矩形坯連鑄機自動化控制系統(tǒng)升級改造

路鎮(zhèn)

（山鋼股份萊蕪分公司自動化部，山東萊蕪 271104）

信息化建設

矩形坯連鑄機自動化控制系統(tǒng)升級改造

路鎮(zhèn)

（山鋼股份萊蕪分公司自動化部，山東萊蕪 271104）

萊鋼股份煉鋼廠4#矩形坯連鑄機通過采用S7-400系列PLC，應用鋼坯位置跟蹤分段配水技術，優(yōu)化二冷水配水控制，改造火切機系統(tǒng)，實現(xiàn)連鑄機系統(tǒng)的全自動控制，簡化了操作步驟，提高了控制精度、設備穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，中型線H型鋼年產(chǎn)穩(wěn)定在104.7萬t左右。

矩形坯連鑄機；PLC；位置跟蹤；參數(shù)控制；自動控制

1 前言

H型鋼是萊鋼的品牌產(chǎn)品、拳頭產(chǎn)品，萊鋼規(guī)劃中將型鋼、優(yōu)特鋼作為主要發(fā)展產(chǎn)品，中型線H型鋼所占比例較大。萊鋼股份煉鋼廠4#矩形連鑄機生產(chǎn)鋼坯幾乎全部供應中型軋線，優(yōu)質(zhì)的鋼坯是優(yōu)質(zhì)H型鋼產(chǎn)品的保證。連鑄機控制工藝復雜，控制難度大，系統(tǒng)連鎖多，控制精度高，但4#矩形連鑄機PLC控制系統(tǒng)軟硬件落后，以及二次冷卻水配水、跟蹤、火切機系統(tǒng)的現(xiàn)有控制工藝限制了鑄坯質(zhì)量進一步提高。

為此，需從控制設備、控制功能等方面進行優(yōu)化改造。

2 控制系統(tǒng)改造

2.1 控制系統(tǒng)設備

原控制系統(tǒng)采用Rockwell公司早期的AB PLC5系列產(chǎn)品，自1998年投運以來，硬件設備嚴重老化，故障率逐年上升，備件難以采購且成本高、周期長，一旦出現(xiàn)小批量硬件設備損壞，將不能及時恢復，這已成為制約生產(chǎn)的瓶頸，需進行改造。

1）股份煉鋼廠生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的其他4座轉(zhuǎn)爐、3座連鑄機均采用西門子系列PLC，為實現(xiàn)設備成本控制，采用西門子S7-400系列PLC替換原有的AB系列控制系統(tǒng)。西門子S7-400系列PLC，可靠性高，處理數(shù)據(jù)速度快，能夠滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)要求，同時保證了設備的通用性，極大地降低了備件成本。

2）原有研華610型監(jiān)控上位機使用Pentium III處理器，處理能力嚴重落后，為此，更換為DELL780。

2.2 控制系統(tǒng)軟件

編程軟件采用SIMATIC STEP7 V5.4，監(jiān)控軟件采用SIMATIC WinCC6.2，分別替換現(xiàn)有基于Microsoft Windows 98平臺的RSlogix5和RSview32。根據(jù)新控制工藝編制程序，結合生產(chǎn)操作需要，拋棄了原有畫面的不合理布局，在畫面中新增手動配水功能，并建立完善的實時歷史記錄、故障報警、檢修試水等功能，使之更加符合操作習慣，更有利于掌握設備運行狀態(tài)，提高生產(chǎn)效率。

2.3 控制系統(tǒng)硬件

自動化控制系統(tǒng)由4套西門子S7-400系列PLC控制器組成，1套公用PLC，3套鑄流PLC。遠程站由7套ET 200M遠程站組成，3套火切機遠程站，3套出坯遠程站，1套公用遠程站。監(jiān)控系統(tǒng)由1臺工程師站和2臺操作站及相應網(wǎng)絡設備組成?？刂葡到y(tǒng)及網(wǎng)絡配置圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡配置

2.4 通訊網(wǎng)絡

原有通訊網(wǎng)絡多個通訊協(xié)議并存，時常出現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)中斷的情況，影響了數(shù)據(jù)交換的穩(wěn)定性。采用基于TCP/IP協(xié)議、星型拓撲結構的以太網(wǎng)通訊方式，實現(xiàn)PLC與監(jiān)控上位機通訊。該通訊協(xié)議更為普遍、通用，具有高達100 Mbps的傳輸通訊速率，星型連接的拓撲結構使網(wǎng)絡的可靠性、擴充性更強；采用Profibus DP現(xiàn)場總線方式實現(xiàn)主站與遠程從站I/O模板通訊，通訊距離長，速率高，抗干擾性好，具有快速的I/O采集特性。

