo Sistemi Industriali s Technology Matters Quarterly Newsletter for Customers and Community Members

2 A message is meaningless unless it can be delivered to the person it was intended to reach. This newsletter is a new effort to reach our customers and community, to improve awareness of who we are, not only as a company but also as a unique group of individuals who work together. It is our hope that this newsletter will stimulate a vital dialogue within our community of customers, colleagues and friends fostering a positive exchange of ideas for the mutual benefit of all involved. The Corporate Marketing Team Il significato di un messaggio ha valore soltanto se percepito correttamente dal destinatario a cui era rivolto. Indirizzata ai nostri clienti e alla società in generale, questa newsletter si pone l obiettivo di farci conoscere meglio non solo come azienda ma anche come un gruppo affiatato di persone che lavorano insieme. Vorremmo che questa newsletter diventi veicolo di comunicazione che stimoli il dialogo tra i nostri clienti, colleghi ed amici e promuova uno scambio positivo e proficuo di idee. Marketing Corporate

3 CONTENTS INDICE INNOVATION The green revolution Riccardo Di Noi & Andrea Biancato La rivoluzione verde beyond photovoltaic energy oltre il fotovoltaico 02 Technological control functions Piero Angela Controlli tecnologici in plate mills nei laminatoi per lamiere 08 Our automation system for a continuous Roberta Gatti & Sergio Murgia tandem mill coupled with pickling line Il nostro sistema di automazione per un decatreno 16 ARTICS, ASI Real Time Integrated Control Lanfranco Urli Miglioramenti del sistema integrato System improvements using industrial ethernet di controllo ARTICS, legati all uso di ethernet di tipo industriale Disaster Recovery according to Gianni Parlatore Il Disaster Recovery Ansaldo Sistemi Industriali secondo Ansaldo Sistemi Industriali INTEGRITY Vespucci: the technological modernization Enrico Sconnio La Vespucci e il suo ammodernamento 40 Ansaldo Sistemi Industriali RO srl Salvatore Barra & Ioan Gauzin Ansaldo Sistemi Industriali RO srl 42 Kata Champion Marzio Marocco Campione di Kata 44 Red Lions Amateur Sports Association Diego Imbesi Associazione Sportiva Dilettantistica Red Lions 46 INTELLECT Advanced Hydropower Generation Forum Agostino Valentini Advanced Hydropower Generation Forum Brain challenge Keep training with... Giochi per la mente 50 54

4 Riccardo Di Noi & Andrea Biancato The green revolution beyond photovoltaic energy Starting from the definition of the Kyoto Protocol in 2006, obtaining energy from renewable sources, apart from being a necessity, has turned out to be a great opportunity for companies operating in the sector. Until now, Ansaldo Sistemi Industriali (ASI) has mainly concentrated on the more traditional renewable sectors such as solar, wind and hydroelectric power, but they have not, however, been overlooking entirely new applications. Among these and certainly of primary importance are applications for the production of biofuels. Biofuels are hydrocarbons produced from raw materials of vegetable or animal origin, and are similar to petrol and diesel. There are two types: Biodiesel mixable with diesel fuel and oils derived from waste oils, animal fats and vegetable oils (e.g. rapeseed oil), Bioethanol produced from vegetable raw materials, similar to petrol. The global outlook predicts continued growth in biofuel production: in addition to this, according to EU directives, by 2020, 10% of the fuel available from distributors must come from renewable sources. In this scenario of strong growth, the main obstacle to greater diffusion of the first generation bioethanol was the use of raw materials from agricultural food products, such as corn and sugar cane. Such use has always raised concerns, particularly with regard to the ethical and social issues related to world hunger and increasing food commodity prices. Furthermore, the use of these crops has involved the intensive use of fertilizers and water resources along with a limited capability to reduce CO2 emissions. A definitive solution to this critical situation has come from the Mossi & Ghisolfi Group, who have patented innovative technology for the production of second generation bioethanol from non-food biomass. This has been identified as the reference crop, the Arundo Donax, which is the common Giant Cane; it does not compete with the food and feed cycle, is able to grow on marginal and unproductive land, and ensures a considerable quantity of biomass per cultivated hectare along with a minimum use of water and chemical additives. And finally, at the level of efficiency, it has a INNOVATION 2

