西門子PLC在板坯連鑄系統(tǒng)中的應(yīng)用

本文主要介紹了板坯連鑄的生產(chǎn)工藝及其系統(tǒng)概況，以及西門子PLC在柳鋼4#坯連鑄機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：PLC 連鑄機(jī) 遠(yuǎn)程站 變頻器 Profibus-DP

Application of Siemens PLC In Billet Caster

Abstract：This text mainly introduce the production craft of the billet caster and its system general , also the application of siemens PLC in NO.4 billet caster of Liugang.
Key Words: PLC Caster Remote station Transducer Profibus-DP

一、概述

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著連鑄機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得冶金行業(yè)對(duì)連鑄的高效化有了更高的要求。提高連鑄的自動(dòng)化水平，對(duì)保證鑄坯質(zhì)量、提高連鑄機(jī)的勞動(dòng)生產(chǎn)率、增加鑄機(jī)的金屬收斂率，以及減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度都起到至關(guān)重要的作用。柳鋼轉(zhuǎn)爐廠的4#板坯連鑄機(jī)，屬于立彎式直弧形連鑄機(jī)，弧形半徑達(dá)9米，可生產(chǎn)寬1400~1800毫米、厚180~250毫米規(guī)格的板坯。在該板坯的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，西門子PLC及其網(wǎng)絡(luò)以其接口簡單、組態(tài)方便、編程容易、實(shí)時(shí)性強(qiáng)而得到廣泛應(yīng)用。


二、生產(chǎn)工藝簡介

工藝流程圖如：

三、系統(tǒng)介紹

根據(jù)板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，該自動(dòng)化信息系統(tǒng)分為二級(jí)，即1級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)和2級(jí)過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，帶有部分管理功能。L1是一套完整的電/儀一體化控制系統(tǒng)，其主要作用包括：一、完成各工藝裝置的邏輯/順序控制和操作，工藝參數(shù)的設(shè)置；二、工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)的顯示和報(bào)警及工藝流程畫面的監(jiān)控；三、過程控制及計(jì)算機(jī)的通信等。L2的功能包括鑄機(jī)的模型計(jì)算、參數(shù)設(shè)定、質(zhì)量跟蹤等。

在網(wǎng)絡(luò)配置上，上位機(jī)（winccc操作站）與PLC之間通過光纖收發(fā)器轉(zhuǎn)換為100Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)（Industry Ethernet）相連，通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。各PLC的CPU之間的數(shù)據(jù)共享通過MPI接口連接實(shí)現(xiàn)。PLC與遠(yuǎn)程I/O、變頻器之間的通訊通過Profibus-DP網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。Profibus-DP主要用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制功能，是一種高速低成本通訊，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的延伸。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如下所示：

1、 人機(jī)接口HMI

自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件采用SIEMENS 公司的PCS7 V5.2軟件包，PLC控制系統(tǒng)軟件采用STEP 7 V5.2版本編程，上位機(jī)HMI監(jiān)控系統(tǒng)采用WinCC V5.1版本編程。該系統(tǒng)通過軟件組態(tài)編程實(shí)現(xiàn)過程控制所必要的全部監(jiān)控功能，包括澆注過程中各種設(shè)備狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示、電氣設(shè)備的CRT操作及顯示、操作模式的選擇以及故障報(bào)警、操作記錄、實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)曲線等。從而滿足工藝模型自動(dòng)控制、工況監(jiān)測(cè)、安全生產(chǎn)、介質(zhì)消耗計(jì)量等要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的人機(jī)接口功能。

2、 基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)

由于西門子PLC具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；編程方便，功能完善，易于使用；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便；維修方便，維修工作量小；適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，所以該控制系統(tǒng)以 西門子PLC 控制裝置為核心。該系統(tǒng)由公用PLC、鑄流PLC、儀表PLC、切割PLC和各遠(yuǎn)程站組成，各PLC采用德國西門子公司最新型的PLC S7-400、300系列產(chǎn)品，遠(yuǎn)程站I/O采用德國圖爾克的產(chǎn)品，各部分PLC的主要功能如下：

公用PLC：主要完成對(duì)大包回轉(zhuǎn)臺(tái)及包蓋的旋轉(zhuǎn)、升降的控制，中間罐車行走、升降、橫移對(duì)中控制，液壓系統(tǒng)控制，切割前、切割下、切割后和出坯輥道、推鋼機(jī)的控制，脫引錠裝置，引錠桿存放及對(duì)中裝置以及切頭切尾輸出裝置的控制。

鑄流PLC：主要完成扇形段2~13段的驅(qū)動(dòng)輥升降和傳動(dòng)控制，夾緊輥的壓力轉(zhuǎn)換控制、引錠桿及鑄坯位置的跟蹤控制、結(jié)晶器調(diào)寬和振動(dòng)控制。

