連鑄機(jī)PLC控制系統(tǒng)的研究

李 磊

（邯鋼集團(tuán)邯寶鋼鐵有限公司煉鋼廠(chǎng)，河北 邯鄲 056015）

1 連鑄機(jī)生產(chǎn)的工藝

連鑄機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程如下：首先，鋼包內(nèi)部的鋼水輸送至連鑄機(jī)的工作臺(tái)面上，使鋼水由水口位置注入中間包。中間包配備塞棒裝置，該裝置在開(kāi)啟時(shí)可以使鋼水直接流到結(jié)晶器中，事先用錠桿頭裝置來(lái)封閉結(jié)晶器的出口，隨振動(dòng)裝置進(jìn)行振動(dòng)。這時(shí)鋼水將在結(jié)晶器外殼部位發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，形成坯殼部分，當(dāng)坯殼的厚度數(shù)值達(dá)到一個(gè)特定值時(shí)，拉坯機(jī)裝置開(kāi)始啟動(dòng)且結(jié)晶器部分振動(dòng)；其次，鑄坯將從結(jié)晶器中被拉出，隨后通過(guò)夾輥送到弧狀的導(dǎo)向軌道內(nèi)。其間尚未凝固的鑄坯在運(yùn)動(dòng)的進(jìn)程中由噴水裝置對(duì)其實(shí)施外部強(qiáng)制冷卻。鑄坯完全離開(kāi)弧形部位后，將會(huì)使錠桿啟動(dòng)分離操作，此時(shí)鑄坯幾乎達(dá)到了完全冷卻凝固的狀態(tài)，通過(guò)拉矮機(jī)裝置把鑄坯拉直；再次，鑄坯將被傳送到水平段位置，經(jīng)過(guò)切割機(jī)裝置的切成被分成尺寸一定的鑄坯小段；最后，通過(guò)輥道傳送出去。連鑄工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 連鑄工藝流程圖

1.1 澆鑄流程的準(zhǔn)備工作

通常來(lái)講，連鑄機(jī)工作過(guò)程中的鋼水是通過(guò)轉(zhuǎn)爐傳送過(guò)來(lái)的，鋼包內(nèi)鋼水成分的一致性較好，溫度、梯度改變不明顯，經(jīng)過(guò)重型的傳送裝置輸送到回轉(zhuǎn)操作臺(tái)上并對(duì)其進(jìn)行稱(chēng)重。隨后回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，等到鋼包抵達(dá)澆鑄位置的時(shí)候，鋼包的防護(hù)套管借助機(jī)械手臂和滑動(dòng)的水口實(shí)施準(zhǔn)確的對(duì)接。至此澆鑄工序以前的準(zhǔn)備工作全部執(zhí)行完畢，下面即可進(jìn)一步實(shí)施澆鑄工序[1]。

1.2 澆鑄和結(jié)晶的過(guò)程

鋼包緩慢地滑動(dòng)，隨后水口裝置打開(kāi)，鋼水由防護(hù)套管灌入中間的罐體。中間罐體內(nèi)部的鋼液面到達(dá)某個(gè)特定高度時(shí)，鋼水將會(huì)使引流砂被吹開(kāi)并且流到溢流用的擺槽內(nèi)部，等擺槽內(nèi)部的鋼水的運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定以后，現(xiàn)場(chǎng)操作者開(kāi)啟擺槽裝置，鋼水流進(jìn)結(jié)晶裝置。當(dāng)結(jié)晶裝置內(nèi)的鋼水的液面達(dá)到最大值的15%時(shí)，將會(huì)啟動(dòng)系統(tǒng)的澆鑄工序，此刻其他相關(guān)裝備，例如拉矯裝置、振動(dòng)設(shè)備、二段冷卻水閥門(mén)裝置以及二段冷排風(fēng)機(jī)將自動(dòng)啟動(dòng)。引錠桿裝置會(huì)把鋼坯導(dǎo)向冷卻區(qū)域進(jìn)行二次冷卻。

