立式连铸机自动控制系统研制优化设计

1、不锈钢立式连铸机控制系统优化摘 要 不锈钢立式板坯连铸机始建于上世纪80年代中期，是我国第一台不锈钢板坯连铸机。后于1999年由西安重型机械研究所设计，进行了设备改造更新，其中控制系统全部采用西门子S7-400系列可编程控制器，传动系统采用西门子6SE70系列变频器。改造后的连铸机提高了连铸比和不锈钢成材率。为进一步提高不锈钢质量，扩大生产能力，满足下工序和市场不断提高的要求，增强市场竞争力，本文对立式连铸机再次进行改造。 本文主要通过建立新网络通讯系统，实现原系统与新增二级服务器、结晶器液压振动控制系统、喷号机控制系统以及炼钢计算机的网络信息传输；改造操作站，实现数据流优化；开发铸坯数据的动

2、态跟踪；动态二冷水优化控制数据传输；建立质量控制数据库；液压站控制系统设计；传动调速系统设计及斜出坯控制全面提升连铸机的工作效率从而大大增加产量。关键词 西门子S7-400系列可编程控制器，西门子6SE70系列变频器；数据的动态跟踪；液压站控制系统设计； 毕业设计说明书（论文）外文摘要Stainless steel vertical casting control system optimizationABSTRACTStainless steel vertical slab continuous casting machine was built in the mid 80s of last

3、 century, is China's first steel slab continuous casting machine. After 1999, designed by the Xi'an Heavy Machinery Research Institute, for renovation of the equipment, all of which control system Siemens S7-400 series programmable controllers, transmission with Siemens 6SE70 series inverter

4、. After transformation, the ratio of continuous casting machine to improve the continuous casting and stainless material yield. To further improve the steel quality, expand capacity to meet rising market under the procedures and requirements, increase market competitiveness, the paper vertical conti

5、nuous casting machine to transform again. In this paper, through the establishment of a new network communication system, to achieve the original system and the new secondary server, mold hydraulic vibration control system, control system and the spray No. steelmaking computer network information tr

6、ansmission; transformation operator station for data flow optimization; Development slab of the data dynamic tracking; dynamic secondary cooling water optimization control data transmission; the establishment of quality control database; Hydraulic control system design; Transmission Control System D

7、esign and skew the billet continuous casting machine control comprehensively enhance the working efficiency greatly increase productionKey words Siemens S7-400 series programmable controller, Siemens 6SE70 series inverter; data, dynamic tracking; Hydraulic control system design;1.引言- 1 -2.主要开发内容- 2

8、-2.1建立新网络系统. - 3 -2.1.1网络系统简介- 3 -2.1.2设计思想- 3 -2.1.3系统网络配置- 4 -2.1.4 通讯程序的开发- 5 -2.2 操作站改造及数据流优化. - 7 -2.2.1 系统操作站在优化前后的数据流结构图- 7 -2.3 铸坯数据动态跟踪.- 10 -2.3.1 引锭数据跟踪- 10 -2.3.2 拉坯数据跟踪- 11 -2.3.3 切割后板坯数据跟踪- 12 -2.4 动态二冷水优化控制数据传输. - 13 -2.4.2 系统配置- 14 -2.4.3 信息交换- 14 -2.4.4 L1、L2级系统切换- 14 -2.4.4 系统控制流程-

9、 15 -2.5 质量控制系统过程数据库建立与传输. - 16 -2.5.1 质量控制系统简介- 16 -2.5.2 质量控制系统数据库的建立- 17 -2.5.3 数据传输流程- 17 -2.6 液压站控制系统设计. - 17 -2.6.1 结晶器振动系统简介- 17 -2.6.2 液压站控制系统组成- 18 -2.6.3网络组成- 18 -2.6.4 主要联锁关系- 18 -2.6.5 振动控制系统- 18 -2.7 传动调速系统设计及斜出坯控制. - 19 -2.7.1系统结构- 19 -2.7.2工作原理：- 20 -3. 系统特点. - 21 -4. 经济效益分析. - 21 -参考