儀表PLC：主要完成結(jié)晶器冷卻水流量和壓力的控制、二次設(shè)備冷卻水、二次噴淋水的流量調(diào)節(jié)和壓力的控制，以及其他過程參數(shù)的設(shè)定、采集、監(jiān)視及回路調(diào)節(jié)等。

切割PLC：主要完成對(duì)火焰切割機(jī)大車行走、切割槍的行走、定位控制，切割下輥道的升降，切割后輥道的控制。

各遠(yuǎn)程站： 主要是根據(jù)控制功能區(qū)域的不同，把整個(gè)系統(tǒng)劃分為分散式的控制單元，利用Profibus總線將PLC所要采集和控制的點(diǎn)分散到現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)、箱中。在現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)、箱內(nèi)（如大包操作臺(tái)、切割操作臺(tái)、出坯操作臺(tái)等）設(shè)置I/O站，實(shí)現(xiàn)分散遠(yuǎn)程控制，這樣由操作臺(tái)、箱通過端子外引的控制電纜可大大減少，不但系統(tǒng)簡單可靠,還節(jié)省投資，方便維護(hù)。

3、調(diào)速傳動(dòng)控制系統(tǒng)

電氣傳動(dòng)采用的是西門子公司SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70系列的和MICROMASTER 440系列的全數(shù)字矢量控制變頻調(diào)速裝置。440系列的變頻器主要用在火焰切割機(jī)上，其余的都用6SE70系列變頻器控制。MICROMASTER 440通用型變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。因此，具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性，全面完善的保護(hù)功能為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了良好的保護(hù)。

四、主要控制功能說明

1、大包回轉(zhuǎn)臺(tái)及中間罐車控制

裝有合格鋼水的鋼水包，由行車吊至大包回轉(zhuǎn)臺(tái)鋼包臂上，包臂旋轉(zhuǎn)至澆注位，等待澆鑄。預(yù)熱好的中間罐由中間罐車運(yùn)送至結(jié)晶器上方，中間罐下降，對(duì)中就位。鋼水罐下降后手工開啟滑動(dòng)水口，鋼水經(jīng)長水口進(jìn)入中間罐。待中間罐內(nèi)鋼水達(dá)到一定重量后人工打開中間罐塞棒，鋼水通過浸入式水口流入結(jié)晶器內(nèi)。

2、送引錠、脫引錠控制

送引錠：發(fā)出自動(dòng)送引錠指令后，引錠桿存放小車向下反轉(zhuǎn)運(yùn)行，將引錠桿送入到切割后輥道上。到位后小車停止，4個(gè)對(duì)中缸推出進(jìn)行對(duì)中，然后切割后、切割下、切割前輥道啟動(dòng)，以30米/分的速度將引錠桿送入到水平扇形段內(nèi)。當(dāng)引錠桿尾部離開2#光電管時(shí)，切割后輥道停止。當(dāng)引錠桿頭部到達(dá)1#光電管時(shí)，切割前和切割下輥道停止運(yùn)轉(zhuǎn)。待操作臺(tái)發(fā)出確認(rèn)指令后，輥道以5米/分的速度向扇形段內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)安裝在2、7、13段的編碼器開始跟蹤，扇形段傳動(dòng)輥逐段壓下，將引錠桿夾住送入結(jié)晶器下口。

脫引錠：當(dāng)引錠桿從扇形段出來到達(dá)1#光電管時(shí)，脫引錠裝置將引錠頭與鑄坯分離，引錠桿被快速送到切割后輥道上，當(dāng)引錠桿到達(dá)2#光電管時(shí)切割后輥道停止，然后引錠桿存放小車向上運(yùn)行將引錠桿側(cè)移存放，等待下一澆次使用

3、火焰切割機(jī)自動(dòng)切割控制

自動(dòng)狀態(tài)下，紅外定尺系統(tǒng)給火焰切割機(jī)的PLC發(fā)出信號(hào)，火焰切割機(jī)開始預(yù)壓緊，并且切割槍運(yùn)動(dòng)至鑄坯邊緣進(jìn)行定位，預(yù)熱氧閥和煤氣閥打開。到達(dá)定尺距離后火焰切割機(jī)的壓頭壓下，粒化水和切割氧打開，開始切割鑄坯。當(dāng)切割槍到達(dá)切割下輥道邊緣時(shí)，切下輥往下擺，待切割槍離開切下輥后又向上擺回到原位。1#、2#切割槍相遇后，2#槍返回，1#槍繼續(xù)向前切割，切割完畢1#槍返回原位，接著切后輥開始運(yùn)轉(zhuǎn)，把鑄坯送到下線輥道。

4、輸送輥道及推鋼機(jī)控制

輸送輥道系統(tǒng)有切割前輥道、切割下輥道、切割后輥道和移載下線輥道。當(dāng)火焰切割機(jī)發(fā)出切割完畢信號(hào)，切割后輥道開始正轉(zhuǎn)。當(dāng)2#光電管檢測(cè)到鑄坯時(shí)，下線輥道啟動(dòng)。而當(dāng)鑄坯尾部離開2#光電管時(shí)，切割后輥道停止。當(dāng)3#光電管檢測(cè)到鑄坯時(shí)，下線輥道停止。接著，推鋼機(jī)把鑄坯推到冷床上冷卻，然后快速反回，等待下一塊鑄坯。