1.3 矯正切割過(guò)程

拉矯機(jī)裝置的主要功能是根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)將鑄坯拉直，在該過(guò)程中可以基本消除鑄坯中的剩余應(yīng)力。經(jīng)過(guò)矯直操作的鑄坯部件將和引錠桿裝置分開(kāi)，此時(shí)引錠桿裝置也會(huì)被同步收回。因?yàn)殇撆鞑考钋岸说牟糠质遣灰?guī)則的狀態(tài)，無(wú)法滿(mǎn)足合鑄坯部件對(duì)各個(gè)尺寸數(shù)值的設(shè)計(jì)要求，所以需要先把該部分切除，才可以根據(jù)特定的長(zhǎng)度對(duì)鑄坯部分進(jìn)行切割，防止造成不必要的浪費(fèi)。

2 連鑄機(jī)裝置的的PLC 控制系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

2.1 連鑄機(jī)裝置的PLC 控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

離散型系統(tǒng)是指所有或者關(guān)鍵組成部分具有的變量屬于一種離散型的信號(hào)模式且系統(tǒng)相關(guān)的狀態(tài)在時(shí)間軸的離散位置發(fā)生突變現(xiàn)象的一類(lèi)系統(tǒng)。在相應(yīng)的離散位置處取值的量也就是對(duì)應(yīng)的離散型信號(hào)，一般是與間隔的時(shí)段等長(zhǎng)的一組數(shù)字的序列，例如采樣的數(shù)據(jù)集合。離散型系統(tǒng)的描述需要使用差分方程，離散型系統(tǒng)理論目前普遍應(yīng)用于脈沖控制、采樣數(shù)據(jù)調(diào)控以及數(shù)字化自動(dòng)控制工程等領(lǐng)域。因?yàn)樵撓到y(tǒng)的狀態(tài)分布空間缺少能夠進(jìn)行運(yùn)算的有效結(jié)構(gòu)，所以很難用常規(guī)的微分或者差分形式的方程組的模式進(jìn)行相關(guān)的分析，通常采用計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法開(kāi)展相應(yīng)的研究工作。

離散型系統(tǒng)可以分成基礎(chǔ)的控制裝置、信息通道和接口以及人機(jī)交互接口這3 個(gè)主要的模塊，該系統(tǒng)的特征為運(yùn)行穩(wěn)定性好、安全等級(jí)高、元件通用性好、控制能力以及管理功能比較強(qiáng)大，可以進(jìn)行離散形式的控制、操作集中且管理方便。常規(guī)的離散型控制裝置系統(tǒng)能夠分成3 個(gè)等級(jí)：第1級(jí)是指分散的過(guò)程類(lèi)型的控制級(jí)；第2 級(jí)是指集中操控過(guò)程的監(jiān)控級(jí)；第3 級(jí)是指綜合類(lèi)型的信息數(shù)據(jù)管理級(jí)。所有的等級(jí)間借助網(wǎng)絡(luò)相互連接，各個(gè)級(jí)別的內(nèi)部裝置則是通過(guò)本級(jí)內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)完成具體的管理工作。典型的離散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 典型離散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2.2 PLC 集散形式的控制裝置系統(tǒng)的主要特征

分散式控制系統(tǒng)是由PLC（可編程控制器）構(gòu)成的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)裝置的各項(xiàng)功能，還能夠協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)裝置之間各項(xiàng)功能的執(zhí)行過(guò)程。

系統(tǒng)中融合了多項(xiàng)新型科技，不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)電裝置的一體化控制功能，而且還實(shí)現(xiàn)了一種效率較高、穩(wěn)定可靠的分布模式的控制過(guò)程。

遠(yuǎn)距離的I/O 通信在該系統(tǒng)內(nèi)部獲得了普遍的應(yīng)用，為系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離操控以及監(jiān)控提供了便利，可以用相對(duì)低廉的成本實(shí)現(xiàn)較高的安全性能。

結(jié)晶裝置的電磁攪拌、液壓裝置的振動(dòng)模式以及鋼水液位的監(jiān)控等功能模塊的設(shè)計(jì)，可以保證連鑄機(jī)產(chǎn)出的成品的品質(zhì)，還可以使運(yùn)行效率獲得本質(zhì)上的提升。