5 La rivoluzione verde oltre il fotovoltaico A partire dalla definizione del protocollo di Kyoto, nel 2006, ricavare energia da fonti rinnovabili si è rivelata, oltre che una necessità, una grande opportunità per le aziende operanti nel settore. Sino ad ora Ansaldo Sistemi Industriali (ASI) si è maggiormente concentrata sui settori più tradizionali delle fonti rinnovabili quali fotovoltaico, eolico e idroelettrico, non per questo però trascurando del tutto le nuove applicazioni. Tra queste, sicuramente di primaria importanza, le applicazioni per la produzione di biocombustibili. I biocombustibili sono idrocarburi prodotti da materie prime di origine vegetale o animale, del tutto simili a benzina e gasolio. Ne esistono due tipologie: il biodiesel, miscelabile con il gasolio e derivante da oli di scarto, grassi animali e oli vegetali (come ad esempio la colza), il bioetanolo, prodotto da materie prime vegetali, analoghe alla benzina. high level of biomass productivity per unit area with very limited agronomic input. For all these reasons, the common cane has been identified as the ideal crop from which to obtain cellulose and hemicellulose for the production of second generation ethanol. At the end of 2011, Answer Drives, the wholly owned subsidiary of Ansaldo Sistemi Industriali, concluded an interesting contract with Chemtex Ltd (an engineering company which is part of the Mossi & Ghisolfi Group) for the supply of "Cube" inverter boards with GT3000 drives to control the main and auxiliary process motors. The Mossi & Ghisolfi Group - a multinational corporation with its headquarters in Tortona (AL), which is the world leader in production capacity and technological innovation in the PET field has in recent months laid the foundation stone for the IBP (Italian Bio Products) Plant in Crescentino (VC). From 2012, this site, the first industrial-scale site in the world, will produce 40,000 tons/year of second generation bioethanol. The aim is to transform into ethanol 160,000 tons/year of anhydrous Arundo Donax biomass cultivated in dedicated plantations in an area of between 4,500 and 5,000 hectares within an agro-energy supply chain area (located not more than 40 km from the site). The second generation bioethanol production process follows the more classic plant biomass production process. Le prospettive mondiali prevedono una continua crescita della produzione di biocarburanti: inoltre, secondo le direttive dell Unione Europea, entro il 2020, il 10% del carburante disponibile presso i distributori dovrà pervenire da fonti rinnovabili. In questo scenario di forte crescita, il principale ostacolo verso una maggiore diffusione del bioetanolo di prima generazione è stato l'utilizzo di materia prima proveniente da prodotti agricoli destinati all'alimentazione, come mais e canna da zucchero. Tale utilizzo ha da sempre sollevato perplessità e problematiche di natura etico-sociale legate alla fame nel mondo e all incremento dei prezzi delle materie prime alimentari. Inoltre l impiego di queste colture ha evidenziato un uso intensivo di fertilizzanti e di risorse idriche, a fronte di basse capacità di abbattimento di CO2. Una soluzione definitiva a questa criticità è arrivata dalla ricerca del Gruppo Mossi & Ghisolfi, che ha brevettato una tecnologia innovativa per la produzione di bioetanolo di seconda generazione da biomasse non alimentari; è stata individuata, come coltura di riferimento, la Arundo Donax, ovvero la comune canna da fosso; essa non entra in competizione con il ciclo food & feed, è in grado di crescere su terreni marginali ed improduttivi e garantisce un quantitativo considerevole di biomassa per ettaro coltivato a fronte di un impiego minimo di acqua ed additivi chimici. E infine, a livello di efficienza, ha un elevato livello di produttività di biomassa per unità di superficie con limitatissimi input agronomici. Per tutti questi motivi la canna comune è stata individuata come la coltura ideale dalla quale ottenere cellulosa ed emicellulosa per la produzione di etanolo di 2 generazione. 3

6 Riccardo Di Noi & Andrea Biancato The main stages are: 1. "Grinder". Grinding of the raw biomass material by mechanical crushing mills to facilitate subsequent contact with water; 2. "Pre-treatment". Biomass is heterogeneous and consists of a complex network of different components such as cellulose, hemicellulose and lignin. This is the main obstacle to the penetration of the enzyme and the biomass is in fact resistant to biological decomposition. The purpose of the pre-treatment is to isolate and remove the lignin component in order to increase the accessible surface area and thus facilitate the penetration of the hydrolysis agents. 3. "Hydrolysis". Hydrolysis is the stage of the process necessary to obtain simple sugars from polysaccharides. The hydrolysis is effected by a cocktail of enzymes that are obtained from the cellulosic fraction of hexose sugars such as glucose, while the fraction composed from the hemicellulose is fused into a mixture of pentose sugars. 4. "Fermentation" This is the final process in which the sugars are converted and subdivided into INNOVATION 4

7 A fine 2011 Answer Drives, società controllata da Ansaldo Sistemi Industriali, ha concluso un interessante contratto con Chemtex Srl (società di ingegneria del gruppo Mossi & Ghisolfi) per la fornitura di quadri inverter Cube con drives GT3000 per il controllo dei motori, principali ed ausiliari, del processo. Il Gruppo Mossi & Ghisolfi multinazionale con sede a Tortona (AL) leader mondiale per capacità produttiva ed innovazione tecnologica nel settore del PET - ha posato negli scorsi mesi la prima pietra dell impianto IBP (Italian Bio Products) di Crescentino (VC). A partire dal 2012, questo sito, primo al mondo su scala industriale, produrrà tonnellate/anno di bioetanolo di seconda generazione. L obiettivo è quello di trasformare in etanolo tonnellate/anno di biomassa anidra di Arundo Donax coltivata in piantagioni dedicate su una superficie compresa tra i e i ettari nell ambito di una filiera agro-energetica (distante non più di 40 km dal sito). Il processo produttivo del bioetanolo di seconda generazione segue quello più classico delle biomasse vegetali. Le principali fasi di lavorazione sono: 1. Grinder. Fase di macinazione della materia prima, che consiste nella frantumazione meccanica a mezzo mulini della biomassa per facilitare il successivo contatto con l acqua. 2. Pre- treatment. Le biomasse sono eterogenee e sono costituite da una rete complessa di componenti diversi, come cellulosa, emicellulosa e lignina. Quest ultima costituisce il principale ostacolo alla penetrazione dell enzima. Infatti essa resiste alla decomposizione biologica. Lo scopo del pretrattamento è quello di interrompere e rimuovere il componente di lignina per aumentare l'area di superficie accessibile facilitando la penetrazione degli agenti dell idrolisi. 3. Hydrolysis. L idrolisi è lo stadio del processo necessario ad ottenere zuccheri semplici dai polisaccaridi. L idrolisi è effettuata da un cocktail di enzimi che permettono di ottenere dalla frazione cellulosica zuccheri esosi come il glucosio, mentre la frazione composta dall emicellulosa viene scissa in una miscela di zuccheri pentosi. 4. Fermentation Questo è il processo finale in cui vengono convertiti gli zuccheri suddivisi in etanolo con l ausilio di microbi, lieviti e acqua. Il lievito di birra è l'agente più comunemente usato per questo processo. 5. Product Separation comunemente chiamata Distillazione. In quest ultimo stadio del processo viene trattata la birra derivante dalla precedente fermentazione. In un apposita colonna, si separa l etanolo prodotto dal residuo di fermentazione. La corrente di etanolo esce dalla testa della colonna, mentre dalla coda viene recuperata la frazione solida. La lignina, avendo un alto potere calorifico, viene mandata ad una caldaia, per consentire l auto-sostentamento ed una perfetta integrazione energetica dell intero processo. Viene fatto poi un ultimo trattamento di centrifugazione tramite il quale si ottiene la separazione tra parte liquida (stillage) e parte solida (wet cake) dei residui di lavorazione. Parte dello stillage viene riciclato nel processo di produzione mentre il rimanente è concentrato in un evaporatore. Grazie alla ricerca e sviluppo del gruppo Mossi & Ghisolfi nasce, in Italia, un nuovo carburante verde, prodotto con biomasse non alimentari, coltivate localmente su terreni marginali e sostenibili dal punto di vista ambientale ed economico. Una buona notizia, quindi, per i consumatori, da sempre alle prese con i continui aumenti del prezzo della benzina e degli altri carburanti tradizionali. SCOPO DI FORNITURA In questo processo produttivo così articolato troveranno spazio i quadri Cube. Oltre ai diversi circuiti ausiliari particolare rilievo hanno l impiego dei nostri Inverter per: 1. Il motore principale del Grinder ; 2. Il soffiatore nel pre trattamento e nella fermentazione; 3. L agitatore e la pompa per l idrolisi; 4. Le pompe per la produzione dello stillage ; 5. Le pompe delle torri di evaporazione dello stillage ; Principali caratteristiche dei drive proposti: serie GT 3000 alimentati sia a 400 V che a 690 V con potenze da 1,5 kw fino a 400 kw ; serie GT 3000 LARGE alimentati a 690 V con potenze fino a 900 kw; funzione STO (Safe Torque Off) integrata; dimensionamento in classe 2 heavy duty cycle- sovraccarico del 150 % 1 min. ogni 10; comunicazione via profibus con controllo e supervisione dal DCS d impianto. alcuni Cube, destintati alle utenze di processo non interrompibili, sono stati previsti con Inverter ridondante in aggiunta, dove la criticità di processo è massima, è stata prevista una doppia alimentazione, sia da rete che tramite UPS. Per gli inverter di grossa taglia è stata adottata, dopo uno scrupoloso ma necessario studio, una configurazione di tipo AFE (Active Front End) in quanto è stata abbracciata la filosofia, dettata dalla IEEE519, di minimizzare le armoniche verso rete. Per gli inverter di piccole potenze è stata valutata idonea la configurazione classica a 6 impulsi grazie a un analisi, presentata già in fase d offerta, atta a definire lo scarso apporto di THD di tali elementi rispetto alla totalità dell impianto. 5

