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宝钢股份不锈钢分公司炼钢厂4号板坯连铸机自动控制

信息来源:gkong.biz  时间:2010-04-21  浏览次数:165

  作者:胡运海
  【摘要】
  本文主要介绍了炼钢厂4号板坯连铸机的自动化控制和生产工序。自动化控制的总体设计采用了全集成自动化(TIA)平台,包括SIEMENS公司的监控、编程软件与硬件的设计使用,工业以太网及Profibus现场总线的应用,远程通讯控制和冗余技术的使用,使整套连铸机的自动化控制系统具有可靠、稳定、安全、易操作和可扩展功能等性能和特点。
  【关键词】
  板坯连铸机;全集成自动化;监控;编程;工业以太网;现场总线;冗余;
  【Abstract】
  This text mainly introduces the automation control of No.4 Slab Continuous Casting Machine in the steel making plant and it’s production sequence. The total design of automation control adopts Totally Integrated Automation( TIA) flatform, including the production’s design of SIEMENS such as the monitoring software, programmin software and hardware. It also includes the application of SIEMENS industrial ethernet, Profibus, remote communication control and redundance technology. This makes the automation control system of the Continuous Casting Machine has following features: reliability, stabilization,safety, operability and extendibility, etc.
  【Keyword】
  Slab Continuous Casting Machine; Totally Integrated Automation( TIA); monitoring; programming; industrial ethernet; fieldbus; redundance.
  1.前言
  近几年电子技术日新月异蓬勃发展,电气控制技术发展相当成熟。炼钢厂在2005年5月底建成4号板坯连铸生产线,设计生产1400mm×200mm板坯,二冷水采用气雾冷却方式。工艺上与炼钢厂正在生产的另一条3号板坯连铸生产线完全相同,设备也基本相同,自动化控制方面“三电合一”采用了世界上先进的全集成自动化(TIA)平台。
  2.系统配置
  连铸电气控制系统配置了两台HMI服务器和一台工程师站服务器,放置在主电室,其它作为客户机,放置在主控室四台(OS1)、大包操作室一台(OS3)、结晶器和扇形段旁各一台(OS4OS16)、目检室两台(OS26)、出坯指令室一台(OS40)。火焰切割机、布袋除尘、喷印机、电磁搅拌等自动化控制系统是成套供货。其它设备都是采用SIEMENS公司的PLC产品进行控制。PLC采用了SIEMENS S7-400系列。整个工程分为COMMON PLC、STRAND PLC、MLC/BOPS PLC、TCS1 PLC、TCS2 PLC、RUNOUT PLC、E-STOP PLC等六个部分。使用Profibus-DP现场总线技术;PLC通过SETP7 5.2编程,监控站采用基于WINDOWS2000操作系统的SIMATIC Wincc6.0组态监控软件。
  3.控制对象及生产控制流程
  炼钢厂4号连铸机是1机1流板坯(1400×200)连铸机。控制对象包括大包回转台、中间罐车(2台)、天然气烘烤站(2台)、结晶器、排蒸风机(2台)、排烟风机、引锭杆及卷扬系统、扇形段、拉矫机、液压站、给脂系统、仪表站、脱锭机、窜动辊、切割机、辊道、喷印机、去毛刺机、板坯转盘等。
  工作方式及控制内容
  手动方式:
  随时可将工作方式转为手动。当转为手动时,断开自动控制和有关设备这间的联锁,这时设备运行状态不发生任何中断或改变,直到操作者给出新的控制指令为止。在手动方式时,下列设备可以在相应操作台进行手动控制。OS4操作箱:手动操作结晶器振动、点动按钮盒操作拉矫机;OS16操作台:手动操作拉矫机向前、向后、手动操作脱引锭装置;OS16操作台:手动操作扇形段(3-12)夹紧、松开;手动操作传动上、下辊打开压下;
