連鑄機PLC控制系統的研究

李 磊

（邯鋼集團邯寶鋼鐵有限公司煉鋼廠，河北 邯鄲 056015）

1 連鑄機生產的工藝

連鑄機的生產過程如下：首先，鋼包內部的鋼水輸送至連鑄機的工作臺面上，使鋼水由水口位置注入中間包。中間包配備塞棒裝置，該裝置在開啟時可以使鋼水直接流到結晶器中，事先用錠桿頭裝置來封閉結晶器的出口，隨振動裝置進行振動。這時鋼水將在結晶器外殼部位發生凝結現象，形成坯殼部分，當坯殼的厚度數值達到一個特定值時，拉坯機裝置開始啟動且結晶器部分振動；其次，鑄坯將從結晶器中被拉出，隨后通過夾輥送到弧狀的導向軌道內。其間尚未凝固的鑄坯在運動的進程中由噴水裝置對其實施外部強制冷卻。鑄坯完全離開弧形部位后，將會使錠桿啟動分離操作，此時鑄坯幾乎達到了完全冷卻凝固的狀態，通過拉矮機裝置把鑄坯拉直；再次，鑄坯將被傳送到水平段位置，經過切割機裝置的切成被分成尺寸一定的鑄坯小段；最后，通過輥道傳送出去。連鑄工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 連鑄工藝流程圖

1.1 澆鑄流程的準備工作

通常來講，連鑄機工作過程中的鋼水是通過轉爐傳送過來的，鋼包內鋼水成分的一致性較好，溫度、梯度改變不明顯，經過重型的傳送裝置輸送到回轉操作臺上并對其進行稱重。隨后回轉臺進行旋轉，等到鋼包抵達澆鑄位置的時候，鋼包的防護套管借助機械手臂和滑動的水口實施準確的對接。至此澆鑄工序以前的準備工作全部執行完畢，下面即可進一步實施澆鑄工序[1]。

1.2 澆鑄和結晶的過程

鋼包緩慢地滑動，隨后水口裝置打開，鋼水由防護套管灌入中間的罐體。中間罐體內部的鋼液面到達某個特定高度時，鋼水將會使引流砂被吹開并且流到溢流用的擺槽內部，等擺槽內部的鋼水的運動相對穩定以后，現場操作者開啟擺槽裝置，鋼水流進結晶裝置。當結晶裝置內的鋼水的液面達到最大值的15%時，將會啟動系統的澆鑄工序，此刻其他相關裝備，例如拉矯裝置、振動設備、二段冷卻水閥門裝置以及二段冷排風機將自動啟動。引錠桿裝置會把鋼坯導向冷卻區域進行二次冷卻。

1.3 矯正切割過程

拉矯機裝置的主要功能是根據規劃設計的相關參數數據將鑄坯拉直，在該過程中可以基本消除鑄坯中的剩余應力。經過矯直操作的鑄坯部件將和引錠桿裝置分開，此時引錠桿裝置也會被同步收回。因為鋼坯部件最前端的部分是不規則的狀態，無法滿足合鑄坯部件對各個尺寸數值的設計要求，所以需要先把該部分切除，才可以根據特定的長度對鑄坯部分進行切割，防止造成不必要的浪費。

2 連鑄機裝置的的PLC 控制系統的規劃設計

2.1 連鑄機裝置的PLC 控制系統框架結構的規劃設計

離散型系統是指所有或者關鍵組成部分具有的變量屬于一種離散型的信號模式且系統相關的狀態在時間軸的離散位置發生突變現象的一類系統。在相應的離散位置處取值的量也就是對應的離散型信號，一般是與間隔的時段等長的一組數字的序列，例如采樣的數據集合。離散型系統的描述需要使用差分方程，離散型系統理論目前普遍應用于脈沖控制、采樣數據調控以及數字化自動控制工程等領域。因為該系統的狀態分布空間缺少能夠進行運算的有效結構，所以很難用常規的微分或者差分形式的方程組的模式進行相關的分析，通常采用計算機模擬仿真的方法開展相應的研究工作。

離散型系統可以分成基礎的控制裝置、信息通道和接口以及人機交互接口這3 個主要的模塊，該系統的特征為運行穩定性好、安全等級高、元件通用性好、控制能力以及管理功能比較強大，可以進行離散形式的控制、操作集中且管理方便。常規的離散型控制裝置系統能夠分成3 個等級：第1級是指分散的過程類型的控制級；第2 級是指集中操控過程的監控級；第3 級是指綜合類型的信息數據管理級。所有的等級間借助網絡相互連接，各個級別的內部裝置則是通過本級內部的通信網絡完成具體的管理工作。典型的離散控制系統結構如圖2 所示。

