西門子PLC在板坯連鑄系統中的應用
摘要：本文主要介紹了板坯連鑄的生產工藝及其系統概況，以及西門子PLC在柳鋼4#坯連鑄機系統中的應用。
關鍵詞：PLC 連鑄機 遠程站 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
進入21世紀以來，隨著連鑄機技術的不斷進步，使得冶金行業對連鑄的高效化有了更高的要求。提高連鑄的自動化水平，對保證鑄坯質量、提高連鑄機的勞動生產率、增加鑄機的金屬收斂率，以及減少工人勞動強度都起到至關重要的作用。柳鋼轉爐廠的4#板坯連鑄機，屬于立彎式直弧形連鑄機，弧形半徑達9米，可生產寬1400~1800毫米、厚180~250毫米規格的板坯。在該板坯的自動化控制系統中，西門子PLC及其網絡以其接口簡單、組態方便、編程容易、實時性強而得到廣泛應用。
二、生產工藝簡介
工藝流程圖如：
三、系統介紹
根據板坯連鑄機生產工藝的特點，該自動化信息系統分為二級，即1級基礎自動化系統和2級過程控制計算機系統，帶有部分管理功能。L1是一套完整的電/儀一體化控制系統，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，工藝參數的設置；二、工藝參數、設備狀態的顯示和報警及工藝流程畫面的監控；三、過程控制及計算機的通信等。L2的功能包括鑄機的模型計算、參數設定、質量跟蹤等。
在網絡配置上，上位機（winccc操作站）與PLC之間通過光纖收發器轉換為100Mbps的工業以太網（Industry Ethernet）相連，通過TCP/IP協議實現數據交換。各PLC的CPU之間的數據共享通過MPI接口連接實現。PLC與遠程I/O、變頻器之間的通訊通過Profibus-DP網實現。Profibus-DP主要用于工業自動化系統的高速數據傳送，實現調節和控制功能，是一種高速低成本通訊，用于設備級控制系統與分散式I/O的通訊，是計算機網絡通訊向現場級的延伸。該系統網絡圖如下所示：
1、 人機接口HMI
自動化控制系統軟件采用SIEMENS 公司的PCS7 V5.2軟件包，PLC控制系統軟件采用STEP 7 V5.2版本編程，上位機HMI監控系統采用WinCC V5.1版本編程。該系統通過軟件組態編程實現過程控制所必要的全部監控功能，包括澆注過程中各種設備狀態和相關參數的動態顯示、電氣設備的CRT操作及顯示、操作模式的選擇以及故障報警、操作記錄、實時趨勢和歷史趨勢曲線等。從而滿足工藝模型自動控制、工況監測、安全生產、介質消耗計量等要求，實現自動化系統的人機接口功能。
2、 基礎自動化系統
由于西門子PLC具有可靠性高，抗干擾能力強；編程方便，功能完善，易于使用；控制系統設計、安裝、調試方便；維修方便，維修工作量小；適應性強，應用靈活等特點，所以該控制系統以 西門子PLC 控制裝置為核心。該系統由公用PLC、鑄流PLC、儀表PLC、切割PLC和各遠程站組成，各PLC采用德國西門子公司最新型的PLC S7-400、300系列產品，遠程站I/O采用德國圖爾克的產品，各部分PLC的主要功能如下：
公用PLC：主要完成對大包回轉臺及包蓋的旋轉、升降的控制，中間罐車行走、升降、橫移對中控制，液壓系統控制，切割前、切割下、切割后和出坯輥道、推鋼機的控制，脫引錠裝置，引錠桿存放及對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段的驅動輥升降和傳動控制，夾緊輥的壓力轉換控制、引錠桿及鑄坯位置的跟蹤控制、結晶器調寬和振動控制。
儀表PLC：主要完成結晶器冷卻水流量和壓力的控制、二次設備冷卻水、二次噴淋水的流量調節和壓力的控制，以及其他過程參數的設定、采集、監視及回路調節等。
切割PLC：主要完成對火焰切割機大車行走、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。
各遠程站： 主要是根據控制功能區域的不同，把整個系統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分散到現場操作臺、箱中。在現場操作臺、箱內（如大包操作臺、切割操作臺、出坯操作臺等）設置I/O站，實現分散遠程控制，這樣由操作臺、箱通過端子外引的控制電纜可大大減少，不但系統簡單可靠,還節省投資，方便維護。