8 Riccardo Di Noi & Andrea Biancato ethanol with the aid of microbes, yeast and water. Brewer's yeast is the most commonly used agent for this process. 5. "Product Separation" commonly called Distillation. In the final stage of the process, the broth produced from the fermentation stage is treated. In a separate column, the ethanol produced from the fermentation residue is separated. The ethanol stream flows out of the top of the column, whereas the solid fraction is recovered from the bottom. The lignin, having a high calorific value, is sent to a boiler to allow self- sufficiency and a perfect energy integration of the entire process. A final centrifugation treatment is then carried out which separates the liquid part (stillage) from the solid part (wet cake) of the process residues. A part of the stillage is recycled in the production process while the remainder is concentrated in an evaporator. Thanks to the research and development conducted by the Mossi & Ghisolfi Group, a new green fuel has been created in Italy which is produced from non-food biomass, locally cultivated on marginal and sustainable land viewed from an environmental and economic perspective. This is, therefore, good news for consumers who are always struggling with the continual increases in the price of petrol and other traditional fuels. SCOPE OF SUPPLY The Cube boards will find space in the production process structured as above. In addition to the various auxiliary circuits, particular relevance has been given to the use of our Inverters for: 1. The main engine of the "Grinder"; 2. The blower for the pre-treatment and fermentation; 3. The agitator and the pump for the hydrolysis; 4. The pumps for the production of the "stillage"; 5. The pumps for the "stillage" evaporation towers; The main characteristics of the proposed drive are: the GT 3000 series which operates at 400 V to 690 V with power outputs from 1.5 kw to 400 kw; the GT 3000 LARGE series which operates at 690 V with power outputs up to 900 kw; the integrated STO (Safe Torque Off) function; class 2 scaling - heavy-duty cycle - 150% overload 1 min. every 10; profibus communication with control and supervision of the DCS system. some "Cubes", designed for non-interruptible process users, have been provided with redundant Inverters. in addition to this, where the process criticality is a maximum, the drive will be provided with a double power supply both from the mains and via the UPS. INNOVATION 6