10、文献.- 22 -致 谢. - 22 - 1.引言不锈钢立式板坯连铸机主要由钢包及钢包车、中包及中包车、结晶器及振动台、二冷段及拉矫托辊、引锭装置、一次火焰切割机、斜出坯系统、板坯传输辊道、二次火焰切割机、喷号机等组成。钢包及钢包车主要是将由AOD炉冶炼的钢水通过天车运送至连铸浇铸位，同时测量钢水温度、重量。中包及中包车实现由大包至结晶器钢水的过渡，并对其流量进行精确控制。结晶通过振动台的振动及一次冷却使钢水形成板型外壳，经引锭装置、拉矫辊牵引并由二冷段喷淋水完成冶金冷却形成凝固板型。一次火焰切割机将铸坯按定尺要求切割为板坯块，再由斜出坯小车及卷扬装置将切割后的板坯输送至传输辊道，由传输辊道将

11、板坯输送至二次火焰切割机，必要时进行二次切割。最后经喷号机喷号后由天车吊装入库，完成连铸坯生产过程。图1：不锈立式连铸机生产工艺图2.主要开发内容 此次改造主要开发内容包括：·建立新网络通讯系统，实现原系统与新增二级服务器、结晶器液压振动 控制系统、喷号机控制系统以及炼钢计算机的网络信息传输；·改造操作站，实现数据流优化；·开发铸坯数据的动态跟踪；·动态二冷水优化控制数据传输；·建立质量控制数据库；·液压站控制系统设计； ·传动调速系统设计及斜出坯控制等。2.1建立新网络系统2.1.1网络系统简介连铸机原工业计算机网络系统网

12、络拓扑为总线型结构。各PLC与操作员站之间采用SIMATIC H1网，PLC与远程站之间采用SINEC L2 DP网。由于控制系统功能的增加，考虑到新旧计算机系统的兼容性，为此对网络系统进行了重新的设计与开发。2.1.2设计思想这次设计主要本着以下几个原则进行：·在保留原基础自动化系统结构基础上建立新网络系统由于停产施工工期短、工作量大，只能在原系统结构的基础上进行设计开发，致使通讯系统开发难度加大。设计新系统与原系统的数据传输采用增加和更换网络部件、增加网桥等方法处理解决。考虑到系统的传送数据量、距离及抗干扰特性，在网络通讯介质设计中使用了光缆和双绞线，并利用了部分原有的同轴粗缆、

13、ITP电缆等多种规格的通讯介质。·采用符合国际工业标准的接口及通讯协议所采用的西门子工业以太网符合IEEE 802.3和IEEE 802.3U标准，PROFIBUS-DP网符合IEC 61158国际标准。协议为标准的TCP/IP协议和DP协议，保证了与奥钢联提供的二级计算机、液压振动控制系统、喷号机等系统的数据通讯。·网络部件使用工业标准产品。网络部件选用考虑到恶劣的现场环境，交换机选用西门子的OSM，通讯电缆根据距离的不同分别选用了西门子专用的ITP电缆和光缆，为系统长期可靠稳定运行奠定了基础。2.1.3系统网络配置 系统网络配置如图2所示。图2：不锈立式连铸机计算机自动

14、控制系统网络配置图·S7-400 PLC与操作员站之间的通讯PLC之间、PLC与操作员站之间采用SIMATIC H1网。PLC接口部件为CP 1430TF模板，两台操作员站接口部件为CP 1613网卡。采用FETCH/RECEIVE方式，连接部件采用总线收发器，通信介质为同轴电缆。通讯协议为ISO协议。（这部分的网络基本与原系统相同，只是将原操作员站CP1413网卡更换为CP1613网卡）·C2 PLC与远程站之间的通讯C2 PLC与远程站之间的通讯采用SINCE L2DP网。C2 PLC接口部件为IM308-C，传动设备接口部件为CBP2，远程站接口部件为IM318接口模

15、板。采用主从轮询的通讯方式，连接部件采用总线连接器，通信介质为西门子PROFIBUS电缆。通讯协议为DP协议。为与新型传动系统的通讯匹配，将原传动设备CBP卡升级为CBP2通讯卡，并对通讯数据流进行了优化分组，解决了原系统中通讯响应堵塞造成数据滞后，致使控制设备失控的问题。·振动液压站、打号机、S7300 PLC与S7-400 PLC之间的通讯S7300 PLC与S7-400 PLC之间的通讯采用工业以太网通讯。S7300 PLC接口部件为CP343-1模板，S7-400 PLC接口部件为CP443-5 TCP模板。采用SEND/RECEIVE方式，连接部件采用OSM，通信介质分别为