  自动方式:
  连铸机工作主要是在自动方式时进行的。在自动状态时,仅需操作有关的几只按钮,其余各设备的运行是由引锭杆跟踪系统和联锁关系控制的。当在“浇铸”时,把选择开关转为“手动”,各设备间的联锁就被解除,跟踪系统将继续工作,其所送出的信号不起控制作用,仅作为参考。当把选择开关又从“手动”转为“自动”时,自动顺序控制将按照跟踪系统继续进行。下列设备完全与“自动”“手动”工作方式选择无关:大包回转台;1、2号中间罐车;引锭杆存放装置;辊道设备;火焰切割机;液压设备。
  送引锭准备控制:
  4、5号扇形段夹送辊自动打开且压力正常;4、5号扇形段电机无故障且处于停止;4、7、10、12号扇形段编码器无故障;引锭杆链在驱动位;引锭杆车在洁净其侧;引锭卷扬钩不在低位。
  送引锭控制:
  当送引锭准备好后,将选择开关置位于“送引锭”,OS4上“送引锭”灯亮。如送引锭未准备好而把选择开关置于“送引锭”,此时“送引锭”灯闪烁,直到送引锭准备好后则变成平光。但这不影响各设备送引锭前的准备。在自动方式时,可在OS4台操作传动上辊打开和压下;在OS4台操作“引锭杆插入”、“引锭杆抽出”按钮,启动辊道和拉矫机使引锭杆插入和退出。可在OS16台点动盒点动拉矫机前、后运行;闭锁结晶器振动;闭锁OS4“浇铸启动”按钮;作为引锭杆跟踪系统启动运行的条件。当引锭杆进入结晶器后,可将工作方式选择开关置于“浇铸准备”位。
  浇铸准备控制:
  1-16号电机无故障;扇形段夹送辊液压正常;排蒸系统运行正常;卷扬无收引锭故障;引锭杆卷扬自动运行;卷扬到达预下降位或下降停止位。
  浇铸控制:
  如果浇铸条件具备,则各操作台上相应灯亮;如果条件不具备,则灯闪烁,直到进行了有关操作后,灯光变为平光。此时可在OS4操作台上按下“浇铸启动”按钮,浇铸过程就自动进行(同时启动有关的设备:如喷雾水阀、结晶器振动、拉矫机等)。
  设备故障可在HMI监控站上集中反映。
  尾坯控制:
  “尾坯”只是在工作方式“浇铸”的状态下才有效,它是在浇铸将要结束时,由操作人员在OS4操作箱上按“浇铸结束”按钮,这时将自动进入“尾坯”工作状态。 结晶器振动装置停止振动;跟踪系统控制OS4操作台模拟盘上灯随着坯尾的退出逐个熄灭;跟踪系统控制拉矫辊抬起。
  4.连铸电气控制系统主要软件设计
  冷却水系统设计
  二冷动态控制:根据二冷区铸坯的实际情况来及时改变二冷水量的控制方法叫动态控制。其原理时:连铸坯在二冷区的凝固有一定的要求,控制铸坯在每个部位的温度符合凝固要求,则可得到无缺陷铸坯。首先根据铸坯凝固要求设定铸坯长度方向上理想的温度变化曲线。为了控制铸坯各个部位的温度,在铸坯长度方向上虚拟了很多小段,根据铸坯传热数学模型计算和实际测定的铸坯温度得到各个小段的温度,然后将得到的温度与预定的理想温度做比较,根据比较结果给出各个小段上最合适的冷却水量并进行控制调节。一般有三种控制方法:
  (1) 比例控制:即二次冷却水量与拉速成一定比例的控制。通常表示为:
  Q=a V+ b
  式中,Q——二次冷却总水量,L/min;V——拉速,m/min;a、b——系数。
  (2)参数控制:建立符合Q=AV2+BV+C的数学模型,将A、B、C参数存入计算机,浇注时选取对应钢种的参数,根据拉速自动配置各回路水量。
  (3)目标表面温度控制法:考虑了钢种、拉速及浇注状态建立数学模型,根据建立的数学模型计算出目标温度,实测铸坯表面温度,根据二者的差值,自动调整冷却强度。
  主要设备电控系统设计
  1.液压站控制设计
  液压部分包括:高压泵、油箱及附属的油位、油温计及油加热器和冷却器、油过滤器、循环泵、各种电磁阀及高压蓄势器等。在液压站有四台高压泵、分别为1号、2号、3号和四号。在正常情况下为三台工作,一台备用。在OS23操作箱可选择远程和本地控制。选择本地控制,可手动开启任意一台高压泵。当液压系统启动工作时,按照程序设定的优先级3台高压泵自动启动运行。当工作泵出现电气故障或在泵启动运行5秒钟还达不到规定压力时,备用泵自动投入工作,并发出故障报警信号。液压站另有两台循环泵,一备一用。控制方式与高压泵类似。借助油位、油温计,可以监控液压站运行状况,在HMI画面上可以看到油位、油温报警情况。当油温低于30度,加热器运行;当高于50度时冷却器运行。
  2.拉矫电控设计
  拉矫电控系统采用了SIEMENS A&D公司的全数字变频整流传动装置。该装置具有高稳态精度和优良的动态响应,具有电流、速度、电势环自调节功能(P、I参数的自优化调整)。该装置控制、调节均由16位微处理器执行,可通过软件进行调试,操作简单。同时该装置具有高效的故障诊断功能,用户和变流器之间通过接口进行信息交换、命令和其它信息,还可作为集中数控的组成部分,通过串行通讯总线可进行大量的数据交换,查找故障非常简单。拉矫速度由操作电位器控制输入给定电压信号,拉矫速度信号还通过DP网和PLC主机进行实时通信,以求拉矫速度和二冷配水符合工艺设计要求。