3、調速傳動控制系統
電氣傳動采用的是西門子公司SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70系列的和MICROMASTER 440系列的全數字矢量控制變頻調速裝置。440系列的變頻器主要用在火焰切割機上，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，并采用具有現代先進技術水平的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。因此，具有很高的運行可靠性和功能的多樣性，全面完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。
四、主要控制功能說明
1、大包回轉臺及中間罐車控制
裝有合格鋼水的鋼水包，由行車吊至大包回轉臺鋼包臂上，包臂旋轉至澆注位，等待澆鑄。預熱好的中間罐由中間罐車運送至結晶器上方，中間罐下降，對中就位。鋼水罐下降后手工開啟滑動水口，鋼水經長水口進入中間罐。待中間罐內鋼水達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晶器內。
2、送引錠、脫引錠控制
送引錠：發出自動送引錠指令后，引錠桿存放小車向下反轉運行，將引錠桿送入到切割后輥道上。到位后小車停止，4個對中缸推出進行對中，然后切割后、切割下、切割前輥道啟動，以30米/分的速度將引錠桿送入到水平扇形段內。當引錠桿尾部離開2#光電管時，切割后輥道停止。當引錠桿頭部到達1#光電管時，切割前和切割下輥道停止運轉。待操作臺發出確認指令后，輥道以5米/分的速度向扇形段內運行，同時安裝在2、7、13段的編碼器開始跟蹤，扇形段傳動輥逐段壓下，將引錠桿夾住送入結晶器下口。
脫引錠：當引錠桿從扇形段出來到達1#光電管時，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，當引錠桿到達2#光電管時切割后輥道停止，然后引錠桿存放小車向上運行將引錠桿側移存放，等待下一澆次使用
3、火焰切割機自動切割控制
自動狀態下，紅外定尺系統給火焰切割機的PLC發出信號，火焰切割機開始預壓緊，并且切割槍運動至鑄坯邊緣進行定位，預熱氧閥和煤氣閥打開。到達定尺距離后火焰切割機的壓頭壓下，粒化水和切割氧打開，開始切割鑄坯。當切割槍到達切割下輥道邊緣時，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#槍繼續向前切割，切割完畢1#槍返回原位，接著切后輥開始運轉，把鑄坯送到下線輥道。
4、輸送輥道及推鋼機控制
輸送輥道系統有切割前輥道、切割下輥道、切割后輥道和移載下線輥道。當火焰切割機發出切割完畢信號，切割后輥道開始正轉。當2#光電管檢測到鑄坯時，下線輥道啟動。而當鑄坯尾部離開2#光電管時，切割后輥道停止。當3#光電管檢測到鑄坯時，下線輥道停止。接著，推鋼機把鑄坯推到冷床上冷卻，然后快速反回，等待下一塊鑄坯。
五、關鍵技術的實現：
1、 變頻調速控制技術：
大包回轉臺、中間罐車、結晶器振動、扇形段輥道、輸送輥道、火焰切割機、推鋼機等設備均采用了變頻調速控制技術。PLC通過Remote I/O Scanner通訊方式將控制命令傳達給變頻器，同時接收變頻器的狀態實時反饋信息；控制程序則通過采用MOV指令將啟/停、正/反轉、速度給定值等命令信息以輸出字的數據格式傳送給變頻器，從而實現變頻調速的自動控制。
結晶器振動采用同調方式（振動頻率隨拉速的變化而變化），即根據下面的公式來控制結晶器振動的頻率：F（頻率）=AV(拉速)+B，其中A=20，B=80。
2、 鑄流自動跟蹤技術：