9 La configurazione AFE, basata su tecnologia ad IGBT, permette uno scambio di potenza con la linea di sola potenza attiva (cosф prossimo ad uno) pur mantenendo le correnti di linea sinusoidali. Le caratteristiche principali dell AFE sono: Funzionamento a 4 quadranti con possibilità di recupero dell'energia in rete (eliminazione di sistemi frenanti dissipativi con riduzione degli ingombri e degli sprechi di energia). Controllo della tensione DC bus ad un valore impostabile: questo permette un dimensionamento ottimale dei motori e permette di compensare eventuali fluttuazioni della tensione di rete. Scambio con la rete di sola potenza attiva (non c è scambio di componenti reattive). Correnti di linea sinusoidali (basso contenuto armonico). Le correnti assorbite da un sistema non controllato (es. ponte a diodi trifase) presentano una forma distorta. Questo provoca stress alla linea e ai condensatori del DC Bus, limitandone il tempo di vita. Si arriva a un fattore di distorsione armonica (THD) minore al 3 % grazie ad opportuni filtri (Filtri Clean Power). Possibilità di compensare carichi induttivi o capacitivi. CONCLUSIONI Questo contratto di fornitura rappresenta sicuramente un risultato interessante nel segmento delle energie rinnovabili destinato a crescere nei prossimi anni, esso rappresenta inoltre un esempio del costante impegno di molte aziende verso la ricerca di nuove soluzioni volte all incremento di produzione di energia pulita. Answer Drives è da sempre impegnata in questa sfida verde e come sempre si è presentata come partner costruttivo e pronto a collaborare in modo fattivo con il cliente per il raggiungimento dell obiettivo: determinante, in fase di proposta tecnica e trattativa, è risultato infatti l apporto ingegneristico nelle valutazioni tecniche e nelle scelte progettuali che ne sono scaturite. Obiettivo, in questo caso, pienamente raggiunto grazie anche alla soluzione inverter da noi proposta adatta ad applicazioni caratterizzate dalla presenza di utenze, sia in termini di main drives che di auxiliary drives, la cui gestione implica un elevato livello di controllo. For large size inverters, after a painstaking but necessary study, an AFE (Active Front End) type configuration was adopted incorporating the philosophy dictated by IEEE519 for minimising the harmonics in the power supply network. For small power inverters, an appropriate 6-impulse classic configuration was estimated thanks to the analysis already presented during the offer phase, and aimed at defining the low THD contribution of these items compared to the overall system. The AFE configuration, based on IGBT technology, allows an exchange of power with the only active power line (cosф near to one) while maintaining the sinusoidal line currents. The main characteristics of the AFE are: 4-quadrant operation with the possibility of energy recovery in the network (elimination of dissipative brake systems with reduction of clutter and waste of energy). Control of the DC bus voltage to a set value: this allows for optimal scaling of the motors and compensates for any fluctuations in mains voltage. Exchange with the only active power network (there is no exchange of reactive components). Sinusoidal line currents (low harmonic). The current absorbed by a non-controlled system (e.g. a three-phase diode bridge) has a distorted form. This causes stress to the line and to the DC bus capacitors, thus limiting their lifetime. The factor of harmonic distortion (THD) is less than 3% thanks to appropriate filters (Clean Power Filters). The ability to compensate for inductive or capacitive loads. CONCLUSIONS This supply agreement is certainly an interesting result in the renewable energy sector which is destined to grow in the coming years. It is also an example of the continued commitment of many companies to search for new solutions aimed at increasing the production of clean energy. Answer Drives has always been committed to this "green" challenge and, as always, has presented itself as a constructive partner that is ready to work in a proactive way with the client to achieve the objective: the decisive factor in the technical proposal and negotiation phase was, in fact, the engineering contribution in the technical assessments and in the design choices that subsequently resulted. The objective in this case was fully achieved thanks to the inverter solution that we proposed which is suitable for applications characterised by the presence of users with respect to both main drives and auxiliary drives, the management of which requires a high level of control. 7

10 Piero Angela Technological control functions in plate mills INTRODUCTION In the last years Ansaldo Sistemi Industriali got contracts for supply electrical and automation equipments for Plate Mills. All these customers required strict dimensional performances and production of special steels with particular processing targets. Starting from previous experiences coming from Hot strip mills and Steckel mills, the automation system able to guarantee the market production targets for this kind of plants has been developed and commissioned with very good results. The paper presents the Technological automation functions for the Hot area of a typical two stand wide Plate Mill. THE PLATE MILL The plate rolling process has the purpose to transform a caster produced slab into one or more thinner and wider plates. The cold slab is taken from the Slab Yard where is stocked after the continuous casting process, and charged into the reheat furnace for heating to a temperature of C. When the slab reaches the target temperature, it is discharged from the reheat furnace, passes through the descale box and Fig. 1 - Typical Plate Mill layout Fig. 1 - Un tipico impianto per produzione lamiere is moved to the roughing mill stand, where it is reduced to an intermediate thickness bar; moreover, it is rotated and rolled to reach the final target width. At the end of the roughing stand passes, the bar is moved to the finishing stand where it is reduced to the final thickness at the target temperature. The recording of plate rolling at the finishing stand in 5 passes is presented above. INNOVATION 8

11 The plate exiting the mill, passes through the accelerated cooling, reaches the hot leveller and is charged on the cooling bed to reach environment temperature for further processing in the cold area (side trim, cut to length). Plate rolling is composed by four phases called sizing, broadsiding, roughing and finishing. The peculiar characteristic of the process is that the piece is rotated two times, one after the sizing and one after the broadsiding phases: this is needed to reach the final plate width starting from the initial narrower slab width. THE AUTOMATION SYSTEM The automation system is organized in a hierarchical way following the ARTICS system layout: level 1 automation is TYPICAL NUMBERS DESCRIBING CAPABILITY OF PLATE MILL Main Features Values Entry thickness mm Entry width mm Entry length mm Exit thickness mm Exit width mm Exit length mm Main motor power (Rougher) 6 8 MW Main motor power (Finish) 8 10 MW Rolling force 7,000-10,000 kn Production 1.4 millions tons/year Thickness performance ± 1 % to ± 1.2 % Width performance 0 20 to 0 30 mm Controlli tecnologici nei laminatoi per lamiere INTRODUZIONE Negli ultimi anni, Ansaldo Sistemi Industriali (ASI) ha acquisito alcuni contratti per fornire la parte elettrica e l automazione di impianti di laminazione. Per queste commesse sono richieste performance dimensionali molto rigide e una capacità di produrre acciai speciali con particolari caratteristiche di processo. Grazie all esperienza acquisita nei laminatoi a caldo (sia continui che steckel), è stato possibile sviluppare e installare un sistema di automazione capace di garantire gli obiettivi produttivi richiesti dal mercato per questo genere di impianti. Il seguente articolo presenta le caratteristiche tecnologiche del sistema di automazione per l area a caldo di un tipico laminatoio per lamiere a due gabbie. LA LAMINAZIONE Il processo di laminazione ha lo scopo di trasformare la bramma prodotta dalla colata in una o più lamiere, più sottili e più larghe. La bramma fredda viene presa dal parco bramme, dove è immagazzinata dopo la produzione e viene caricata nel forno per essere scaldata con temperature fino a C. Quando raggiunge la temperatura predefinita, la bramma viene scaricata dal forno, passa attraverso la discagliatrice e viene portata nella gabbia sbozzatrice, dove è ridotta ad una barra di spessore intermedio e viene ruotata e laminata per ottenere la larghezza finale prefissata. Successivamente al passaggio nella gabbia sbozzatrice, la barra viene portata alla gabbia finitrice e ridotta allo spessore finale. A fianco (fig. 4) è visualizzata la registrazione della laminazione nella gabbia finitrice in 5 passate. La lamiera così ottenuta, passa attraverso la zona di raffreddamento accelerato, raggiunge la spianatrice a caldo e viene caricata sui letti di raffreddamento. Raggiunta la temperatura ambiente, sarà sottoposta ad un ulteriore fase di lavorazione nell area a freddo (rifilatura, taglio a lunghezza). composed by AMS racks connected through high speed network; HMI is managed on Windows PCs linked to AMS with Ethernet network; Level 2 Windows based servers are connected to level 1 with dedicated network and exchange data over Ethernet with other systems as the Reheat Furnace level 2 and the Level 3 production planning computer. The level 1 automation provides the automatic sequencing of the plant operations from reheat furnace discharging to cooling La laminazione delle lamiere è composta da 4 fasi chiamate: sizing, broadsiding, roughing and finishing. La caratteristica peculiare del processo è la doppia rotazione del pezzo che appunto viene ruotato due volte, una dopo la fase sizing e una dopo la broadsiding; tale azione consente di raggiungere la larghezza finale desiderata. IL SISTEMA DI AUTOMAZIONE Il sistema di automazione è organizzato in maniera gerarchica seguendo lo schema del sistema ARTICS: l automazione di livello 1 è composta da quadri AMS connessi con una rete ad alta velocità; l HMI è realizzato su PC Windows collegati agli AMS via rete ethernet; i server di livello 2 su sistema Windows, sono connessi al livello 1 con rete dedicata e scambiano dati via ethernet con altri sistemi quali il livello 2 dei forni di riscaldo e il livello 3 di programmazione della produzione. 9

