天鋼板坯連鑄機(jī)控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

李志鐵

（天津鋼鐵有限公司，天津 3 00301）

天津鋼鐵公司板坯連鑄機(jī)項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)最大的具有較高水平的完全國(guó)內(nèi)自主集成的項(xiàng)目。本臺(tái)連鑄機(jī)是我國(guó)自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造并總成套的板坯連鑄機(jī)系統(tǒng)。經(jīng)過1年多的研究及制造，該連鑄機(jī)已經(jīng)進(jìn)入安裝調(diào)試階段。該連鑄機(jī)控制系統(tǒng)由公用系統(tǒng)、鑄流系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、液壓振動(dòng)系統(tǒng)、在線軟壓下系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、液面控制系統(tǒng)、漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)等組成。以下介紹其核心主體PLC控制系統(tǒng)。

一、控制系統(tǒng)

1.硬件配置

本系統(tǒng)遵循通用、開放、先進(jìn)、可靠的原則，在硬件配置、通信管理等方面進(jìn)行了綜合的考慮?；A(chǔ)自動(dòng)化主體系統(tǒng)采用SIMATICS7控制器，該控制器模塊化及無風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，堅(jiān)固耐用、容易擴(kuò)展，并具廣泛的通信能力，容易實(shí)現(xiàn)的分布式結(jié)構(gòu)以及用戶友好的操作使其成為中、高檔性能控制領(lǐng)域中首選的理想解決方案。

本臺(tái)連鑄機(jī)的控制系統(tǒng)共配備5個(gè)控制器，分別用于公用系統(tǒng)、鑄流系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、結(jié)晶器液壓振動(dòng)系統(tǒng)及軟壓下系統(tǒng)，并配置CP443-1工業(yè)以太網(wǎng)接口模塊，建立起高效、靈活的工業(yè)通信及控制網(wǎng)絡(luò)。環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可大量處理通信內(nèi)容，避免了由于外部原因?qū)е聰?shù)據(jù)通信中斷的情況發(fā)生，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

操作員站由4個(gè)HMI（人機(jī)接口） 組成，HMI互為冗余備用。HMI選用SIMATIC工業(yè)控制級(jí)計(jì)算機(jī)，內(nèi)裝SIEMENS工業(yè)組態(tài)軟件WinCC6.2。

遠(yuǎn)程站采用SIMATIC模塊化I/O系統(tǒng)ET200M。I/O主要作用是采集操作臺(tái)及操作箱的控制輸入信號(hào)，輸出指示燈信號(hào)；采集現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)的反饋信號(hào)，輸出現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制信號(hào)。

電氣傳動(dòng)裝置采用SIMATIC6SE70系列交流調(diào)速裝置，每個(gè)裝置上配有Profibus-DP通信網(wǎng)卡CBP，控制器通過網(wǎng)絡(luò)控制傳動(dòng)裝置。

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖可參見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.軟件開發(fā)

基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)采用“電、儀合一”的系統(tǒng)，主要任務(wù)是通過PLC和操作站，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有現(xiàn)場(chǎng)在線電氣設(shè)備進(jìn)行管理和連鎖控制，顯示各種操作畫面，對(duì)事故報(bào)警信號(hào)進(jìn)行管理和打印，從而根據(jù)工藝要求完成某個(gè)具體生產(chǎn)工藝過程。

自動(dòng)化系統(tǒng)具備下述主要操作及運(yùn)行模式。

（1） 操作模式

全自動(dòng)模式：根據(jù)二級(jí)系統(tǒng)的設(shè)定值，自動(dòng)完成相應(yīng)的順序控制和工藝控制。操作員可進(jìn)行人工干預(yù)。

半自動(dòng)模式：在沒有或不投入二級(jí)系統(tǒng)的情況下，一級(jí)系統(tǒng)可利用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，在操作員干預(yù)下分區(qū)域自動(dòng)生產(chǎn)。

手動(dòng)模式：用于設(shè)備單機(jī)調(diào)試、檢修和維護(hù)。

（2） 啟動(dòng)和停止模式

正常啟動(dòng)和停止：操作員在HMI通過按動(dòng)畫面上的相關(guān)按鈕和點(diǎn)擊相關(guān)符號(hào)以及通過鍵盤來選擇需要啟動(dòng)或停止的設(shè)備。

緊急停車：緊急停車是在出現(xiàn)危險(xiǎn)的情況下根據(jù)設(shè)備分區(qū)作相應(yīng)處理需要立即停止設(shè)備或系統(tǒng)的一種方式，它是由操作員手動(dòng)操作緊急停車按鈕來完成，以保證緊急情況下安全停產(chǎn)。

