SIEMENS 系列 PLC 在板坯連鑄機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉松

中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司

摘要：本文是作者根據(jù)多年從事板坯連鑄機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)調(diào)試工作的經(jīng)驗(yàn)，介紹了板坯連鑄機(jī)的生產(chǎn)工藝，西門子系列PLC的特點(diǎn)，板坯連鑄機(jī)的控制要求，PLC的硬件配置，軟件設(shè)計(jì)和運(yùn)行結(jié)果，并提出開發(fā)自主創(chuàng)新的連鑄工藝控制系統(tǒng)，是占領(lǐng)國(guó)內(nèi)連鑄市場(chǎng)的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：PLC；板坯連鑄機(jī)；自動(dòng)化；工業(yè)以太網(wǎng)

1. 前言

目前，隨著我國(guó)板坯連鑄產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化控制水平的要求日益提高，只有不斷地完善和提高自身的控制系統(tǒng)，才能在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。如今在鋼鐵行業(yè)的一級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，應(yīng)用的可編程控制器的品牌很多，多為國(guó)外公司制造的產(chǎn)品，如：西門子S7系列、東芝-GE系列、施奈德系列、AB系列等。各個(gè)公司的產(chǎn)品都有各自不同的優(yōu)點(diǎn)及特性，文章以西門子S7系列可編程控制器為例，介紹了其在板坯連鑄機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2. 板坯連鑄機(jī)的工藝流程

經(jīng)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)出來(lái)的合格鋼水，裝在一個(gè)鋼包中，由天車吊至鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)上。回轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)將鋼包轉(zhuǎn)至在澆鑄位的中間罐車的上方，安裝滑動(dòng)水口，經(jīng)過(guò)稱重和測(cè)溫后，大包打開滑動(dòng)水口，鋼水注入中間罐中。中間罐有儲(chǔ)存鋼水，減低鋼水靜壓力、分流和凈化鋼水的作用，是鋼水進(jìn)入結(jié)晶器的最后一個(gè)重要冶金反應(yīng)器。當(dāng)中間罐中的鋼水到達(dá)一定高度時(shí)，打開塞棒，使鋼水注入結(jié)晶器中，結(jié)晶器是鋼水凝固成型的重要設(shè)備，結(jié)晶器的出口必須有足夠而均勻的坯殼厚度，保證不會(huì)拉漏。當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面距結(jié)晶器上口80~100mm時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)拉矯機(jī)和結(jié)晶器振動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且啟動(dòng)二冷噴水閥和結(jié)晶器稀油潤(rùn)滑。起步拉速為0.3米/分左右，保持30秒以上再緩慢升速，1分鐘后可達(dá)到正常拉速的50%，2分鐘后達(dá)正常拉速的90%。然后根據(jù)中間罐內(nèi)的鋼水溫度設(shè)定拉速。拉矯機(jī)啟動(dòng)后，引錠桿將隨鑄坯一同拉出扇形段，此時(shí)要求對(duì)引錠桿的頭部進(jìn)行跟蹤，從而控制驅(qū)動(dòng)輥的壓下和抬起動(dòng)作，使鑄坯及引錠桿順利的拉出扇形段。當(dāng)引錠桿頭部到達(dá)脫引錠位置的時(shí)候，由跟蹤系統(tǒng)控制自動(dòng)脫引錠，完成引錠桿和鑄坯的分離工作。當(dāng)引錠桿和鑄坯分離后，由輥道將其輸送到存放臺(tái)架上。當(dāng)鑄坯到達(dá)設(shè)定的定尺長(zhǎng)度后，由火焰切割機(jī)進(jìn)行定尺切割，切割后的鑄坯經(jīng)輸出輥道和出坯輥道運(yùn)送至存放區(qū)域。