12 Piero Angela Sizing Phase Broadside Phase Roughing & Finishing Phase RM RM FM RM Fig. 3 - Typical Plate Rolling Fig. 3 - Tipica laminazione delle lamiere DS/OS Load cells Roll forces (tons) Gaugemeter thickness and roll gap Pyrometer Temperatures Cº: Descaling, stand entry and stand delivery Top/Bottom Main motor torque (%) Top/Bottom Main motor speed (rpm) Fig. 4 - First plate 30 mm at Finishing Mill stand (PRC) bed entry and all the control loops for driving the mechanical and electrical parts. The Level 2 automation receive the production planning from the level 3, track the piece from the reheat furnace entry to the cooling bed, compute the rolling schedule for obtaining the final plate characteristics and collect plant measurements to send back to level 3 the production results. Fig. 4 - Lamiera di 30 mm alla gabbia finitrice (Cina) TECHNOLOGICAL CONTROL FUNCTIONS The ASI automation system provides all the functions to drive automatically the piece processing along the plant. Particularly it supplies the controls that take care of obtaining the production with the target requirements of quality. These functions are defined as the technological control and are here briefly illustrated. Rolling Schedule Calculation Purpose of the function is to calculate the reductions and speeds on the two stands so to reach the required plate final dimensions and temperature and to maximize the production rate. The calculation is divided in two main modules: Rolling Strategy: calculates the number of passes and the drafts for all the rolling phases Rolling Parameters: calculates the rolling speed, forces, torque basing on the strategy results. INNOVATION 10

13 L automazione di livello 1 provvede al sequenziamento automatico dell impianto dallo scaricamento del forno fino all entrata nei letti di raffreddamento, insieme a tutti gli anelli di controllo per comandare gli apparati elettrici e meccanici. L automazione di livello 2 riceve il programma di produzione dal livello 3, insegue il pezzo dall uscita del forno di riscaldo all ingresso nei letti di raffreddamento, calcola la scheda di laminazione per ottenere le caratteristiche finali della lamiere e acquisisce le misure di impianto per riportare al livello 3 i risultati della produzione. Il sistema di automazione ASI fornisce tutte le funzioni per comandare automaticamente la lavorazione del pezzo nell impianto. In particolare esso dispone di controlli che consentono di ottenere la produzione desiderata con parametri di qualità elevata. Queste funzioni sono definite controlli tecnologici e sono qui di seguito brevemente illustrati. Calcolo scheda di laminazione Scopo della funzione è calcolare le riduzioni e le velocità sulle due gabbie per raggiungere le dimensioni finali richieste, la temperatura e per massimizzare la produttività. Il calcolo è diviso in due moduli principali: Strategia di laminazione: calcola il numero di passate e le riduzioni per tutte le fasi Parametri di laminazione: calcola le velocità, forze, coppie basandosi sul risultato della strategia. Il calcolo è l esecuzione iterativa dei due moduli attuata fino a che gli obiettivi di spessore, larghezza, temperature e produzione non sono raggiunti. La strategia è basata sull ottimizzazione dei carichi di coppia per la gabbia sbozzatrice e dipende dal controllo della planarità della gabbia finitrice. La predizione dei parametri di laminazione è basata su accurati modelli adattivi per la deformazione del materiale e l evoluzione della temperatura. La scheda viene calcolata per ogni pezzo da laminare usando la temperatura attuale e le condizioni dell impianto; inoltre viene aggiornata al termine di ogni passata di laminazione partendo dalle misure acquisite, migliorando la precisione. Quando la laminazione del pezzo è terminata, le misure acquisite vengono elaborate e i parametri dei modelli vengono aggiornati per essere utilizzati per i calcoli dei pezzi successivi. Controllo di posizione dei cilindri Il controllo della posizione dei cilindri è gestito attraverso l azione combinata dei vitoni elettromeccanici sopra alla gabbia e le capsule idrauliche. I vitoni vengono usati per la modifica del set di posizione tra le passate, mentre le capsule vengono usate per la compensazione della pass line e il controllo dello spessore. Il controllo di posizione delle capsule è l anello più veloce nel sistema, con un tempo di ciclo che scende fino a 2 ms, comandando il flusso di olio nelle servo-valvole in base al feedback dei trasduttori di posizione. Controllo di spessore Il controllo di spessore ha lo scopo di ottenere uno spessore costante per tutta la lunghezza della lamiera durante ogni passata di laminazione. Inoltre è responsabile di controllare che la riduzione sia uniforme sui due lati della gabbia, in modo da evitare problemi di sciabolatura (controllo di livellamento). La base del controllo è il modello di stima dello spessore a partire dalla posizione dei cilindri e dalla forza di laminazione attraverso la curva di cedimento della struttura della gabbia; sono anche considerati i contributi del film d olio, dell espansione termica e dell usura dei cilindri. Inoltre, quando è disponibile il valore del misuratore di spessore (raggi gamma), il modello viene adattato comparando la stima con il dato attuale. L uscita del controllo è una correzione alla posizione dei cilindri che viene applicata usando il controllo delle capsule idrauliche (HGC). Controllo di forma Il comportamento intrinseco della laminazione nella fase di broadsiding porta all ottenimento di una forma non perfettamente rettangolare del prodotto finito: per ottenere la forma rettangolare, è necessario usare la cesoia per tagliare testa e coda e la rifilatrice per le parti laterali. La quantità di materiale da tagliare può essere ridotta applicando la strategia del profilo di spessore tapered durante le fasi di sizing e broadsiding. Il profilo è calcolato dal livello 2 basandosi sulla quantità di elongazione applicata durante la fase di broadsiding. Esso viene applicato all ultima passata sizing e all ultima passata broadsiding dalla funzione di controllo di spessore. Il risultato dell applicazione di questa funzione è il miglioramento delle prestazioni di resa (meno scarto di materiale da tagliare). Laminazione Termomeccanica e Raffreddamento Accelerato Per molti prodotti è richiesto un miglioramento della resistenza, duttilità e saldabilità dell acciaio. L affinazione del grano è uno dei metodi più efficaci per raggiungere questa caratteristica e viene applicato usando il processo di laminazione termomeccanica, cioè la deformazione senza recristallizzazione e il processo di controllo termomeccanico, che combina la laminazione termomeccanica con il raffreddamento accelerato. Nella laminazione termomeccanica, le riduzioni finali sono eseguite soltanto quando la temperatura è sotto un determinato valore, in modo che il pezzo venga deformato in una fase definita. La laminazione viene sospesa prima che il pezzo entri nella gabbia finitrice e fino a che lo stesso si raffreddi raggiungendo la temperatura indicata (generalmente appena sotto il valore di recristallizzazione). Da qui, il pezzo viene laminato allo spessore finale. Il tempo di raffreddamento viene calcolato dai modelli matematici: il livello 1 controlla il pirometro davanti alla gabbia finitrice per confermare che la temperatura desiderata sia stata raggiunta. Siccome il tempo di raffreddamento in aria può essere 5-10 minuti o più, il laminatoio viene pesantemente rallentato. Così viene applicata la strategia di 11

