包鋼寬厚板連鑄翻坯機自動控制系統設計

李東明

摘 要：本文概括介紹了寬厚板連鑄機生產出的連鑄板坯需要對其上下表面進行嚴格的質量缺陷檢查。由于寬厚板坯十分厚重，目前只能用吊車進行翻轉，效率很低而且容易造成安全事故。為了解決對板坯下表面檢查困難的問題，我們設計開發了這套自動翻坯機系統。本項目通過選用一套西門子PLC S7-300控制系統以及接近開關等自動檢測設備，并編制相應的控制程序來實現自動翻坯。該系統的投入使用在節省了人力的同時，又提高了設備的使用壽命。本文主要針對系統設計選型及實際施工進行了說明，并對調試的全過程進行了詳細的描述和總結。

關鍵詞：連鑄機；翻坯機；表面質量

中圖分類號：TG335 文獻標識碼：A

1.工藝要求

首先，與相關工藝操作人員進行溝通，了解翻坯的工藝流程及相關要求。制作并畫出翻坯機翻坯時序圖，具體翻坯過程描述如下。

完成一塊板坯翻轉，整個設備動作分為下列幾個步驟：

第一步，吊車將板坯放置于翻坯臂一側的支撐墩（由同設備基礎固連的兩塊豎直板坯）及支撐梁（支撐梁架在兩側的框架上）上。

第二步，受坯臂翻轉至“受坯位”（約旋轉93°—最終準確翻轉角度通過調試確定），停止，等待翻坯臂翻轉。

第三步，翻坯臂翻轉鋼坯至“交接位”（約旋轉87°—最終準確翻轉角度通過調試確定），停止。

第四步，受坯臂同翻坯臂共同翻轉約5°（最終準確翻轉角度通過調試確定），實現鋼坯的交接。此過程兩臂的動作可能需設置若干秒的時間差，調試時確定。

第五步，受坯臂回落至原始位，翻轉的板坯落于受坯臂一側的支撐墩（由同設備基礎固連的兩塊豎直板坯）及支撐梁（支撐梁架在兩側的框架上）上。

第六步，翻坯臂回落至原始位。

特別要求說明：第6步沒必要等第5步完全執行完畢后才開始進行，可以等5步開始后15秒左右（調試時確定），就可以開始。

現場設備東側為受坯臂，西側為翻坯臂。

“自動”控制方式和“手動”控制方式均需要。因翻轉過程中，靠人工觀察無法準確控制角度及準確實現雙臂共同翻轉，極易損傷設備，所以翻坯機工作過程中同時翻坯需以自動控制方式來實現翻轉，即按自動翻轉鍵后，上述第4個步驟自動開始執行完成板坯翻交換臂。發現異常情況需及時拍下急停按鈕以保護設備，操作人員必須完成一次完整的操作步驟后才能離開。

因翻坯臂及受坯臂一旦配合不好，極易損傷設備，所以建議在翻轉軸的兩端均設置極限開關（或旋轉角度傳感器），以實現有備用開關能夠實現一旦在用的故障使翻臂不能停下來時，備用接近開關（角度傳感器）能夠使其停下來，不至于損傷設備。

2.設備選型

電源取自：二切輥道西側檢修電源箱（獨立電源220V），柜內轉換電源選用的是西門子SITOP電源模塊6EP1 334-2BA01（220V～24V）1塊。

模板選取：西門子S7-300系列模板，輸入輸出I/O點位如表1所示。選用以下幾個模塊：處理器模塊：CPU 315-2DP 315-2AG10-0AB0 1塊；數字量輸入模塊DI32*DC24V 321-1BL00-0AA0 1塊；數字量輸出模塊DO32*DC24V/0.5A322-1BL00-0AA0 1塊。

位置檢測器件：備選方案包括：（1）線性直線位移傳感器；（2）增量型旋轉編碼器；3.兩線制接近開關。最終在能夠達到檢測精度的條件下，為了降低費用、節約成本，我們選用了價格比較便宜的兩線制接近開關。接近開關選取的是天津森特耐公司生產的標準檢測距離為15mm直徑為30mm的產品，可以起到相對良好的精度。翻坯臂升降為液壓控制，選取4個比例閥接線控制升降。

綜合以上，備件包括（西門子PLCS7-300系統模板及接近開關、按鈕、現場操作機柜等）；材料包括（連接電纜，電纜防護套管，膨脹螺絲，焊接支架等）總計費用需要大概6000元左右。