軟件編程采用SIEMENS編程軟件STEP75.4，考慮到系統(tǒng)設(shè)備多的特點(diǎn)，編程時(shí)將每個(gè)系統(tǒng)分別考慮，每個(gè)系統(tǒng)具有較高的獨(dú)立性。同時(shí)，對(duì)控制設(shè)備進(jìn)行分類，本系統(tǒng)主要包括液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備和電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備包括單線圈電磁閥控制和雙線圈電磁閥控制設(shè)備，電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備包括單向電機(jī)和雙向電機(jī)控制設(shè)備。

HMI軟件選用SIEMENS公司專門開發(fā)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)軟件WinCC6.2。HMI畫面主要包括啟動(dòng)畫面、連鑄機(jī)監(jiān)控畫面、設(shè)備診斷畫面、通信診斷畫面、參數(shù)設(shè)定畫面、報(bào)警畫面等。

3.控制系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

（1） 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)

大包回轉(zhuǎn)臺(tái)由一臺(tái)交流籠型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了保證回轉(zhuǎn)臺(tái)平穩(wěn)起、制動(dòng)，采用交流變頻裝置供電，帶制動(dòng)單元。大包回轉(zhuǎn)臺(tái)事故驅(qū)動(dòng)采用液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)。

大包回轉(zhuǎn)臺(tái)由操作工在大包操作盤上操作，大包回轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)加減速及停位由極限開關(guān)和編碼器共同定位控制。大包回轉(zhuǎn)臺(tái)裝設(shè)電氣滑環(huán)，使回轉(zhuǎn)臺(tái)能任意方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺(tái)升降采用液壓升降，兩個(gè)臂可以單獨(dú)升降，每個(gè)臂升降限位分為上下兩個(gè)限位。

為保持鋼水溫度，大包設(shè)加蓋裝置，每個(gè)臂一套包括升降及旋轉(zhuǎn)。升降及旋轉(zhuǎn)采用液壓驅(qū)動(dòng)，升降及旋轉(zhuǎn)用極限開關(guān)定位。

鋼包配有稱量系統(tǒng)，每個(gè)工作臂上有一套稱量系統(tǒng)，由4個(gè)耐高溫的稱重傳感器 (帶風(fēng)冷)、接線盒、信號(hào)變送器組成，稱重信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，經(jīng)過比較和運(yùn)算，去皮處理后，在位的鋼水罐鋼水凈重通過PLC輸出給現(xiàn)場(chǎng)的大屏幕顯示器。

（2） 中間罐車

中間罐車包括中間罐車行走、中間罐升降及橫移驅(qū)動(dòng)。每臺(tái)中間罐車行走由4臺(tái)交流籠型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用兩臺(tái)交流變頻裝置供電，帶制動(dòng)單元。兩種速度控制，用極限開關(guān)對(duì)澆注位、放渣位和預(yù)熱位進(jìn)行定位。變頻電機(jī)不需要帶外通風(fēng)。中間罐升降及橫向微調(diào)為液壓驅(qū)動(dòng)，升降行程由極限開關(guān)定位。

（3）中間罐鋼水液位的控制

通過中包稱重，控制大包滑動(dòng)水口，自動(dòng)保持中間罐液位在允許范圍內(nèi)?；瑒?dòng)水口為開閉閥控制?；瑒?dòng)水口分為手動(dòng)、自動(dòng)兩種控制方式，在手動(dòng)方式下由操作員操作滑動(dòng)水口操作箱實(shí)現(xiàn)。操作箱位于中間罐和鋼包之間的澆注平臺(tái)上。

（4）鋼包及中間罐鋼水溫度測(cè)量裝置

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控以及將數(shù)據(jù)傳送給控制系統(tǒng)，將分別提供一套鋼包鋼水溫度測(cè)量裝置及中間罐鋼水溫度測(cè)量裝置（快速熱電偶測(cè)溫法）。其溫度及測(cè)量狀態(tài)信號(hào)傳送到PLC。中間罐鋼水的溫度將顯示在現(xiàn)場(chǎng)大屏幕上（澆注平臺(tái)上）和主控室操作員工作站屏幕上。

（5） 液壓站

高壓泵和循環(huán)泵均設(shè)備用泵，當(dāng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的泵發(fā)生故障時(shí)，備用泵自動(dòng)啟動(dòng)。液壓系統(tǒng)配備有電加熱器，當(dāng)油溫偏低時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)。液壓系統(tǒng)配備有水冷卻器，當(dāng)油溫高時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)。在主控室的HMI上顯示液壓站的所有相關(guān)信息。