2.3 連鑄機(jī)裝置的PLC 控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能的規(guī)劃設(shè)計(jì)

一般情況下，連鑄機(jī)裝置的自動(dòng)控制裝置系統(tǒng)應(yīng)用了大約25 套德國(guó)西門(mén)子公司出品的PLC 模塊、2 臺(tái)美國(guó)惠普公司生產(chǎn)的工作站型專(zhuān)業(yè)電腦裝置、3 個(gè)工程技術(shù)人員服務(wù)站、6 個(gè)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)操作平臺(tái)以及3 級(jí)過(guò)程的電腦系統(tǒng)。其中工作站使用了雙網(wǎng)卡的冗余規(guī)劃設(shè)計(jì)模式，系統(tǒng)中的2 臺(tái)工作站能夠隨時(shí)隨地轉(zhuǎn)換成對(duì)方的后備工作站，顯著提升了控制系統(tǒng)的安全性以及穩(wěn)定性。系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的通信過(guò)程能夠分解成2 個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)是主要負(fù)責(zé)控制的網(wǎng)絡(luò)，通常用于控制PLC 模塊、工作站以及工程師服務(wù)站之間參數(shù)數(shù)據(jù)的通信任務(wù)；另一個(gè)則是主要負(fù)責(zé)監(jiān)控工作的網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)主機(jī)實(shí)現(xiàn)工作站和操作站間數(shù)據(jù)的共享[2]。

2.4 鑄流機(jī)工作控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 鑄流機(jī)裝置的PLC 系統(tǒng)構(gòu)成及其各項(xiàng)功能

鑄流機(jī)裝置的PLC 系統(tǒng)將1 部S6-400 設(shè)備當(dāng)成PROIBFS DP 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)的主要站點(diǎn)，并且同時(shí)作為工業(yè)以太網(wǎng)的站點(diǎn)服務(wù)器，下方可以懸掛2 個(gè)DP 系統(tǒng)從屬站點(diǎn)，由于遠(yuǎn)距離的I/O 端口必須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)移動(dòng)過(guò)程才可以將各類(lèi)參數(shù)信息傳送到相關(guān)的PLC 模塊，因此需要在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的中轉(zhuǎn)裝置環(huán)節(jié)，保證信號(hào)可以在嚴(yán)重衰減前獲得適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)效應(yīng)，確保數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸品質(zhì)。鑄流機(jī)裝置系統(tǒng)的PLC 的主要工作是從結(jié)晶裝置開(kāi)始將方坯傳輸?shù)捷伒赖闹胁俊?/p>

2.4.2 公共部分PLC 系統(tǒng)構(gòu)成以及相關(guān)的功能

連鑄機(jī)裝置的公共PLC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主站是1 部西門(mén)子公司出品的S7-400 模塊，該模塊同時(shí)作為工業(yè)以太網(wǎng)的站點(diǎn)服務(wù)器，主要與另外2 個(gè)PROFIBUS DP 附屬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信交流。公共網(wǎng)絡(luò)的PLC 系統(tǒng)不僅可以完成回轉(zhuǎn)操作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、水口的把控、產(chǎn)品重量的檢測(cè)、中間包的運(yùn)行以及重量把控等操作，而且還可以完成中間包裝置的預(yù)熱、水口的精準(zhǔn)控制、液壓裝置管理、中間包裝置的塞棒以及結(jié)晶裝置的綜合把控等操作，同時(shí)還具有拉伸矯正、二段冷卻以及輥道的自動(dòng)潤(rùn)滑等相應(yīng)的控制能力。

3 連鑄機(jī)裝置PLC 系統(tǒng)控制程序軟件的設(shè)計(jì)