14 Piero Angela Entry RHF HMI RM area HMI FM area HMI HPL area HMI #1 #1 To other system ETHERNET #2 ADT HMI Sever #4 #4 Computer Room Level 2 Main Level 2 Backup #3 RDB Main #1 L1 & L2 Engeneering WS DAS Server #4 #2 #1 Maintenance & Engineering WS Configuration Unit #4 #2 #2 #1 AMS1 AMS2 AMS3 AMS4 AMS5 Slab discharg entry roller table descaling Roughing mill controls Finishing Mill controls Mill Area Auxiliary System logics HPL controls Cooling System controls Fig. 5 - Automation system layout for Hot Plate Mill area The calculation is an iterative execution of the two modules until the requirements for thickness, width, temperature and production are reached. Rolling strategy is based on the optimization of torque loads at the roughing stand and on shape control requirements on finishing stand; Rolling parameters prediction is based on accurate adaptive material deformation and temperature evolution models. Schedule is calculated for each piece to be rolled using actual temperature and plant conditions; moreover schedule is updated after every rolled pass starting from the collected measurements, increasing the prediction precision. When piece rolling is terminated, collected measurements are Fig. 6 - Level 2 HMI page for piece tracking Fig. 6 - Pagina HMI di livello 2 per il tracking di pezzo Fig. 5 - Schema del sistema di automazione per l area a caldo processed and model parameters are updated so to be used for next pieces schedule calculation. Roll Gap Control The roll gap position is managed through the combined action of mechanical screwdowns on the top of the stand and hydraulic capsules placed on the bottom. Screwdowns are used for the inter-pass gap change, and the capsules for pass line compensation and in-pass thickness control. Capsule position control is the fastest loop in the system with cycle time down to 2 ms, using position transducers feedback to manage the servovalves flow. Thickness Control The thickness control has the target to obtain constant thickness along the length of the plate during every rolling pass. Moreover it is responsible for controlling that the reduction is uniform on the two sides of the mill stand, so avoiding camber problems (steering control). The key of the thickness control is the thickness estimation model based on the actual rolls gap and rolling force through the mill stretch curve; contribution of oil film, roll thermal crown and wear are also considered. Moreover, when measurement from the thickness gauge (Gamma ray) is available, the model is adapted comparing the estimation with the actual value. The output of the control are corrections to the roll gap position, INNOVATION 12

15 Fig. 7 - Level 1 HMI page for stand overview that are applied using Hydraulic gap control (HGC). Pattern Control The intrinsic behaviour of the plate rolling with the broadsiding phase leads to the generation of a not rectangular pattern shape for the finished plate: to give plate the final rectangular pattern, the use of shear for head and tail ends and side trimming for the sides is needed. Anyway the amount of material to be cut can be reduced by applying the so called tapering thickness profile strategy during sizing and broadsiding phases. Tapered thickness profile is calculated by the level 2 mainly basing on the amount of elongation applied to the piece during the broadsiding phase. It is applied to the last sizing and broadsiding passes by the thickness control function. The result in applying this function is to improve yield performance (less material scrap to be cut at the end). + Fig. 7 - Pagina HMI di livello 1 per supervisione della gabbia In Thermomechanical rolling, the final reductions are executed when the temperature is below a given value so that the piece is deformed in a defined material phase. Rolling is suspended before entering the finishing stand until piece is cooled down to a specified temperature that is generally just below the re-crystallization value. Then the piece is rolled to the final thickness. The cooling time is calculated by the mathematical models and level 1 checks the pyrometer value in front of the finishing stand to confirm that THICKNESS CALCULATION AGC Monitor correction Stand Measures MONITOR CONTROLLER h mea Thermomechanical Rolling & Accelerated Cooling Improvement of strength, toughness, ductility and weldability of steels is requested for many products. Grain refinement is one of the most effective methods, to achieve this market demand and it is applied using Thermomechanical Rolling Process (TM), i.e. deformation without recrystallization and Thermomechanical Controlled Process (TMCP), which combines thermomechanical rolling with accelerated cooling. h ref - + e h h calc THICKNESS CONTROLLER Fig. 8 - Thickness Control pos ref HGC h Thickness gauge Fig. 8 - Controllo spessore 13

