一、概述

　進入21世紀以來，隨著連鑄機技術(shù)的不斷進步，使得冶金行業(yè)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(zhì)量、提高連鑄機的勞動生產(chǎn)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(guān)重要的作用。柳鋼轉(zhuǎn)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(chǎn)寬1400~1800毫米、厚180~250毫米規(guī)格的板坯。在該板坯的自動化控制系統(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、實時性強而得到廣泛應(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)板坯連鑄機生產(chǎn)工藝的特點，該自動化信息系統(tǒng)分為二級，即1級基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)和2級過程控制計算機系統(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)的顯示和報警及工藝流程畫面的監(jiān)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(shù)設(shè)定、質(zhì)量跟蹤等。

　　在網(wǎng)絡(luò)配置上，上位機（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接口連接實現(xiàn)。PLC與遠程I/O、變頻器之間的通訊通過Profibus-DP網(wǎng)實現(xiàn)。Profibus-DP主要用于工業(yè)自動化系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制功能，是一種高速低成本通訊，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊，是計算機網(wǎng)絡(luò)通訊向現(xiàn)場級的延伸。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如下所示：

　　1、 人機接口HMI

　　自動化控制系統(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(jiān)測、安全生產(chǎn)、介質(zhì)消耗計量等要求，實現(xiàn)自動化系統(tǒng)的人機接口功能。

　　2、 基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)

　　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(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便；維修方便，維修工作量??；適應(yīng)性強，應(yīng)用靈活等特點，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：主要完成對大包回轉(zhuǎn)臺及包蓋的旋轉(zhuǎn)、升降的控制，中間罐車行走、升降、橫移對中控制，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(qū)動輥升降和傳動控制，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(jù)控制功能區(qū)域的不同，把整個系統(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分散到現(xiàn)場操作臺、箱中。在現(xiàn)場操作臺、箱內(nèi)（如大包操作臺、切割操作臺、出坯操作臺等）設(shè)置I/O站，實現(xiàn)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(tǒng)簡單可靠,還節(jié)省投資，方便維護。

　　3、調(diào)速傳動控制系統(tǒng)

　　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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)臺鋼包臂上，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送至結(jié)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(jīng)長水口進入中間罐。待中間罐內(nèi)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(jié)晶器內(nèi)。

　　2、送引錠、脫引錠控制

　　送引錠：發(fā)出自動送引錠指令后，引錠桿存放小車向下反轉(zhuǎn)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(nèi)。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(zhuǎn)。待操作臺發(fā)出確認指令后，輥道以5米/分的速度向扇形段內(nèi)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(jié)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(cè)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(tài)下，紅外定尺系統(tǒng)給火焰切割機的PLC發(fā)出信號，火焰切割機開始預(yù)壓緊，并且切割槍運動至鑄坯邊緣進行定位，預(yù)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(xù)向前切割，切割完畢1#槍返回原位，接著切后輥開始運轉(zhuǎn)，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(tǒng)有切割前輥道、切割下輥道、切割后輥道和移載下線輥道。當火焰切割機發(fā)出切割完畢信號，切割后輥道開始正轉(zhuǎn)。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(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

　　1、 變頻調(diào)速控制技術(shù)

　　大包回轉(zhuǎn)臺、中間罐車、結(jié)晶器振動、扇形段輥道、輸送輥道、火焰切割機、推鋼機等設(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給變頻器，同時接收變頻器的狀態(tài)實時反饋信息；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，從而實現(xiàn)變頻調(diào)速的自動控制。

　　結(jié)晶器振動采用同調(diào)方式（振動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(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)一個脈沖，用于基準點定位。它的優(yōu)點是原理構(gòu)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(qū)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(jù)編碼器發(fā)送至高速計數(shù)模板的脈沖數(shù)，自動計算并完成送引錠模式、澆注模式下的二冷區(qū)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(shù)=傳動比X編碼器分辨率X脈沖數(shù)÷輥子周長

　　3、 紅外定尺技術(shù)

　　紅外攝像自動定尺控制系統(tǒng)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(shù)字化處理后再傳輸給CPU，由CPU經(jīng)系列運算和模糊識別后分辨出鋼坯頭，并按設(shè)定的定尺長度發(fā)出切割信號,通知PLC控制火焰切割機進行切割。該系統(tǒng)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(shù)

　　渦流傳感器可連續(xù)測量結(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)，從而實現(xiàn)自動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)測并減少漏鋼、溢鋼等事故的發(fā)生，提高連鑄機作業(yè)率，還能減少鋼坯表面裂紋，保證鋼坯質(zhì)量。

　　5、大包下渣檢測技術(shù)

　　大包下渣檢測系統(tǒng)是利用高度智能化、自動化的平衡補償技術(shù)，根據(jù)鋼渣與鋼水導(dǎo)電率的差異，利用電磁感應(yīng)的原理檢測出鋼水中含渣量的百分數(shù)，并以聲光報警的形式提醒澆注操作工及時關(guān)閉大包滑動水口，或直接發(fā)出大包水口關(guān)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(zhì)量。

六、結(jié)束語

　　柳鋼轉(zhuǎn)爐分廠板坯4#機計算機自動控制系統(tǒng)采用西門子PLC控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)“三電(既電氣、儀表和計算機)一體化”的基礎(chǔ)上,充分運用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線技術(shù)和多媒體技術(shù)，將PLC與操作站、PLC與PLC、PLC與分布式I/O站有機地連接起來，實現(xiàn)快速、準確的控制，實現(xiàn)了設(shè)備的連鎖啟停、回路調(diào)節(jié)、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(zhì)量、產(chǎn)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(yè)率，同時也改善了工人工作環(huán)境，減輕了工人勞動強度,提高了工作效率。