  3.大包回转台电控设计
  大包回转台控制分为:回转台旋转控制、大包臂升降控制、钢包盖升降旋转控制及紧急停止。
  回转台旋转控制:正常情况下,回转台由变频电机驱动旋转。钢包回转台的位置由编码器检测,由限位开关校正。如果钢包水口失控时,操作人员可以通过OS3的紧急旋转按钮控制变频电机将钢包旋转到事故钢包位置。当电机故障时,可以通过紧急压缩空气驱动回转台。紧急压缩空气驱动装置与变频电机驱动互锁。
  大包臂升降控制:大包臂位置由5个接近开关控制。液压系统提供升降动力。操作人员通过OS3上的按钮进行升降操作。
  钢包盖升降旋转控制:当OS2上包盖选择开关打到OFF位置时,可在OS3上进行包盖升降旋转操作。只有包盖位于上限位时才可进行旋进旋出操作。在OS2上,可选择对1号或2号包盖进行升降旋转操作。包盖位置由行程开关控制。由液压系统提供动力。
  紧急停止:在OS1、OS3、OS4、OS6上均可紧停回转台及包盖。
  4.中间包车电控设计
  中间包车控制分为:走行控制、升降控制、紧急停止。
  走行控制:每中间包车走行由一台变频电机驱动。其位置有6个行程开关确定,分别为浇铸极限位、浇铸位、浇铸减速位、预热减速位、预热位、预热极限位。一台中间包车处于浇铸位置时,另外一台不能向浇铸位置走行。操作人员可在OS4和OS5.1、5.2上对其进行操作。当中间包塞棒失控时,可通过OS4、OS6上的紧急走行按钮驱动中间包车至预热位置。
  升降控制:每台中间包车通过四个内置位置传感器的液压缸进行升降控制。采用闭环控制系统。液压缸位置信息由位置传感器采集后,由SSI模块转化为数字信号经CPU处理后进行闭环反馈控制。操作人员可通过OS4、OS5.1、OS5.2上的操作按钮进行中间包车升降操作。
  紧急停止:在OS1、OS3、OS4、OS5.1、OS5.2、OS6上均可紧停中间包车走行和升降。
  5  扇形段是液压的,可调节的,配有电气驱动辊(拉矫系统)。电气驱动辊的液压调节通过STRAND PLC执行。扇形段的上部框架由四个液压缸定位。液压扇形段调节是数字闭环控制。设定值/实际值偏差以固定的周期检测并反馈到TCS2 PLC中。在系统中控制参数可以变更。当前的液压缸位置压力以数字量的形式反馈回系统。
  扇形段控制元件
  a.电气元件:液压缸实际位置传感器、压力传感器、控制器、输出到控制阀的设定值位置传感器通过SSI接口提供一个position rod位置的数字信号。实际位置传感器的执行是通过TEMPOSONIC位置传感器。位置传感器在现场终端箱通过数字控制系统的SSI接口卡转化成数字量。
  每个液压缸的position侧和rod 侧的压力通过各自的压力传感器感应。压力传感器提供模拟量的压力值到数字控制系统的A/D转换器。
  由控制器决定的设定值通过D/A转换器反馈到控制器的放大器卡,然后转化为Ma信号到控制阀的力矩马达。
  b.液压元件:控制阀、阻塞阀、冲洗阀、安全阀。
  在液压扇形段控制系统中,有两个方案:A自由定位;B垫片定位。
  方案A:在无故障浇铸时,控制系统对每个液压缸进行位置控制并进行最大/最小压力监视。当部分故障(位置传感器、压力传感器)时,操作切换为位置控制或压力控制。
  位置控制:设定值为一个浇铸参数功能,实际值为通过SSI接口的位置传感器信号。监视压力极限、水平位置偏差、位置控制偏差(超出时扇形段被锁定)。
  压力控制:F_pos_control>F_MAX:切换为压力控制,F_MAX为压力设定值; F_pos_control
  方案B垫片定位:扇形段为垫片控制模式时,通过垫片厚度控制器位置。
  4.切割系统设计
  切割系统为成套设备,铸坯切割分为自动和半自动两种方式。自动方式的切割指令为定尺仪发出的定尺信号;半自动切割方式为铸坯达到定长时,人为发出切割指令,从而实现切割全过程。手动方式全部由人工控制,完成切割全过程。
  5.结束语
  4号连铸生产线在炼钢厂正式投产后,一直正常的运作着,生产能力75万吨/年,使炼钢厂的效益大幅提高。实践证明,该系统设计合理,安全可靠,操作方便,有效的减轻了工人的劳动强度,减少人为事故,提高工作效率;并且炼钢厂这套全集成自动化(TIA)控制系统还预留了可扩展的余地,如需增加其它功能可以很容易的实现。
  参考文献
  [1] 《深入浅出西门子WinCC V6》,北京航空航天大学出版社,2004年5月第一版;
  [2] 《SIMATIC S7-400可编程控制器模板规范》,2003年9月版;
  [3] 《SIMATIC S7-300/400的系统软件和标准功能参考手册》,2002年12月版;
  [4] 《炼钢、连铸新技术800问》,冶金工业出版社,2003年9月第一版;

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