3.施工方案

根據工藝操作要求選好控制及檢測設備后，制定施工方案。首先將所有需要的備件材料領回，量好備件尺寸及機柜尺寸。畫圖設計現場操作控制柜。合理安排按鈕及指示燈的位置。根據圖紙在操作機柜面板上用標準口徑開孔器進行開孔。合理安排控制柜內部PLC各模板及相關電源開關插座。

根據布置圖繪制接線圖，按要求規范配接線。接線完成后，先用萬用表進行絕緣校驗，防止出現短路或接地現象。檢查結束后送電觀察設備運行狀態。最初，新上設備時，由于工期比較緊張，為了盡快完成翻坯任務，我們只預留了自動控制按鈕及接口，簡單制作完成了系統的手動操作部分。系統上線后還不能實現自動翻坯，手動控制翻坯的缺點又是顯而易見的。需要現場必須有人實時監控，占用了人力的同時，配合不準確還會損傷設備。

4.程序編制

安裝西門子STEP 7編程軟件后，程序的編制可以根據工藝要求及選用硬件的情況，提前編制或與硬件安裝同時進行。打開STEP 7軟件，先進行硬件組態。將所有S7-300 CPU模板及數字量輸入輸出模板按序列號組態至系統中。硬件組態完成之后，就可以編制相應的程序了。本項目選取的檢測設備比較經濟簡單，所以在STEP 7中使用梯形圖來完成系統程序的編制。梯形圖邏輯性可視性強，便于后期的運行調試能夠更好的完成。

5.現場調試

將在筆記本電腦中編制好的硬件組態及控制程序下載到PLC。下載完成之后，將PLC打到運行狀態。在筆記本STEP 7程序運行界面點開監控，觀察系統動作運行情況是否正常。

按照功能描述的動作來進行操作，在操作的過程中測試程序是否能夠正確運行符合現場翻坯的要求。在到達即將翻坯位時根據實際情況調整接近開關的位置。

翻坯機翻坯操作步驟：

系統上電后，選擇選擇開關選“手動”，同時按下“受坯臂上升”、“翻坯臂上升”按鈕，等待兩個臂到達受坯位。到合適的位置時，調整接近開關將該位置粗略的找到。接近開關檢測到受坯位時，受坯位在面板上對應的指示燈會亮起，對應的臂會自動停止上升。為了防止意外過翻造成板坯砸傷設備，必須觀察受坯臂要先到位，上下并列安裝了2個接近開關起到雙重的保護作用。

選擇開關選“自動”，同時按下“自動開始”按鈕。此時兩臂自動翻坯（受坯臂下降，翻坯臂上升）。直到板坯從翻坯臂翻交到受坯臂后，兩臂停止運行。自動翻轉在程序中是靠時間繼電器上電延時來實現的。所以對應的時間根據液壓系統運行的速度要進行計算，調試過程中要反復試驗將合適的時間找出，以求穩定及準確的自動翻坯。

選擇開關選“手動”，按下“受坯臂下降”，將反過來的板坯放至原位；按下“翻坯臂下降”按鈕將翻坯臂放至原位。兩液壓缸回到原位系統翻坯結束，兩側的原位接近開關檢測到位置，給系統發翻坯結束信號，操作控制箱上對應的原位信號燈亮起。

特別注意：

（1）操作過程未完成，操作人員不得離開操作現場。發生問題保證立刻拍急停按鈕。

（2）禁止翻熱坯子。

結語

正是例如西門子S7-300、400這些先進的設備和技術在工廠中廣泛應用，才使得現場維護人員降低了勞動強度。提高了自動化程度，給工廠取得了良好的經濟效益。我們必須在國外先進技術的引進前提下，不斷的對其進行消化和吸收，加以靈活運用，完成創新開發，把我們現有的設備運行調整的更加完善。

本系統的不完善之處：使用西門子STEP7設計一個功能較多的應用程序，由于經驗不足，雖然設計的基本功能已經實現，但是還有很多不完善的內容，有待于提高。例如，為了節省費用，選用接近開關來檢測位置精度明顯不夠。今后還可以進行改善，使用精度更高的直線位移傳感器或旋轉編碼器來進行更加精確的自動控制。

參考文獻

[1]郭戈，喬俊飛.連鑄過程控制理論與技術[M].北京：冶金工業出版社，2003：92-96.

[2]徐昌榮，呂衛陽.PLC工程應用實例解析.（第1版第1次印刷）[M].北京：中國電力出版社，2007：188.

[3]天津電器傳動設計研究所.電氣傳動自動化手冊.（修訂2版）[M].北京：機械工業出版社，2005：1101.