（6） 蒸汽排出風(fēng)機(jī)

蒸汽排出裝置由交流籠型電機(jī)驅(qū)動(dòng)蒸汽排出風(fēng)機(jī)。在澆注準(zhǔn)備時(shí)可以在HMI上或在機(jī)旁啟動(dòng)。自動(dòng)方式時(shí)，當(dāng)鑄坯尾部出扇形段末端后自動(dòng)停止。

（7） 夾送輥驅(qū)動(dòng)控制

夾送輥（或稱拉矯機(jī)）。連鑄機(jī)有12個(gè)扇形段，上下輥傳動(dòng)共18臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。采用交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，變頻裝置采用帶速度反饋的矢量控制裝置（VC型），速度反饋采用脈沖編碼器，該脈沖編碼器又作為引錠桿跟蹤系統(tǒng)的脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)。

夾送輥之間的同步及負(fù)荷平衡采用PLC及變頻裝置內(nèi)部電流負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)。引錠桿存放裝置為側(cè)面斜上方存放方式，由交流籠型電機(jī)驅(qū)動(dòng)。正反向操作，由極限開關(guān)定位。

引錠桿存放裝置的對(duì)中由液壓驅(qū)動(dòng)，由極限開關(guān)定位。

引錠桿跟蹤由PLC按跟蹤程序自動(dòng)控制。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件發(fā)生故障時(shí)，可采用半自動(dòng)方式送引錠。

（8） 輥道區(qū)

根據(jù)工藝布置輥道區(qū)分成若干組，切割前輥道在正常澆鑄時(shí)為自由輥，切割下輥道在切割時(shí)亦為自由輥。成組驅(qū)動(dòng)輥道每個(gè)電機(jī)都設(shè)置保護(hù)自動(dòng)開關(guān)，裝在輥道開關(guān)箱內(nèi)，安裝在輥道旁。輥道處安裝相應(yīng)的檢測(cè)裝置。輥道區(qū)采用光電管進(jìn)行自動(dòng)控制。

（9） 結(jié)晶器液壓振動(dòng)

由兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，通過液壓飼服閥來在線控制振動(dòng)的頻率和波形。由一臺(tái)單獨(dú)的PLC來控制液壓振動(dòng)裝置?？稍诰€控制振動(dòng)裝置的振幅、頻率及波形。

PLC通過軟件形成一個(gè)波形發(fā)生器，根據(jù)不同的工藝要求生成不同頻率及振幅的波形作為振動(dòng)的設(shè)定值，PLC輸出±10V信號(hào)控制液壓飼服閥。

根據(jù)生產(chǎn)工藝可以在PLC中存儲(chǔ)若干振動(dòng)參數(shù)表，操作工可以選擇參數(shù)表來設(shè)定所需的振動(dòng)波形、頻率、負(fù)滑脫值。根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，PLC自動(dòng)生成振動(dòng)曲線。非正弦系數(shù)為0.1～0.4。振動(dòng)曲線為S=hsin[ωt-asin（ωt）]（其中a為非正弦系數(shù)）。

（10）二次冷卻水的檢測(cè)及自動(dòng)控制

根據(jù)工藝要求，二冷系統(tǒng)分為15個(gè)冷卻回路，1區(qū)為水冷控制回路，其余均為氣—水冷卻控制回路。在弧線區(qū)的氣—水冷卻，使鑄坯在整個(gè)寬度上得到均勻緩冷效果。根據(jù)噴嘴特性，當(dāng)各控制回路的冷卻水量改變時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相應(yīng)配比回路壓縮空氣的壓力以維持水量與壓縮空氣的比值，保證各段的霧化冷卻效果。二冷水設(shè)定值來自存放在1級(jí)控制系統(tǒng)中的按凝固模型計(jì)算的水表，并根據(jù)拉速的變化計(jì)算實(shí)際水量。系統(tǒng)還對(duì)拉速的突變、中間罐鋼水溫度、冷卻水溫度等變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。當(dāng)系統(tǒng)采用二級(jí)計(jì)算機(jī)控制時(shí)，各區(qū)的水量可由設(shè)定2級(jí)控制系統(tǒng)模型計(jì)算并送到PLC。

三、結(jié)束語

根據(jù)目前的調(diào)試情況，本系統(tǒng)既解決了傳統(tǒng)工藝中出現(xiàn)的多種不足，成本又不太高，同時(shí)達(dá)到了快速、及時(shí)、穩(wěn)定、安全的要求，滿足了今后生產(chǎn)和新技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)管理和信息管理的需要。

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