3.1 連鑄相關(guān)工藝過(guò)程的模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

連鑄相關(guān)工藝過(guò)程的監(jiān)控圖像系統(tǒng)中有1 部連鑄機(jī)裝置的模型，其作用是可以表示車(chē)間的五流型連鑄機(jī)裝置，該裝置從功能的角度能夠分成回轉(zhuǎn)臺(tái)區(qū)域、中間罐體區(qū)域、出坯的液壓站控制部分以及主機(jī)的液壓站控制部分等相關(guān)功能以及其設(shè)置。五流性模塊的構(gòu)造以及應(yīng)用過(guò)程也是這樣設(shè)置的，圖像中顯示出來(lái)的畫(huà)面參數(shù)信息和現(xiàn)實(shí)中的連鑄機(jī)裝置的操作情況保持一致，可以為現(xiàn)場(chǎng)的操作者查找潛在問(wèn)題、研究問(wèn)題的解決方案提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考依據(jù)，可以最大限度地防止安全生產(chǎn)事故的出現(xiàn)，并且顯著提升該裝置的生產(chǎn)效率。

3.2 鑄流過(guò)程的PLC 軟件執(zhí)行框架流程的設(shè)計(jì)

鑄流操作過(guò)程的PLC 軟件程序需要實(shí)現(xiàn)的功能主要包括控制輥道、拉矯裝置、擋板、二段冷卻水閥、指示燈、結(jié)晶裝置、鑄流參數(shù)、起錠桿、調(diào)節(jié)閥以及收集模擬信息量等。上述功能是應(yīng)用獨(dú)立的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，借助外部接口由鑄流裝置的PLC 主程序?qū)ζ溥M(jìn)行調(diào)用[3]。

鑄流裝置的PLC 主程序包括以下10 個(gè)內(nèi)容：1）輥道控制程序可以實(shí)現(xiàn)操作臺(tái)控制權(quán)限的分配、停止與啟動(dòng)的轉(zhuǎn)換和操控以及檔板的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作等功能。2）火焰切割機(jī)控制程序可以實(shí)現(xiàn)切割信號(hào)的傳輸、夾緊缸動(dòng)作控制及電磁閥的啟動(dòng)和關(guān)閉。3）拉矯機(jī)控制程序可以實(shí)現(xiàn)液壓閥的控制、拉矯機(jī)以及輔助拉矯機(jī)的同步操控等。4）翻鋼、擋板以及二冷閥控制程序可以實(shí)現(xiàn)擋板裝置翻鋼監(jiān)測(cè)、模式選取、擋板的升降動(dòng)作控制、二段水冷裝置氣動(dòng)閥啟動(dòng)以及關(guān)閉控制等。5）指示燈控制程序可以完成對(duì)結(jié)晶裝置振動(dòng)通電狀態(tài)、主機(jī)液壓站狀態(tài)、引錠桿點(diǎn)進(jìn)以及點(diǎn)退狀態(tài)等功能的顯示。6）結(jié)晶器控制程序可以完成遠(yuǎn)程遙控引錠工作，點(diǎn)進(jìn)或者點(diǎn)退動(dòng)作；還可以完成開(kāi)澆時(shí)的信號(hào)監(jiān)控、拉矯裝置的操控及曲線(xiàn)振動(dòng)控制等操作。7）鑄流信息采集程序由公用 PLC 收集全部有關(guān)的參數(shù)信息。8）引錠桿控制程序可以實(shí)現(xiàn)液壓站的拉矯控制、拉矯輥運(yùn)作控制以及引錠桿運(yùn)動(dòng)選擇等功能。9）模擬量采集程序可以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶裝置溫度測(cè)試、各區(qū)域的冷卻水流量監(jiān)測(cè)等控制功能。10）各段調(diào)節(jié)閥控制程序可以實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)信息的設(shè)置與讀數(shù)、調(diào)節(jié)閥控制等功能。

3.3 公共系統(tǒng)部分PLC 程序軟件流程設(shè)計(jì)

公共系統(tǒng)部分PLC 系統(tǒng)程序能夠?qū)崿F(xiàn)的功能主要包括對(duì)大包回轉(zhuǎn)臺(tái)、加蓋裝置運(yùn)作、結(jié)晶裝置流量閥、中間罐車(chē)行進(jìn)、冷卻水流量、公用信息、模擬量采集、排氣用風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及翻轉(zhuǎn)冷床的動(dòng)作等功能的操作控制。上述模塊均是借助相對(duì)獨(dú)立的子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)對(duì)外部提供了程序數(shù)據(jù)的接口，可以通過(guò)公共的PLC 主程序進(jìn)行調(diào)用。公共系統(tǒng)部分PLC 主程序框如圖3 所示。