圖2 典型離散控制系統的結構圖

2.2 PLC 集散形式的控制裝置系統的主要特征

分散式控制系統是由PLC（可編程控制器）構成的控制系統。該系統能夠實現相關裝置的各項功能，還能夠協調系統內各個裝置之間各項功能的執行過程。

系統中融合了多項新型科技，不僅實現了機電裝置的一體化控制功能，而且還實現了一種效率較高、穩定可靠的分布模式的控制過程。

遠距離的I/O 通信在該系統內部獲得了普遍的應用，為系統的遠距離操控以及監控提供了便利，可以用相對低廉的成本實現較高的安全性能。

結晶裝置的電磁攪拌、液壓裝置的振動模式以及鋼水液位的監控等功能模塊的設計，可以保證連鑄機產出的成品的品質，還可以使運行效率獲得本質上的提升。

2.3 連鑄機裝置的PLC 控制系統各項功能的規劃設計

一般情況下，連鑄機裝置的自動控制裝置系統應用了大約25 套德國西門子公司出品的PLC 模塊、2 臺美國惠普公司生產的工作站型專業電腦裝置、3 個工程技術人員服務站、6 個車間現場操作平臺以及3 級過程的電腦系統。其中工作站使用了雙網卡的冗余規劃設計模式，系統中的2 臺工作站能夠隨時隨地轉換成對方的后備工作站，顯著提升了控制系統的安全性以及穩定性。系統各個環節的通信過程能夠分解成2 個以太網網絡，一個是主要負責控制的網絡，通常用于控制PLC 模塊、工作站以及工程師服務站之間參數數據的通信任務；另一個則是主要負責監控工作的網絡，相關主機實現工作站和操作站間數據的共享[2]。

2.4 鑄流機工作控制系統設計

2.4.1 鑄流機裝置的PLC 系統構成及其各項功能

鑄流機裝置的PLC 系統將1 部S6-400 設備當成PROIBFS DP 系統的網絡的主要站點，并且同時作為工業以太網的站點服務器，下方可以懸掛2 個DP 系統從屬站點，由于遠距離的I/O 端口必須經過長時間的數據移動過程才可以將各類參數信息傳送到相關的PLC 模塊，因此需要在系統中設計出對應的中轉裝置環節，保證信號可以在嚴重衰減前獲得適當的增強效應，確保數據信號的傳輸品質。鑄流機裝置系統的PLC 的主要工作是從結晶裝置開始將方坯傳輸到輥道的中部。

2.4.2 公共部分PLC 系統構成以及相關的功能

連鑄機裝置的公共PLC 網絡系統的主站是1 部西門子公司出品的S7-400 模塊，該模塊同時作為工業以太網的站點服務器，主要與另外2 個PROFIBUS DP 附屬網絡進行通信交流。公共網絡的PLC 系統不僅可以完成回轉操作臺的運動過程、水口的把控、產品重量的檢測、中間包的運行以及重量把控等操作，而且還可以完成中間包裝置的預熱、水口的精準控制、液壓裝置管理、中間包裝置的塞棒以及結晶裝置的綜合把控等操作，同時還具有拉伸矯正、二段冷卻以及輥道的自動潤滑等相應的控制能力。

3 連鑄機裝置PLC 系統控制程序軟件的設計

3.1 連鑄相關工藝過程的模塊系統設計

連鑄相關工藝過程的監控圖像系統中有1 部連鑄機裝置的模型，其作用是可以表示車間的五流型連鑄機裝置，該裝置從功能的角度能夠分成回轉臺區域、中間罐體區域、出坯的液壓站控制部分以及主機的液壓站控制部分等相關功能以及其設置。五流性模塊的構造以及應用過程也是這樣設置的，圖像中顯示出來的畫面參數信息和現實中的連鑄機裝置的操作情況保持一致，可以為現場的操作者查找潛在問題、研究問題的解決方案提供準確的數據參考依據，可以最大限度地防止安全生產事故的出現，并且顯著提升該裝置的生產效率。

3.2 鑄流過程的PLC 軟件執行框架流程的設計

鑄流操作過程的PLC 軟件程序需要實現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、結晶裝置、鑄流參數、起錠桿、調節閥以及收集模擬信息量等。上述功能是應用獨立的模塊來實現的，借助外部接口由鑄流裝置的PLC 主程序對其進行調用[3]。