增量式編碼器是直接利用光電轉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方向，而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。它的優點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。扇行段驅動輥的電機上都安裝了A-B增量型編碼器（1024脈沖/圈），鑄流PLC根據編碼器發送至高速計數模板的脈沖數，自動計算并完成送引錠模式、澆注模式下的二冷區配水、電機測速以及鑄坯測長等全自動控制。
跟蹤長度=脈沖當量X脈沖數
=傳動比X編碼器分辨率X脈沖數÷輥子周長
3、 紅外定尺技術
紅外攝像自動定尺控制系統是通過紅外攝像器對紅熱鋼坯遠距離實時成像，然后將實時圖像數字化處理后再傳輸給CPU，由CPU經系列運算和模糊識別后分辨出鋼坯頭，并按設定的定尺長度發出切割信號,通知PLC控制火焰切割機進行切割。該系統具備檢測可靠、控制精度高、操作維護簡單等顯著特點
4、液面自動控制技術
渦流傳感器可連續測量結晶器的鋼水液面，輸出隨液面高度線性變化的電壓或電流模擬量，送給液位調節系統，從而實現自動控制拉坯或澆鋼速度，并且使鋼水液面穩定地保持在預定的高度上。因此，不但可預測并減少漏鋼、溢鋼等事故的發生，提高連鑄機作業率，還能減少鋼坯表面裂紋，保證鋼坯質量。
5、大包下渣檢測技術
大包下渣檢測系統是利用高度智能化、自動化的平衡補償技術，根據鋼渣與鋼水導電率的差異，利用電磁感應的原理檢測出鋼水中含渣量的百分數，并以聲光報警的形式提醒澆注操作工及時關閉大包滑動水口，或直接發出大包水口關閉信號，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，同時提高鋼坯質量。
六、結束語
柳鋼轉爐分廠板坯4#機計算機自動控制系統采用西門子PLC控制系統，在實現“三電(既電氣、儀表和計算機)一體化”的基礎上,充分運用工業網絡、現場總線技術和多媒體技術，將PLC與操作站、PLC與PLC、PLC與分布式I/O站有機地連接起來，實現快速、準確的控制，實現了設備的連鎖啟停、回路調節、報警、趨勢記錄等一系列功能，不但提高了鋼水利用率、提高了鑄坯質量、產量和連鑄自動化水平，還降低了能耗，減少了故障停機率，提高了鑄機作業率，同時也改善了工人工作環境，減輕了工人勞動強度,提高了工作效率。
關鍵詞：PLC 連鑄機 遠程站 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
進入21世紀以來，隨著連鑄機技術的不斷進步，使得冶金行業對連鑄的高效化有了更高的要求。提高連鑄的自動化水平，對保證鑄坯質量、提高連鑄機的勞動生產率、增加鑄機的金屬收斂率，以及減少工人勞動強度都起到至關重要的作用。柳鋼轉爐廠的4#板坯連鑄機，屬于立彎式直弧形連鑄機，弧形半徑達9米，可生產寬1400~1800毫米、厚180~250毫米規格的板坯。在該板坯的自動化控制系統中，西門子PLC及其網絡以其接口簡單、組態方便、編程容易、實時性強而得到廣泛應用。
二、生產工藝簡介
工藝流程圖如：
三、系統介紹
根據板坯連鑄機生產工藝的特點，該自動化信息系統分為二級，即1級基礎自動化系統和2級過程控制計算機系統，帶有部分管理功能。L1是一套完整的電/儀一體化控制系統，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，工藝參數的設置；二、工藝參數、設備狀態的顯示和報警及工藝流程畫面的監控；三、過程控制及計算機的通信等。L2的功能包括鑄機的模型計算、參數設定、質量跟蹤等。
在網絡配置上，上位機（winccc操作站）與PLC之間通過光纖收發器轉換為100Mbps的工業以太網（Industry Ethernet）相連，通過TCP/IP協議實現數據交換。各PLC的CPU之間的數據共享通過MPI接口連接實現。PLC與遠程I/O、變頻器之間的通訊通過Profibus-DP網實現。Profibus-DP主要用于工業自動化系統的高速數據傳送，實現調節和控制功能，是一種高速低成本通訊，用于設備級控制系統與分散式I/O的通訊，是計算機網絡通訊向現場級的延伸。該系統網絡圖如下所示：
1、 人機接口HMI