五、關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)：

1、 變頻調(diào)速控制技術(shù)：

大包回轉(zhuǎn)臺(tái)、中間罐車、結(jié)晶器振動(dòng)、扇形段輥道、輸送輥道、火焰切割機(jī)、推鋼機(jī)等設(shè)備均采用了變頻調(diào)速控制技術(shù)。PLC通過Remote I/O Scanner通訊方式將控制命令傳達(dá)給變頻器，同時(shí)接收變頻器的狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋信息；控制程序則通過采用MOV指令將啟/停、正/反轉(zhuǎn)、速度給定值等命令信息以輸出字的數(shù)據(jù)格式傳送給變頻器，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的自動(dòng)控制。

結(jié)晶器振動(dòng)采用同調(diào)方式（振動(dòng)頻率隨拉速的變化而變化），即根據(jù)下面的公式來控制結(jié)晶器振動(dòng)的頻率：F（頻率）=AV(拉速)+B，其中A=20，B=80。

2、 鑄流自動(dòng)跟蹤技術(shù)：

增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸。扇行段驅(qū)動(dòng)輥的電機(jī)上都安裝了A-B增量型編碼器（1024脈沖/圈），鑄流PLC根據(jù)編碼器發(fā)送至高速計(jì)數(shù)模板的脈沖數(shù)，自動(dòng)計(jì)算并完成送引錠模式、澆注模式下的二冷區(qū)配水、電機(jī)測(cè)速以及鑄坯測(cè)長等全自動(dòng)控制。

跟蹤長度=脈沖當(dāng)量X脈沖數(shù)
=傳動(dòng)比X編碼器分辨率X脈沖數(shù)÷輥?zhàn)又荛L

3、 紅外定尺技術(shù)

紅外攝像自動(dòng)定尺控制系統(tǒng)是通過紅外攝像器對(duì)紅熱鋼坯遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)成像，然后將實(shí)時(shí)圖像數(shù)字化處理后再傳輸給CPU，由CPU經(jīng)系列運(yùn)算和模糊識(shí)別后分辨出鋼坯頭，并按設(shè)定的定尺長度發(fā)出切割信號(hào),通知PLC控制火焰切割機(jī)進(jìn)行切割。該系統(tǒng)具備檢測(cè)可靠、控制精度高、操作維護(hù)簡單等顯著特點(diǎn)

4、液面自動(dòng)控制技術(shù)

渦流傳感器可連續(xù)測(cè)量結(jié)晶器的鋼水液面，輸出隨液面高度線性變化的電壓或電流模擬量，送給液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制拉坯或澆鋼速度，并且使鋼水液面穩(wěn)定地保持在預(yù)定的高度上。因此，不但可預(yù)測(cè)并減少漏鋼、溢鋼等事故的發(fā)生，提高連鑄機(jī)作業(yè)率，還能減少鋼坯表面裂紋，保證鋼坯質(zhì)量。

5、大包下渣檢測(cè)技術(shù)

大包下渣檢測(cè)系統(tǒng)是利用高度智能化、自動(dòng)化的平衡補(bǔ)償技術(shù)，根據(jù)鋼渣與鋼水導(dǎo)電率的差異，利用電磁感應(yīng)的原理檢測(cè)出鋼水中含渣量的百分?jǐn)?shù)，并以聲光報(bào)警的形式提醒澆注操作工及時(shí)關(guān)閉大包滑動(dòng)水口，或直接發(fā)出大包水口關(guān)閉信號(hào)，來控制渣隨鋼水流入中包的含量，從而提高鋼水的潔凈度，減少除渣操作，避免水口堵塞，同時(shí)提高鋼坯質(zhì)量。

六、結(jié)束語

柳鋼轉(zhuǎn)爐分廠板坯4#機(jī)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用西門子PLC控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)“三電(既電氣、儀表和計(jì)算機(jī))一體化”的基礎(chǔ)上,充分運(yùn)用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和多媒體技術(shù)，將PLC與操作站、PLC與PLC、PLC與分布式I/O站有機(jī)地連接起來，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的控制，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的連鎖啟停、回路調(diào)節(jié)、報(bào)警、趨勢(shì)記錄等一系列功能，不但提高了鋼水利用率、提高了鑄坯質(zhì)量、產(chǎn)量和連鑄自動(dòng)化水平，還降低了能耗，減少了故障停機(jī)率，提高了鑄機(jī)作業(yè)率，同時(shí)也改善了工人工作環(huán)境，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)：
1、 《電氣控制與可編程控制器》 華南理工大學(xué)出版社 2004
2、 《渦流儀表說明書》 鐳目公司
3、 《大包下渣系統(tǒng)監(jiān)測(cè)說明書》 鐳目公司