鑄流裝置的PLC 主程序包括以下10 個內容：1）輥道控制程序可以實現操作臺控制權限的分配、停止與啟動的轉換和操控以及檔板的翻轉動作等功能。2）火焰切割機控制程序可以實現切割信號的傳輸、夾緊缸動作控制及電磁閥的啟動和關閉。3）拉矯機控制程序可以實現液壓閥的控制、拉矯機以及輔助拉矯機的同步操控等。4）翻鋼、擋板以及二冷閥控制程序可以實現擋板裝置翻鋼監測、模式選取、擋板的升降動作控制、二段水冷裝置氣動閥啟動以及關閉控制等。5）指示燈控制程序可以完成對結晶裝置振動通電狀態、主機液壓站狀態、引錠桿點進以及點退狀態等功能的顯示。6）結晶器控制程序可以完成遠程遙控引錠工作，點進或者點退動作；還可以完成開澆時的信號監控、拉矯裝置的操控及曲線振動控制等操作。7）鑄流信息采集程序由公用 PLC 收集全部有關的參數信息。8）引錠桿控制程序可以實現液壓站的拉矯控制、拉矯輥運作控制以及引錠桿運動選擇等功能。9）模擬量采集程序可以實現結晶裝置溫度測試、各區域的冷卻水流量監測等控制功能。10）各段調節閥控制程序可以實現工藝參數信息的設置與讀數、調節閥控制等功能。

3.3 公共系統部分PLC 程序軟件流程設計

公共系統部分PLC 系統程序能夠實現的功能主要包括對大包回轉臺、加蓋裝置運作、結晶裝置流量閥、中間罐車行進、冷卻水流量、公用信息、模擬量采集、排氣用風機的轉速以及翻轉冷床的動作等功能的操作控制。上述模塊均是借助相對獨立的子程序來實現的，系統對外部提供了程序數據的接口，可以通過公共的PLC 主程序進行調用。公共系統部分PLC 主程序框如圖3 所示。

圖3 公用系統部分PLC 主程序框圖

公用系統部分相關子程序的功能如下：1）移坯車運動控制子程序可以對移坯車裝置的行進方向、限位、方向切換以及狀態指示等操作進行控制。2）大包回轉臺子程序可以實現調節大包裝置的速度、轉向以及控制快速反轉動作等功能。3）大包加蓋裝置子程序可以實現大包裝置加蓋部分的設定動作，一般包括旋轉、上升、下降以及位置的固定等控制功能。4）水閥門控制子程序可以對冷卻系統總管的開通、斷開以及流量進行監測，并對水流量進行手動控制或者自動控制；可以控制中間罐車的行進動作；還可以將信息顯示在相關設備上。5）中間罐車控制子程序具備切換各類中間罐車的行進動作和行進的模式、緊急狀態下的抱閘以及行進過程中的限位保護等控制功能。6）主機液壓站控制子程序。液壓站內的液體通過水泵注入總管實現流動，因此相關的程序只要實現對閥門的操控動作就可以滿足相關的要求。水泵裝置將會根據特定的控制信號，自動調節并保證系統內的壓力維持在適當的區間內。液壓站在正常工作時將會發出相關的指示信號，一旦出現緊急狀態就可以通過閃燈的形式進行報警，提示現場工作人員采取應急操作。7）公用到鑄流子程序根據泵運行提示以及主控中心的指令，配置各類軟件程序的標簽，實現對公用到鑄流過程的控制。8）熱送輥道控制子程序負責控制熱送輥道擋板運動過程中的方向和模式、開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結晶裝置、鋼水以及中包部分的溫度監測和把控以及對冷卻水總管壓力數值進行檢測等操作。10）排汽風機控制子程序可以遠程啟動或關閉排汽風機機，并監測風機運行狀態。11）翻轉冷床控制子程序可以辨認液壓泵的工作情況、控制冷床的運行方式及速度。

4 結語

綜上所述，該文介紹了一套運行過程高效、安全的連鑄機裝置PLC 控制系統。詳細說明了系統控制硬件裝置系統、PLC 離散型控制、軟件程序設計及人機交互界面的規劃設計過程，該PLC 控制系統可以顯著提升連鑄機系統的效率、產品品質以及系統的穩定性，最大限度地滿足了“去產能”條件下鋼鐵行業的生產需求，全方位提升了我國鋼鐵企業在國際市場的競爭能力。