該工藝的流程見(jiàn)圖1

1. 自控系統(tǒng)的硬件選擇

可編程控制器是實(shí)現(xiàn)板坯連鑄機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，板坯連鑄機(jī)工藝設(shè)備比較集中，要求自動(dòng)化程度比較高，在其整個(gè)運(yùn)行中，很少利用人工干預(yù)，所以對(duì)控制系統(tǒng)的精確性和可靠性有很高的要求。而西門子系列PLC正滿足了這一特點(diǎn)。其模塊化及無(wú)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，堅(jiān)固耐用，容易擴(kuò)展和廣泛的通訊能力，容易實(shí)現(xiàn)的分布式結(jié)構(gòu)以及用戶友好的操作使其成為中、高檔性能控制領(lǐng)域中首選的理想解決方案。SIMATIC S7-400的中央處理器（CC）可以連接最多21個(gè)擴(kuò)展單元（EU）。同時(shí)它還可以通過(guò)ET200進(jìn)行遠(yuǎn)程擴(kuò)展；這種方式適用于范圍很廣的系統(tǒng)。通過(guò)CPU中的PROFIBUS-DP接口最多可連接125個(gè)總線結(jié)點(diǎn)。并且SIMATIC S7-400系列PLC還提供了強(qiáng)大的通訊服務(wù)功能：多點(diǎn)接口（MPI）的數(shù)據(jù)通訊；帶PROFIBUS的S7通訊；帶工業(yè)以太網(wǎng)的S7通訊。通過(guò)CP 441通訊接口模塊可以實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊。各種信號(hào)模板（SM）用于數(shù)字量輸入和輸出(DI/DO)以及模擬量輸入和輸出（AI/AO）。功能模板（FM）：專門用于計(jì)數(shù)，定位和凸輪控制等任務(wù)。

2. 總體控制要求及功能

板坯連鑄機(jī)自動(dòng)化控制總體要求是對(duì)連鑄機(jī)生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程特別是送引錠過(guò)程和澆注過(guò)程的二冷水配水進(jìn)行自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)，使整個(gè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，提高鑄坯表面質(zhì)量；在公司中控室發(fā)出上傳指令的時(shí)候，可以將當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)行的重要工藝參數(shù)（水量、水溫、電流）、運(yùn)行狀態(tài)及一定時(shí)間內(nèi)的工作參數(shù)曲線上傳到公司的中控室。有如下功能：

4.1控制操作：

在中心控制室可以對(duì)被控制設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)控制，如啟停某些設(shè)備，調(diào)節(jié)一些模擬輸出量的大小，在線設(shè)置PLC的某些參數(shù)等。同時(shí)系統(tǒng)還提供了機(jī)旁控制的操作，可以在維修的時(shí)候?qū)Ρ豢刂圃O(shè)備進(jìn)行就地的控制。

4.2顯示功能：

用形象逼真的畫面實(shí)時(shí)的顯示現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)控制設(shè)備的運(yùn)行工況，以及各現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

4.3數(shù)據(jù)管理：

根據(jù)不同數(shù)據(jù)的變化快慢和重要程度，建立生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，定時(shí)或?qū)崟r(shí)的存貯生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)，供統(tǒng)計(jì)分析使用。可以很準(zhǔn)確的完成例如對(duì)澆注過(guò)程中的中間罐，結(jié)晶器的使用進(jìn)行跟蹤記錄，包括上線和下線時(shí)間，壽命，過(guò)鋼量，操作人員可以很快的掌握設(shè)備的使用情況。利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，得出一些有用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，有利于二次冷卻水表的不斷改進(jìn)。還可以把一些重要的參數(shù)和結(jié)果顯示到顯示窗口和報(bào)表中去。

4.4報(bào)警功能：

當(dāng)某一模擬量（電機(jī)電流、溫度、流量、壓力、水位等）的值超出某一特定的設(shè)定范圍或某一開關(guān)量（壓力開關(guān)、限位開關(guān)）發(fā)生動(dòng)作時(shí)，可根據(jù)不同的需要發(fā)出不同等級(jí)的報(bào)警。從高到低主要分為三個(gè)等級(jí)：報(bào)警；故障；事件。不同等級(jí)的報(bào)警都會(huì)顯示在監(jiān)控系統(tǒng)上，各個(gè)等級(jí)都有特定的顏色顯示，方便操作人員作出迅速的判斷和處理。