圖3 公用系統(tǒng)部分PLC 主程序框圖

公用系統(tǒng)部分相關(guān)子程序的功能如下：1）移坯車(chē)運(yùn)動(dòng)控制子程序可以對(duì)移坯車(chē)裝置的行進(jìn)方向、限位、方向切換以及狀態(tài)指示等操作進(jìn)行控制。2）大包回轉(zhuǎn)臺(tái)子程序可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)大包裝置的速度、轉(zhuǎn)向以及控制快速反轉(zhuǎn)動(dòng)作等功能。3）大包加蓋裝置子程序可以實(shí)現(xiàn)大包裝置加蓋部分的設(shè)定動(dòng)作，一般包括旋轉(zhuǎn)、上升、下降以及位置的固定等控制功能。4）水閥門(mén)控制子程序可以對(duì)冷卻系統(tǒng)總管的開(kāi)通、斷開(kāi)以及流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)水流量進(jìn)行手動(dòng)控制或者自動(dòng)控制；可以控制中間罐車(chē)的行進(jìn)動(dòng)作；還可以將信息顯示在相關(guān)設(shè)備上。5）中間罐車(chē)控制子程序具備切換各類(lèi)中間罐車(chē)的行進(jìn)動(dòng)作和行進(jìn)的模式、緊急狀態(tài)下的抱閘以及行進(jìn)過(guò)程中的限位保護(hù)等控制功能。6）主機(jī)液壓站控制子程序。液壓站內(nèi)的液體通過(guò)水泵注入總管實(shí)現(xiàn)流動(dòng)，因此相關(guān)的程序只要實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的操控動(dòng)作就可以滿(mǎn)足相關(guān)的要求。水泵裝置將會(huì)根據(jù)特定的控制信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)并保證系統(tǒng)內(nèi)的壓力維持在適當(dāng)?shù)膮^(qū)間內(nèi)。液壓站在正常工作時(shí)將會(huì)發(fā)出相關(guān)的指示信號(hào)，一旦出現(xiàn)緊急狀態(tài)就可以通過(guò)閃燈的形式進(jìn)行報(bào)警，提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員采取應(yīng)急操作。7）公用到鑄流子程序根據(jù)泵運(yùn)行提示以及主控中心的指令，配置各類(lèi)軟件程序的標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)對(duì)公用到鑄流過(guò)程的控制。8）熱送輥道控制子程序負(fù)責(zé)控制熱送輥道擋板運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的方向和模式、開(kāi)通或者切斷電磁閥以及鑒別熱送輥道輸送方位的操作。9）模擬量采集子程序可以完成對(duì)結(jié)晶裝置、鋼水以及中包部分的溫度監(jiān)測(cè)和把控以及對(duì)冷卻水總管壓力數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)等操作。10）排汽風(fēng)機(jī)控制子程序可以遠(yuǎn)程啟動(dòng)或關(guān)閉排汽風(fēng)機(jī)機(jī)，并監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。11）翻轉(zhuǎn)冷床控制子程序可以辨認(rèn)液壓泵的工作情況、控制冷床的運(yùn)行方式及速度。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該文介紹了一套運(yùn)行過(guò)程高效、安全的連鑄機(jī)裝置PLC 控制系統(tǒng)。詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)控制硬件裝置系統(tǒng)、PLC 離散型控制、軟件程序設(shè)計(jì)及人機(jī)交互界面的規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程，該P(yáng)LC 控制系統(tǒng)可以顯著提升連鑄機(jī)系統(tǒng)的效率、產(chǎn)品品質(zhì)以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最大限度地滿(mǎn)足了“去產(chǎn)能”條件下鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)需求，全方位提升了我國(guó)鋼鐵企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。