16 Piero Angela Fig. 9 - Rolling schedule for 80 mm plate Fig. 9 - Scheda di laminazione per lamiera da 80 mm the target temperature is reached. Because time to cool down by air the piece can be 5-10 minutes or more, the mill is dramatically slowed down. Batch rolling sequencing is so applied to the mill to guarantee a higher production rate: the space in between the two stands is used as storage bay for the bars waiting for cooling, so that the effective time for cooling the pieces is reduced. When, it is necessary to cool down plate temperature after rolling with a certain rate to get the requested mechanical properties for particular applications (like shipbuilding, off-shore construction), the Accelerated Cooling zone is used. h ref Tapering Lengths Tapared Thickness Piece length It is composed by a set of laminar water sprays over the roller table and a set of water sprays under: each unit is equipped with servovalve and water flow value control is performed with the presence of flow meters. Mathematical models calculate the cooling units pattern and flows and the piece speed to reach the target temperature with the given cooling rate, starting from the mill exit measured temperature. The automation system takes care of the water valve flow setup and leads the plate into the cooling zone with the reference speed. When the plate reaches the exit pyrometer, the mathematical model is adapted basing on the actual temperature measurements, speed and water flow. Fig Tapered thickness profile Fig Tapered thickness profile Hot Leveller Control Residual longitudinal stresses coming from rolling and cooling process, are compensated using the Hot Leveller machine. Basically, the leveller performs a sort of stretching of the material by driving it through a number of rolls, set at a calculated gap and able to impress a calculated tension on the material in different ways: bending modifies the deflection of the rolls, skewing applies different gap opening from entry to exit roll, tilting gives different position to operator and motor side gap. Mathematical models calculate the levelling schedule basing on actual plate temperature and on flatness informations given by the operator Stand Stand Fig Batch rolling Fig Laminazione a lotti INNOVATION 14

17 Adaption Spray Pattern and Flow Rates Roller table speed Plate cooling Setup Model PRIMARY DATA Exit Temperature Entry Temperature Fig Plate Cooling Control diagram Fig Schema del controllo zona di raffreddamento laminazione a lotti in modo da garantire un valore di produttività più alto: lo spazio tra le due gabbie viene utilizzato come zona magazzino per le barre che aspettano di raffreddarsi, in questo modo il tempo effettivo di raffreddamento viene ridotto. Quando è necessario raffreddare la lamiera con una certa intensità per raggiungere le proprietà meccaniche richieste per applicazioni particolari (come costruzioni di navi o piattaforme off-shore), viene utilizzata la zona di raffreddamento accelerato. Si tratta di un insieme di getti laminari di acqua sopra e sotto il nastro: ogni unità è equipaggiata con servo valvole e il flusso è controllato utilizzando misuratori di portata. I modelli matematici calcolano la configurazione di raffreddamento, la portata d acqua e la velocità del pezzo per raggiungere la temperatura desiderata con il cooling rate imposto, partendo dalla misura di temperatura in uscita. Il sistema di automazione si occupa di gestire il setup di portata delle unità di raffreddamento e muovere la lamiera nella zona di raffreddamento con la velocità di riferimento. Quando la lamiera raggiunge il pirometro di uscita, il modello matematico viene adattato in base alle attuali misure di temperatura, velocità e portata d acqua. Fig Hot Leveller Fig Spianatrice a caldo Controllo spianatrice La spianatrice a caldo si occupa di compensare le differenze di tensione longitudinale che possono essere introdotte dal processo di laminazione e raffreddamento. Principalmente, si tratta di un allungamento del materiale all interno dei cilindri che sono posizionati ad un certo valore di apertura, in modo da imporre un determinato valore di tensione sulla lamiera in differenti modi: il bending modifica l inflessione dei cilindri, lo skewing applica differenti aperture dei cilindri tra ingresso e uscita, il tilting applica differenti aperture tra lato motore e lato operatore. I modelli matematici calcolano la scheda per la spianatrice in base alla temperatura attuale e alle informazioni dell operatore sulla planarità della lamiera. 15

18 Roberta Gatti & Sergio Murgia Our automation system for a continuous tandem mill coupled with pickling line INTRODUCTION The cold rolling is one of the main sectors for rolling flat products. In the last 3 years Ansaldo Sistemi Industriali (ASI) acquired 20 cold rolling plants, of which 17 from a major Chinese customer, who demonstrated to be very satisfied of our automation systems developed in our Genoa factory (with the support of our office in Beijing). The paper presents the state of art of what is normally considered the most comprehensive and significant type of cold rolling plant: the continuous tandem mill coupled with pickling line. In Italy we call it decatreno (fig. 1). THE PLANT AND ITS REQUIREMENTS The purpose of a cold rolling mill is to reduce the thickness of the entering coils of steel (coming from a hot strip mill) to a defined target with great accuracy, guaranteeing the best surface quality of the final strip and high plant productivity: note that a rolling mill usually works 24h/7d. There are more than one different type of mills able to reach these targets, smaller or larger depending on productivity and final product characteristics. The largest one is composed by a set of rolling stands (usually 5) able to reduce the steel thickness by means of pressure (fig. 2, rolling force), created by hy- Fig. 1 - The continuous tandem mill coupled with a pickling line. Fig. 1 - Il decatreno INNOVATION 16