4.5打印功能：

可根據(jù)需要有選擇性的打印歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且對(duì)各種事件和報(bào)警記錄、歷史趨勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)打印輸出。打印的方式可以分為：定時(shí)打印、事件觸發(fā)的打印。

3. 系統(tǒng)構(gòu)成及其布局（三級(jí)管理）

根據(jù)板坯連鑄機(jī)工作線比較長(zhǎng)，設(shè)備分布局部相對(duì)比較集中的特點(diǎn)，采用了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。這樣就避免了所有控制電纜都要敷設(shè)到控制室PLC中上，減少了大量的電纜和施工的工作。根據(jù)工藝的劃分，控制系統(tǒng)共設(shè)立了三個(gè)主站、八個(gè)遠(yuǎn)程站、三個(gè)工作站。根據(jù)控制的要求，選用的是SIMATIC S7-400 系列的PLC。主站選用的是CPU416-2DP，帶一個(gè)MPI/DP接口和一個(gè)DP通訊口。遠(yuǎn)程站選用的是西門子通用性很強(qiáng)的ET200M系列的模塊，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和控制，借用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，方便現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的建立。各主站之間采取工業(yè)以太網(wǎng)通訊，上位機(jī)與主站的通訊也采用這種通訊方式。

自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖見(jiàn)圖2

控制系統(tǒng)分為三個(gè)級(jí)別：現(xiàn)場(chǎng)級(jí)（L1基礎(chǔ)自動(dòng)）、控制級(jí)（L2）、管理級(jí)（L3）。

5.1管理級(jí)：

鋼鐵行業(yè)的三級(jí)MES系統(tǒng)存在于鋼鐵企業(yè)在過(guò)程控制與企業(yè)ERP之間的車間作業(yè)調(diào)度和控制管理系統(tǒng)之間，它主要解決生產(chǎn)作業(yè)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度和排序、物流生產(chǎn)和質(zhì)量信息的在線跟蹤以及對(duì)突發(fā)事件的處理、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視及故障診斷、運(yùn)輸調(diào)度等功能，即從定單開始，包括生產(chǎn)合同處理、控制參數(shù)設(shè)計(jì)各工序作業(yè)計(jì)劃、各工序生產(chǎn)監(jiān)控等等，把作業(yè)計(jì)劃從煉鋼、連鑄、熱軋、冷軋，從而完成商品的實(shí)時(shí)調(diào)度和控制。在計(jì)算機(jī)管理、控制一體化系統(tǒng)中起到承上啟下的關(guān)鍵作用，即對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)全過(guò)程高效協(xié)調(diào)的控制與管理，而且起到了將生產(chǎn)過(guò)程信息和經(jīng)營(yíng)管理的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，加工，傳遞的作用，是面向過(guò)程的生產(chǎn)活動(dòng)與經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的橋梁和紐帶。

5.2控制級(jí)：

為了提高鑄坯質(zhì)量、增加金屬收得率、穩(wěn)定操作、保證安全生產(chǎn)，設(shè)置板坯連鑄機(jī)設(shè)置過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（稱為二級(jí)計(jì)算機(jī) L2）。二級(jí)系統(tǒng)即過(guò)程控制系統(tǒng)位于三級(jí)系統(tǒng)的下面用于設(shè)備的過(guò)程控制。L2級(jí)計(jì)算機(jī)不僅對(duì)連鑄生產(chǎn)進(jìn)行綜合監(jiān)控和管理，以便獲取更顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，而且作為與三級(jí)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的橋梁，將為以后全廠信息化的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