自動化控制系統軟件采用SIEMENS 公司的PCS7 V5.2軟件包，PLC控制系統軟件采用STEP 7 V5.2版本編程，上位機HMI監控系統采用WinCC V5.1版本編程。該系統通過軟件組態編程實現過程控制所必要的全部監控功能，包括澆注過程中各種設備狀態和相關參數的動態顯示、電氣設備的CRT操作及顯示、操作模式的選擇以及故障報警、操作記錄、實時趨勢和歷史趨勢曲線等。從而滿足工藝模型自動控制、工況監測、安全生產、介質消耗計量等要求，實現自動化系統的人機接口功能。
2、 基礎自動化系統
由于西門子PLC具有可靠性高，抗干擾能力強；編程方便，功能完善，易于使用；控制系統設計、安裝、調試方便；維修方便，維修工作量小；適應性強，應用靈活等特點，所以該控制系統以 西門子PLC 控制裝置為核心。該系統由公用PLC、鑄流PLC、儀表PLC、切割PLC和各遠程站組成，各PLC采用德國西門子公司最新型的PLC S7-400、300系列產品，遠程站I/O采用德國圖爾克的產品，各部分PLC的主要功能如下：
公用PLC：主要完成對大包回轉臺及包蓋的旋轉、升降的控制，中間罐車行走、升降、橫移對中控制，液壓系統控制，切割前、切割下、切割后和出坯輥道、推鋼機的控制，脫引錠裝置，引錠桿存放及對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段的驅動輥升降和傳動控制，夾緊輥的壓力轉換控制、引錠桿及鑄坯位置的跟蹤控制、結晶器調寬和振動控制。
儀表PLC：主要完成結晶器冷卻水流量和壓力的控制、二次設備冷卻水、二次噴淋水的流量調節和壓力的控制，以及其他過程參數的設定、采集、監視及回路調節等。
切割PLC：主要完成對火焰切割機大車行走、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。
各遠程站： 主要是根據控制功能區域的不同，把整個系統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分散到現場操作臺、箱中。在現場操作臺、箱內（如大包操作臺、切割操作臺、出坯操作臺等）設置I/O站，實現分散遠程控制，這樣由操作臺、箱通過端子外引的控制電纜可大大減少，不但系統簡單可靠,還節省投資，方便維護。
3、調速傳動控制系統
電氣傳動采用的是西門子公司SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE70系列的和MICROMASTER 440系列的全數字矢量控制變頻調速裝置。440系列的變頻器主要用在火焰切割機上，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，并采用具有現代先進技術水平的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。因此，具有很高的運行可靠性和功能的多樣性，全面完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。
四、主要控制功能說明
1、大包回轉臺及中間罐車控制
裝有合格鋼水的鋼水包，由行車吊至大包回轉臺鋼包臂上，包臂旋轉至澆注位，等待澆鑄。預熱好的中間罐由中間罐車運送至結晶器上方，中間罐下降，對中就位。鋼水罐下降后手工開啟滑動水口，鋼水經長水口進入中間罐。待中間罐內鋼水達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晶器內。
2、送引錠、脫引錠控制
送引錠：發出自動送引錠指令后，引錠桿存放小車向下反轉運行，將引錠桿送入到切割后輥道上。到位后小車停止，4個對中缸推出進行對中，然后切割后、切割下、切割前輥道啟動，以30米/分的速度將引錠桿送入到水平扇形段內。當引錠桿尾部離開2#光電管時，切割后輥道停止。當引錠桿頭部到達1#光電管時，切割前和切割下輥道停止運轉。待操作臺發出確認指令后，輥道以5米/分的速度向扇形段內運行，同時安裝在2、7、13段的編碼器開始跟蹤，扇形段傳動輥逐段壓下，將引錠桿夾住送入結晶器下口。
脫引錠：當引錠桿從扇形段出來到達1#光電管時，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，當引錠桿到達2#光電管時切割后輥道停止，然后引錠桿存放小車向上運行將引錠桿側移存放，等待下一澆次使用