16、西门子ITP电缆和光缆。通讯协议为TCP/IP协议。· L2服务器与C1 S7-400PLC之间的通讯L2服务器与C1 S7-400UPLC之间的通讯采用工业以太网通讯。L2服务器接口部件为CP1613网卡，S7-400 PLC接口部件为CP443-5 TCP模板。采用FETCH/RECEIVE方式，连接部件采用OSM，通信介质为西门子ITP电缆。通讯协议为TCP/IP协议。· 振动液压站S7300 PLC与振动控制C7634 DP之间的通讯振动液压站S7300 PLC与C7634 DP之间的通讯采用PROFIBUS-DP网通讯。S7300 PLC接口部件为CPU315-2

17、DP，C7634-DP接口部件为自带DP接口。采用主-从方式，连接部件采用总线连接器，通信介质为西门子PROFIBUS电缆。通讯协议为DP协议。2.1.4 通讯程序的开发·S7-400 PLC与操作员站之间通讯程序的开发开发软件：S7-400使用西门子的STEP 7、COM443，操作员站使用Intouch的 S7 IO Server。开发步骤：1）使用COM 443：对CP 443-5进行机架号、MAC地址、通讯方式、TSAP名称定义。2）使用STEP 7：在OB21（冷起动）、OB22（热起动）中对同步模块（FB249）调用，在程序中调用发送（FB244）、接收（FB245）模块

18、，并对相应参数进行设置。3）使用S7TI500：进行相应MAC地址、TSAP名称的定义。· C2 PLC与远程站之间通讯程序的开发开发软件：西门子STEP 7、COM PROFIBUS。开发步骤：1）使用COM PROFIBUS：对DP站进行组态、读写区域进行定义。2）使用STEP 7：对数据进行读取。·振动液压站、打号机、S7 300PLC与C1 S7-400UPLC之间的通讯程序的开发开发软件：西门子STEP 7、STEP 7、COM 1430。开发步骤1）使用COM 443：对CP 443-5 进行机架号、TCP/IP地址、通讯方式、TSAP名称定义。2）使用STEP

19、 7：在OB21（冷起动）、OB22（热起动）中对同步功能块（FB249）调用，在程序中调用发送（FB244）、接收（FB245）功能块，并对相应参数进行设置。3）使用STEP 7：进行相应TCP/IP地址、TSAP名称的定义。程序中调用FC5（SEND）、FC6（RECEIVE）功能块进行调用，并对相应参数进行设置。· L2服务器与C1 S7-400PLC之间的通讯程序的开发开发软件：西门子STEP 7、COM443、SIMATIC NET。开发步骤：1）使用COM443：对CP 443-5进行机架号、TCP/IP地址、通讯方式、TSAP名称定义。2）使用STEP 7：在OB21（

20、冷起动）、OB22（热起动）中对同步功能块（FB249）调用，在程序中调用发送（FB244）、接收（FB245）功能块，并对相应参数进行设置。3）使用SIMATIC NET：对PC station进行组态，配置OPC Server、CP1613卡，进行相应TCP/IP地址、TSAP名称的定义。通过OPC Scount进行数据读取。·振动液压站S7300 PLC与振动控制C7634 DP之间的通讯程序的开发开发软件：西门子STEP 7。开发步骤：使用STEP 7：对DP主站、从站进行组态，对读写区域进行配置。在程序中调用发送（SFC14）、接收（SFC15）功能块，并对相应参数进行设置

21、。2.2 操作站改造及数据流优化原系统有两台操作站，一台作为电控操作站，一台作为仪控操作站。由于其数据计算大量使用内存变量，导致两台操作站不能互为备用。为此，将两台操作站的程序进行了重新编制。将公用计算机的变量改为DDE变量，使得两台操作站具有一致性能，可互为备用。即使其中一台出现了故障，另外一台也能完成所需操作显示的全部功能。2.2.1 系统操作站在优化前后的数据流结构图图3：原系统操作站数据流结构图4：优化后的操作站数据流结构操作站数据优化后，数据响应即时，传输准确。两台操作站互为备用，为正常生产提供了有力的保障。 此次改造对操作站生产过程画面进行了补充完善，并新增了液压站控制系统画面、二