5.3現(xiàn)場(chǎng)級(jí)：

根據(jù)板坯連鑄機(jī)工藝的控制要求和設(shè)備分布總體平面圖，結(jié)合馬達(dá)控制中心MCC的位置和供配電范圍，按照控制對(duì)象的區(qū)域、設(shè)備數(shù)量，以就近采集和單元控制為劃分區(qū)域的原則。在主電氣室內(nèi)設(shè)三個(gè)主站公用PLC1、鑄流PLC2和儀表PLC3。在大包澆注平臺(tái)上設(shè)立OS5遠(yuǎn)程站，在澆注平臺(tái)上設(shè)OS1、LC007、LC008遠(yuǎn)程站，在液壓站設(shè)LC035、VT1遠(yuǎn)程站，在靠近配水室外墻壁處設(shè)立LC020遠(yuǎn)程站，在切割操作室設(shè)OS3遠(yuǎn)程站。其中OS5、LC007、LC008、LC035為主站公用PLC1的遠(yuǎn)程站，OS1、VT1、LC020、OS3為鑄流PLC2的遠(yuǎn)程站。現(xiàn)場(chǎng)主站與遠(yuǎn)程站之間采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。主站PLC分別由電源模塊PS407、CPU416-2DP、CP443-2通訊接口模塊及相應(yīng)的信號(hào)模塊SM和FM組成。遠(yuǎn)程站則采取ET200M系列遠(yuǎn)程單元。主要由IM153-2接口模塊和其他若干數(shù)字量和模擬量信號(hào)模板組成。

公用PLC1所監(jiān)控的范圍是平臺(tái)上的工藝設(shè)備，其控制的對(duì)象主要是鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)及其加蓋裝置的電磁閥、中間罐車的行走電機(jī)及升降電磁閥、所有風(fēng)機(jī)的電機(jī)、主液壓站的循環(huán)泵及高壓泵、潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑泵等。

遠(yuǎn)程站OS5所監(jiān)控的范圍是大包澆注平臺(tái)，控制的對(duì)象為鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)、鋼包加蓋裝置的電磁閥、滑動(dòng)水口的電磁閥、大包臂升降的電磁閥等。

遠(yuǎn)程站LC007所監(jiān)控的范圍是澆注平臺(tái)，控制的對(duì)象為1號(hào)中間罐車行走電機(jī)，中間罐升降裝置電磁閥、中間罐對(duì)中裝置電磁閥等。

遠(yuǎn)程站LC008所監(jiān)控的范圍是澆注平臺(tái)，控制的對(duì)象為2號(hào)中間罐車行走電機(jī)，中間罐升降裝置電磁閥、中間罐對(duì)中裝置電磁閥等。

遠(yuǎn)程站LC035所監(jiān)控的范圍是主液壓站，控制的對(duì)象為兩臺(tái)循環(huán)泵電機(jī)、四臺(tái)高壓泵電機(jī)、油箱加熱器、油箱冷卻器等。

鑄流PLC2所監(jiān)控的范圍是扇形段區(qū)域的工藝設(shè)備和輸出區(qū)的工藝設(shè)備，控制的對(duì)象為結(jié)晶器振動(dòng)裝置、扇形段的拉矯電機(jī)、扇形段的驅(qū)動(dòng)輥升降電磁閥、脫引錠裝置、切前輥道、切割輥道、引錠桿存放輥道、引錠桿存放裝置、升降擋板電磁閥、引錠桿對(duì)中裝置電磁閥、輸出輥道等。

遠(yuǎn)程站OS1所監(jiān)控的范圍是澆注平臺(tái)，控制的對(duì)象為結(jié)晶器振動(dòng)裝置、扇形段的拉矯電機(jī)等。

遠(yuǎn)程站VT1所監(jiān)控的范圍是主液壓站扇形段閥臺(tái)，控制的對(duì)象為扇形段的驅(qū)動(dòng)輥升降電磁閥等。

遠(yuǎn)程站LC020所監(jiān)控的范圍是扇形段區(qū)域，控制的對(duì)象為扇形段的拉矯電機(jī)、扇形段的驅(qū)動(dòng)輥升降電磁閥等。

遠(yuǎn)程站OS3所監(jiān)控的范圍是切割區(qū)域和輸出區(qū)域，控制的對(duì)象為脫引錠裝置、切前輥道、切割輥道、引錠桿存放輥道、引錠桿存放裝置、升降擋板電磁閥、引錠桿對(duì)中裝置電磁閥、輸出輥道等。