3 控制功能優(yōu)化

控制系統(tǒng)主要完成連鑄機電氣設備、檢測儀表等工藝參數(shù)以及其他過程參數(shù)的監(jiān)控，實現(xiàn)基礎級設備控制及生產(chǎn)過程監(jiān)控。公用PLC主要負責平臺設備、移坯區(qū)設備、液壓和潤滑設備等的檢測及控制；鑄流PLC主要負責結晶器、扇形段設備、拉矯設備、跟蹤設備、結晶器冷卻水、二次冷卻水、二次冷卻汽、設備冷卻水等的檢測及控制。本次改造主要針對連鑄機控制系統(tǒng)的位置跟蹤、二冷配水、火切機及監(jiān)控系統(tǒng)實施優(yōu)化改造。

3.1 位置跟蹤應用

在生產(chǎn)過程中，采用編碼器位置跟蹤技術實現(xiàn)了鑄坯位置跟蹤。連鑄機每流4臺拉矯電機，每臺拉矯電機有1套變頻器裝置，選用小型電機與編碼器組成跟蹤裝置，安裝在電氣室內(nèi)，小型電機轉(zhuǎn)速與拉矯機電機轉(zhuǎn)速相同，并且同軸帶動編碼器，跟蹤裝置由拉矯電機變頻器驅(qū)動，保證同步性。因為跟蹤裝置安裝地點遠離生產(chǎn)環(huán)境和交流高壓電纜，避免了熱輻射和干擾，信號準確。鑄坯長度測量公式為：

式中：L為鑄坯長度；N為PLC接收到的總脈沖數(shù)；P為脈沖當量，即拉矯輥每轉(zhuǎn)動1mm所產(chǎn)生的脈沖數(shù)（CTS）；1 024為編碼器每轉(zhuǎn)動一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)，n為拉矯輥和編碼器的轉(zhuǎn)速比，D為拉矯輥的直徑，400mm；3.14為圓周率π取值。

在控制過程中，光電編碼器發(fā)出脈沖信號至PLC，PLC再將接收到的總脈沖數(shù)換算成相應的鑄坯長度。

位置跟蹤系統(tǒng)在澆鑄過程中，根據(jù)工藝將二次冷卻扇形區(qū)分四段，即足輥段、一段、二段、三段，拉鋼時，當鑄坯跟蹤到達位置時就進行分段式逐一自動開水、開氣噴淋二次冷卻鋼坯，該方式有利于鑄坯的更好冷卻；根據(jù)位置實施壓力自動調(diào)節(jié)控制，拉矯機按照1#、2#、3#、4#拉矯機依次抬起壓下，當坯頭到達拉矯機前時拉矯機抬起，當坯頭到達拉矯機后拉矯機壓下；到達切割區(qū)域時，比較實際坯長與設定坯長，相等，火切機自動切割。

3.2 二冷配水控制改造

連鑄過程中，為獲得質(zhì)量合格的鑄坯，必須控制鋼水由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的全過程，而二次冷卻段的噴水冷卻與鑄機產(chǎn)量和鑄坯質(zhì)量都密切相關。

3.2.1 配水模型建立

采用參數(shù)控制法改進配水控制，通過制定適合于所需澆鑄鋼種的目標表面溫度曲線，找出使鑄坯表面實際溫度符合目標溫度時各冷卻段配水量的控制參數(shù)a、b、c，建立符合Q=aV2+bV+c的數(shù)學模型；同時將a、b、c參數(shù)存在配水表內(nèi)，澆鑄時選取對應鋼種、斷面的控制配水表，然后根據(jù)拉速自動配置各回路冷卻水量。

這種控制方式中水量隨拉速的變化是二次曲線的變化趨勢，優(yōu)于原比例控制法配水控制。在實際應用中，鑄坯溫度分布可控制在對應鋼種的目標表面溫度附近，有利于改善鑄坯質(zhì)量。