22、冷水动态模型控制画面等。重新设计后的画面信息更加丰富，画面生动直观、操作简洁方便。 图5：生产过程流程画面图6：仪表系统流程操作画面图7：动态水模型操作画面图8：振动液压系统操作画面2.3 铸坯数据动态跟踪铸坯数据跟踪是激活控制程序运行的关键，根据铸坯在连铸机的位置，基础自动化系统启动相应的功能，即：执行下一步动作、设定输出值等。根据预先精确安装在连铸机设备上的编码器、极限装置的输出信号，跟踪功能可监视并计算出铸坯在铸机的位置和铸坯的头、尾位置。当铸坯运行到某特定区域后，顺控功能启动相应的操作。此次改造对铸坯数据动态跟踪进行了重新设计开发，包括引锭数据跟踪，拉坯数据跟踪及切割后板坯数据跟踪等。

23、2.3.1 引锭数据跟踪引锭数据跟踪是指引锭杆在存放位开始，执行送引锭操作命令后自动送至结晶器下方，再通过点动操作进入结晶器中；拉坯开始后，经拉矫辊冷热坯压力转换，自动脱锭后返回引锭存放位的全部数据计算处理。它是二冷水跟踪及板坯长度跟踪的基础。下式给出了引锭头部位置的计算公式：式中：P引锭头部位置；P0送引锭时头部起始位置；R拉矫托辊半径；K拉矫托辊减速比；N拉矫编码器脉冲数/周；n拉矫编码器计数值。对于位置偏差(P)，很容易通过调整P0消除，但会造成板坯长度跟踪不准。为此，必须对机械参数进行精确测量，同时排除引锭杆打滑，拉矫辊不同部造成的影响。2.3.2 拉坯数据跟踪拉坯数据跟踪包括二冷水动

24、态跟踪、板坯头部跟踪、坯尾跟踪。由于动态二冷水模型建立于板坯液心凝固点的位置控制，并且一次火焰切割机自动启动也依赖于板坯头部位置，因此，准确提供拉坯跟踪数据对于提高板坯质量及降低损耗有着重要的意义。下式给出了拉坯长度的计算公式：式中：L拉坯长度；D结晶器中液位高度；R拉矫托辊半径；K3939#托辊减速比；K4040#托辊减速比；N拉矫编码器脉冲数/周；n3939#托辊编码器计数值；n4040#托辊编码器计数值；当系统工作在拉坯模式时，39#托辊编码器计数使能，当系统工作模式转换为尾坯模式时，40#托辊编码器计数使能。2.3.3 切割后板坯数据跟踪切割后板坯数据跟踪主要以板坯ID跟踪为主，并将板

25、坯的位置长度等数据传送至二级计算机及喷号机。下图给出了切割后板坯数据跟踪的流程图图9：切割后板坯数据跟踪流程图2.4 动态二冷水优化控制数据传输 立式连铸机在改造前，只有基础自动化（L1）功能，按照固定的水表完成喷淋冷却水系统的控制功能，实现二冷段不同区域水量的自动调节控制。由于受输入固定水表的限制，铸坯表面及内部存在着一定的质量缺陷。在此次改造引进奥钢联 “DYNACS”（动态配水模型）技术，以改善铸坯表面及内部质量。为实现两级计算机系统数据传输，设计采用以下方式。2.4.2 系统配置L1自动化系统与L2计算机之间通过OSM模块进行连接，采用TCP/IP协议进行通讯。在L2计算机服务器上装载

26、 Oracle作为后台数据库，采用VB软件开发了人机界面。通过OPC方式进行对L1数据的读写。2.4.3 信息交换系统根据OPC标准执行数据通讯，L1作为发送器主导装置时，发送数据流从L1L2，将生产过程的实际检测值传至L2计算机；L2作为发送器主导装置时，数据流从L2L1，将计算后的设定值下达至一级控制系统。在L1、L2之间通讯的数据，依照事件触发方式进行循环通讯，即当数据改变时，触发数据交换。在L1计算机和L2系统之间主要使用以下数据类型交换信息：类 型说 明Short 有符号整型（16位）Long 有符号整型（32位）Float 浮点数 （32位）StringASCII字符串（lengt