儀表PLC3所監(jiān)控的范圍是澆注平臺(tái)區(qū)域、扇形段區(qū)域和輸出區(qū)的工藝設(shè)備，其控制的對(duì)象是大包和中包的稱重、大包和中包的測(cè)溫、結(jié)晶器冷卻水、二次噴淋冷卻水、設(shè)備冷卻水、壓縮空氣等。

1. 系統(tǒng)軟件

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)采用的是Microsoft 的Windows 2000 Professional中文版操作系統(tǒng)。PLC開發(fā)軟件采用的是西門子Step 7 V5.3開發(fā)軟件來(lái)作程序編制的。L1級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)選用的是西門子Wincc 6.0中文開發(fā)版來(lái)開發(fā)的。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft SQL 2000中文版數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。

6.1操作系統(tǒng)軟件:

Windows 2000 Professional 操作系統(tǒng)提供了一個(gè)快速的、高效的多用戶、多任務(wù)的系統(tǒng)環(huán)境。是目前被廣泛使用的操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用的是Windows 2000 Server中文版操作系統(tǒng)，配合Microsoft SQL 2000數(shù)據(jù)庫(kù)軟件使用，可以存貯大量歷史數(shù)據(jù)。各個(gè)工作站均采用Windows 2000 Professional中文版操作系統(tǒng)。

6.2 PLC開發(fā)軟件:

SETP 7 V5.3是西門子專用的PLC開發(fā)軟件，它可以利用IEC-1131標(biāo)準(zhǔn)中八種編程語(yǔ)言中的五種（LAD、STL、FBD、CFC和SCL）進(jìn)行編程。STEP 7的應(yīng)用界面非常友好，使用簡(jiǎn)單方便，提供了很多功能強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，應(yīng)用非常方便。

6.3 L1級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)軟件:

L1級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)軟件選用的是西門子的Wincc6.0中文版開發(fā)軟件，通過(guò)它將現(xiàn)場(chǎng)的很多開關(guān)量、模擬量采集到系統(tǒng)中并進(jìn)行分析，將一些重要的數(shù)據(jù)和狀態(tài)顯示在中心控制室的畫面上。并且還可以根據(jù)需要，顯示一些歷史趨勢(shì)和報(bào)警信息。

6.4 數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)軟件:

在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上安裝Microsoft SQL 2000中文版數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，用來(lái)存貯整個(gè)連鑄機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的歷史數(shù)據(jù)。通過(guò)服務(wù)器和工作站之間的通訊，將所有需要的數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器中進(jìn)行保存。單獨(dú)設(shè)立一臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，可以避免因外部故障導(dǎo)致的歷史數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象的發(fā)生。

2. 結(jié)束語(yǔ)

中冶京誠(chéng)公司從2000年起，廣泛采用了西門子系列PLC設(shè)計(jì)的板坯連鑄自控系統(tǒng)，先后在柳鋼3號(hào)板坯、韶鋼2號(hào)板坯、營(yíng)口1、2號(hào)板坯、北營(yíng)鋼廠板坯、萊鋼3號(hào)板坯、唐山不銹鋼和唐山中板廠板坯、天鋼3號(hào)板坯、鞍山寶得板坯、安陽(yáng)2號(hào)雙流板坯中得到應(yīng)用，在各個(gè)鋼鐵廠的板坯連鑄的生產(chǎn)中，運(yùn)行相當(dāng)?shù)姆�(wěn)定和可靠。設(shè)備具有調(diào)試簡(jiǎn)單、操作方便，使用安全、效率高、故障率低的特點(diǎn)，提高了勞動(dòng)的生產(chǎn)率，同時(shí)由于軟硬件均采取了模塊結(jié)構(gòu)，方便了工程技術(shù)人員的調(diào)試、操作和維修。隨著板坯連鑄產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，簡(jiǎn)單的工藝流程控制已經(jīng)不能滿足需要，具備核心技術(shù)的工藝控制系統(tǒng)是占領(lǐng)新市場(chǎng)的關(guān)鍵，采用西門子系列PLC設(shè)計(jì)的自控系統(tǒng)還將發(fā)揮更加強(qiáng)有力的作用。