理論上較理想的配水曲線應該是一條二次曲線，但實際找到滿足整個冷卻區(qū)的a、b、c系數(shù)是十分困難的。冷卻水在二冷區(qū)整個長度方向上的分配要與鑄坯的凝固傳熱相適應，各二冷區(qū)段上的冷卻水量與該冷卻區(qū)段中心長度有關，建立區(qū)段，將二冷區(qū)分為四個冷卻段，即足輥段、一段、二段、三段，共有7個噴淋水控制回路，其中足輥段1個控制回路，其他3段各2個控制回路來控制冷卻水量，在同斷面、同鋼種情況下給出公式：

式中：Qn為第n回路冷卻水量；an、bn、cn為第n回路配水量控制參數(shù)，n=1，2，3…為第幾回路。

鑄坯的3種斷面對應3種拉速區(qū)間，在各區(qū)段內(nèi)，由斷面、鋼種作為調(diào)整系數(shù)，建立多種組合配水參數(shù)存在配水表內(nèi)。例如某鋼種、某斷面的第3回路方程Q3=68.82V2+35.61V+13.27，其拉速與配水量變化曲線如圖2所示。

圖2 拉速與配水量變化曲線

3.2.2 氣霧冷卻應用

在一段、二段、三段采用氣霧冷卻，共有6個壓縮空氣控制回路，各段有2個控制回路，壓縮空氣的開閉由二冷水的開閉控制，當某個回路的二冷水打開后，延時5 s對應于該回路的壓縮空氣打開；當某個回路的二冷水關閉時，對應于該回路的壓縮空氣隨著關閉；每個回路的壓力是0.2 MPa，保證將冷卻水霧化，使鑄坯達到良好的冷卻效果。

3.3 火切機系統(tǒng)改造

鑄坯切割是完成鑄坯生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，切割精度是其重要指標，關系到能否向下一道工序提供定尺合格的鑄坯，故對火切機穩(wěn)定控制是非常必要的。原有火切機采用獨立PLC（SLC500）控制，通過DH＋網(wǎng)絡實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)傳輸，通訊速率慢，時常出現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)中斷的情況。

通過設立ET 200M遠程站，將火切機系統(tǒng)納入鑄流系統(tǒng)系統(tǒng)中，保證了切割指令暢通，提高了系統(tǒng)的測量和控制精度；增加編碼器定尺功能，不但提供了精確定尺切割，而且同時彌補紅外定尺無法短尺切割的問題，豐富了定尺規(guī)格。

當鋼坯完成與引錠桿的脫坯動作后，進行坯頭切割，此時跟蹤系統(tǒng)由開澆跟蹤模式轉(zhuǎn)到鑄坯切割跟蹤模式，設定好鑄坯長度傳送到PLC，當跟蹤系統(tǒng)測得實際鑄坯長度與設定長度一致時，PLC對火焰切割發(fā)出切割指令從而完成鑄坯切割。

4 結語

通過萊鋼股份煉鋼廠4#矩形連鑄機控制系統(tǒng)升級優(yōu)化，全面完善了控制系統(tǒng)，提高自動化控制系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)生產(chǎn)的穩(wěn)定、高效率、低損耗，年產(chǎn)穩(wěn)定在104.7萬t左右，多規(guī)格、多型號品種鋼約占總產(chǎn)量的12.03%，大幅減少故障停機時間，避免近萬噸的減產(chǎn)，增加經(jīng)濟收益百萬元。

［1］本書編輯委員會.煉鋼—連鑄新技術800問［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

［2］陳家祥.連續(xù)鑄鋼手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1991.

Upgrading of Automation Control Systemfor Rectangular Billet Continuous Casting Machine

LU Zhen
（The Automation Department of Laiwu Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China）

Through adopting S7-400 series of PLC,applying steel billet location tracking section water technology,optimizing the secondary cold water distribution control,reforming fired cutting machine system in 4#rectangular billet continuous casting machine of Laiwu Steel steelmaking plant,automatic control of the continuous casting machine system was realized and it simplified the operation steps,improved the control precision,stability,product quality and yield,medium line of H-beam was stabilized in about 1.047 million tonne annual.

rectangular billet continuous casting machine;PLC;position tracking;parameter control;auto-control

TP273

B

1004-4620（2014）04-0055-03

2014-06-09

路鎮(zhèn)，男，1980年生，2005年畢業(yè)于黃岡師范學院電子信息與科學技術專業(yè)?，F(xiàn)為山鋼股份萊蕪分公司自動化部鋼區(qū)維護車間工程師，從事冶金工業(yè)自動化控制系統(tǒng)設計和維護工作。