3、火焰切割機自動切割控制
自動狀態下，紅外定尺系統給火焰切割機的PLC發出信號，火焰切割機開始預壓緊，并且切割槍運動至鑄坯邊緣進行定位，預熱氧閥和煤氣閥打開。到達定尺距離后火焰切割機的壓頭壓下，粒化水和切割氧打開，開始切割鑄坯。當切割槍到達切割下輥道邊緣時，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#槍繼續向前切割，切割完畢1#槍返回原位，接著切后輥開始運轉，把鑄坯送到下線輥道。
4、輸送輥道及推鋼機控制
輸送輥道系統有切割前輥道、切割下輥道、切割后輥道和移載下線輥道。當火焰切割機發出切割完畢信號，切割后輥道開始正轉。當2#光電管檢測到鑄坯時，下線輥道啟動。而當鑄坯尾部離開2#光電管時，切割后輥道停止。當3#光電管檢測到鑄坯時，下線輥道停止。接著，推鋼機把鑄坯推到冷床上冷卻，然后快速反回，等待下一塊鑄坯。
五、關鍵技術的實現：
1、 變頻調速控制技術：
大包回轉臺、中間罐車、結晶器振動、扇形段輥道、輸送輥道、火焰切割機、推鋼機等設備均采用了變頻調速控制技術。PLC通過Remote I/O Scanner通訊方式將控制命令傳達給變頻器，同時接收變頻器的狀態實時反饋信息；控制程序則通過采用MOV指令將啟/停、正/反轉、速度給定值等命令信息以輸出字的數據格式傳送給變頻器，從而實現變頻調速的自動控制。
結晶器振動采用同調方式（振動頻率隨拉速的變化而變化），即根據下面的公式來控制結晶器振動的頻率：F（頻率）=AV(拉速)+B，其中A=20，B=80。
2、 鑄流自動跟蹤技術：
增量式編碼器是直接利用光電轉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方向，而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。它的優點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。扇行段驅動輥的電機上都安裝了A-B增量型編碼器（1024脈沖/圈），鑄流PLC根據編碼器發送至高速計數模板的脈沖數，自動計算并完成送引錠模式、澆注模式下的二冷區配水、電機測速以及鑄坯測長等全自動控制。
跟蹤長度=脈沖當量X脈沖數
=傳動比X編碼器分辨率X脈沖數÷輥子周長
3、 紅外定尺技術
紅外攝像自動定尺控制系統是通過紅外攝像器對紅熱鋼坯遠距離實時成像，然后將實時圖像數字化處理后再傳輸給CPU，由CPU經系列運算和模糊識別后分辨出鋼坯頭，并按設定的定尺長度發出切割信號,通知PLC控制火焰切割機進行切割。該系統具備檢測可靠、控制精度高、操作維護簡單等顯著特點
4、液面自動控制技術
渦流傳感器可連續測量結晶器的鋼水液面，輸出隨液面高度線性變化的電壓或電流模擬量，送給液位調節系統，從而實現自動控制拉坯或澆鋼速度，并且使鋼水液面穩定地保持在預定的高度上。因此，不但可預測并減少漏鋼、溢鋼等事故的發生，提高連鑄機作業率，還能減少鋼坯表面裂紋，保證鋼坯質量。
5、大包下渣檢測技術
大包下渣檢測系統是利用高度智能化、自動化的平衡補償技術，根據鋼渣與鋼水導電率的差異，利用電磁感應的原理檢測出鋼水中含渣量的百分數，并以聲光報警的形式提醒澆注操作工及時關閉大包滑動水口，或直接發出大包水口關閉信號，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，同時提高鋼坯質量。
六、結束語
柳鋼轉爐分廠板坯4#機計算機自動控制系統采用西門子PLC控制系統，在實現“三電(既電氣、儀表和計算機)一體化”的基礎上,充分運用工業網絡、現場總線技術和多媒體技術，將PLC與操作站、PLC與PLC、PLC與分布式I/O站有機地連接起來，實現快速、準確的控制，實現了設備的連鎖啟停、回路調節、報警、趨勢記錄等一系列功能，不但提高了鋼水利用率、提高了鑄坯質量、產量和連鑄自動化水平，還降低了能耗，減少了故障停機率，提高了鑄機作業率，同時也改善了工人工作環境，減輕了工人勞動強度,提高了工作效率。
文章版權歸西部工控xbgk所有，未經許可不得轉載。
服務咨詢