19 draulic capsules and exercised by 2 work rolls on the strip itself; and by means of the tensions between one stand and the others (interstand tensions); 4 or, as in the picture, 6 rolls in total are present in each stand for giving the suitable stiffness to the whole assembly. The plant inserted in fig. 2 is a coil-to-coil tandem mill: each coil is inserted into the mill, is rolled and is extracted when it has finished. Its productivity, in addition to stability of operations, can definitively increase if the coil-to-coil process is transformed into a continuous process by welding the head of a coil to the tail of the previous one: in this way, the tandem can roll continuously, without stopping and restarting when a coil finishes. Because welding machines require the strip to stop for a while, an accumulator (looper) is necessary in order to not stop rolling at the tandem mill (see fig. 1, where vertical loopers are showed, but horizontal structures are often used). A flying shear located at tandem exit cuts the strip when a new coil has been formed on the coiler so that the process turns back to be discontinuous. Much time can pass after hot rolling and before cold process, rust is formed on the metal and it must be eliminated from the surface of the strip before it is rolled by having the strip passed inside tanks filled with a solution of water and hydrochloric acid; this can be done in pickling line before the coils reaches the tandem mill, or, more efficiently, the pickling line can be directly inserted between the welding machine and the 1 st stand; additional loopers are required upstream of the stands to decouple the different phases giving maximum flexibility to such a plant, which can now reach 300 m length and accumulate 2000 m of strip in the loopers (see again fig. 1). Il nostro sistema di automazione per un decatreno INTRODUZIONE La laminazione a freddo è uno dei principali settori della laminazione dei prodotti piani ed ASI ha acquisito, negli ultimi 3 anni, 20 impianti di questo tipo, di cui ben 17 da un grosso cliente cinese, particolarmente soddisfatto dei nostri sistemi di automazione; questi vengono sviluppati dai colleghi della sede di Genova (col supporto della sede di Pechino) e l articolo si pone lo scopo di illustrare lo stato dell arte di quello che è normalmente ritenuto il più completo e significativo dei numerosi impianti dell area a freddo, il tandem continuo con decapaggio; noi italiani lo abbreviamo con decatreno (fig. 1). L IMPIANTO E I SUOI REQUISITI Lo scopo del laminatoio a freddo (chiamato anche tandem a freddo) è di ridurre ad un ben definito target e con grande accuratezza lo spessore dei rotoli di acciaio in ingresso (provenienti da un laminatoio a caldo), garantendo la migliore qualità superficiale del nastro finale ed una elevata produttività dell impianto: si noti che un laminatoio normalmente lavora 24 ore al giorno, 7 giorni su 7. Esistono vari tipi di laminatoi capaci di raggiungere questi target, più o meno grandi a seconda della produttività e delle caratteristiche del prodotto finale. Il più grande è composto da un certo numero di gabbie di laminazione (di solito sono 5) che riducono lo spessore dell acciaio sia per mezzo della pressione (fig. 2, rolling force) generata da capsule idrauliche ed esercitata sul nastro da due cilindri di lavoro (work rolls) che per mezzo dei tiri tra una gabbia e l altra (interstand tension); in ciascuna gabbia ci sono 4 o, come in figura, 6 cilindri per conferire una adeguata rigidità all intera struttura. L impianto mostrato in fig. 2 è un laminatoio coil-tocoil: ogni rotolo viene introdotto nel laminatoio, viene laminato ed estratto una volta che è terminato. La produttività, oltre che la stabilità delle operazioni, può certamente aumentare se il processo discontinuo coil-to-coil viene trasformato in continuo, e questo si fa saldando la testa di un rotolo alla coda del rotolo che lo precede: così facendo, il tandem può laminare continuativamente, senza doversi fermare e ripartire ogni volta che il rotolo finisce. Poiché le saldatrici richiedono che il nastro si fermi per un poco per la saldatura, è necessario un accumulatore (looper) per non far fermare la laminazione al tandem quando il nastro è fermo alla saldatrice (in fig. 1 sono mostrati looper verticali, ma più spesso si utilizzano strutture orizzontali). Una cesoia volante (flying shear) all uscita del tandem taglia il nastro quando un nuovo rotolo sull aspo avvolgitore si è completato e il processo ritorna così ad essere discontinuo. 17

20 Roberta Gatti & Sergio Murgia Work rolls Rolling force Rolling stand Interstand tension Fig. 2 - Tandem mill applies forces and tensions to reduce the strip thickness. Fig. 2 - Il laminatoio riduce lo spessore del nastro per mezzo di forze e di tiri A few numbers taken from a typical plant can give an idea of the complexity of the cold rolling process and, as a consequence, of its automation system (tab. 1): this real-time control system must deal with a highlyinterconnected fast process and must guarantee accuracy, reliability and productivity by means of efficient generation of references for a large number of control loops able to run at cycle times of a few ms, connected to many actuators, sensors and supervision stations. Entry thickness mm Exit thickness mm Thickness measure accuracy ± 0.01 % Total thickness reduction up to 90 % Exit speed 20 m/s Main motor power (5 stands) MW Rolling forces 10,000 kn Interstand tensions MPa Thickness performances ± 1 3 % exit thickness in 98 % of the strip body Flatness performances (see details ± 8 12 I.U. (fiber differential in the Flatness paragraph) elongation = ± μm per 1 rolled meter) Production 1.2 millions tons per year Tab. 1 - Some typical data summarize the high-demanding capabilities requested from a modern cold rolling mill Tab. 1 - Alcuni valori tipici riassumono le stringenti richieste di prestazioni per un moderno laminatoio a freddo THE AUTOMATION SYSTEM Fig. 3 illustrates in a very simplified way the theoretical scheme of our automation systems, while fig. 4 presents the automation layout for the continuous mill: Level 1: includes many regulators which control position or pressure of the hydraulic capsules, tension and thickness of the strip, speeds of the motors, and so on: inner and outer loops, concurrent loops, decoupling actions and on-line gain calibrations are often necessary; the level 1 also manages logic, sequences, hydraulics, communication with the field (sensors, actuators, electrical drives, operator desks, etc.). Data acquisition is used to investigate details in regulators. Level 2: the references to be sent to the regulators change depending on the different products to be rolled (production programs comes from the production management department level 3) and/or due to the intrinsic tempo-variance of the plant (e.g., work rolls heat up and wear) so that they are recalculated by dedicated mathematical models for each new piece (consider many tens of pieces per day); measures are collected for autoadapting the models piece-by-piece and for certifying the quality of each coil produced. INNOVATION 18

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