27、h=x）Status有符号整型（16位）值：0或1Counter有符号整型（16位）值：09999初始值：0Watchdog有符号整型（16位）值09999初始值：0；故障值：-1表1：数据类型交换信息表2.4.4 L1、L2级系统切换·Watchdog的使用Watchdog作为“看门狗”来使用，实时检查L1控制系统与L2计算机之间的通讯状态。在两端计算机程序中，将其作为一个计数期使用，循环增加。接收端计算机判断这一数据的变化情况，通讯正常时，在一定的时间间隔内（5秒）所读数据不相等，如果相等则说明通讯故障，需切换到一级控制。此外，Watchdog可以储存值-1，表示“看门狗”无效。

28、·系统切换过程1）Watchdog的有效使用，确保了L1、L2系统之间的正常切换。在拉坯生产过程中，L1、L2通讯正常时（Watchdog不提示故障），可由人工从一级切换到二级控制模式，由二级动态水表下达二冷段水量设定值控制。假如二级计算机出现错误或与一级计算机的通讯发生故障，且在规定时间内（10秒中）通讯无法恢复正常，Watchdog将提示故障报警，系统将从二级系统自动切换到一级控制模式，由一级水表完成水量控制。在二级计算机处于故障状态时，为了防止误操作，切换操作按钮将被禁止操作。2）在L2系统中Watchdog除检测通讯状态外，二级系统通过对L2冷却水设定值的有效性，以及一级公用

29、系统运行状态判断，如果其中一项不正常时，Watchdog亦将提示故障，并自动切换至一级控制。3）为了保证L2系统计算值的正确性，在一级系统中，对所采集的生产过程数据需进行过滤处理。尤其是钢水在线测温、钢包重量等数据，由于传感器或检测手段变化的原故，所测数据不能真实反映生产过程状态，一级系统将过滤掉无效测量值，向二级传输有效测量值。例如：当钢水测量温度 1200时，温度通讯数据不进行更新，而将上一时刻数据传输到二级系统。2.4.4 系统控制流程图10：动态二冷水系统控制流程图动态二冷水系统投入后，运行稳定，对铸坯的冷却达到了预期效果，为连铸机的正常生产提供了保证。2.5 质量控制系统过程数据库建

30、立与传输2.5.1 质量控制系统简介质量控制系统，功能主要是通过跟踪生产中过程数据的变化，对板坯的质量做出判断。对生产的组织、过程的控制、设备的维护，都有着指导性的作用。我们主要是对质量控制系统所需的数据进行建立与传输。2.5.2 质量控制系统数据库的建立·在C1 PLC建立质量控制系统专用源数据块。·对质量控制所需数据通过通讯网络集中到C1 PLC打包。·数据根据外方要求进行格式转换。·建立与质量控制服务器的通讯。2.5.3 数据传输流程图11：数据传输流程图质量控制系统投入后，数据的传输可靠、稳定，质量控制系统起到了应有的作用。2.6 液压站控制系统

31、设计2.6.1 结晶器振动系统简介立式连铸机原结晶器振动系统为机械振动，这次改造为液压振动。结晶器液压振动控制系统主要分两部分：液压站控制系统和振动控制系统。振动控制系统设计，液压站控制系统设计与PLC程序的编制。2.6.2 液压站控制系统组成液压站控制系统硬件采用Siemens S7-300，包括315-2DP CPU、CP343-1通讯模板、数字量输入/输出模板、模拟量输入模板等。操作员站使用INTOUCH 8.0,该操作集成于连铸机控制操作系统振动控制系统硬件采用SiemensC7634-DP：包括C7634-DP一套，IM361接口模板、模拟量输入模板、模拟量输出模板等。2.6.3网络

32、组成液压站控制系统与振动控制系统采用Profibus-DP主从方式连接、液压控制系统与C1控制系统采用工业以太网连接，协议为TCP/IP，方式为Send/Receive。振动控制系统与扩展组件的连接采用IM361模板。2.6.4 主要联锁关系·系统压力：范围设定为025MPa，正常工作范围为20MPa以上，低于18.5MPa开始起动备用泵，低于17.5Mpa系统报警。·循环压力：范围设定为016MPa，正常工作范围为2Mpa以上，低于2Mpa停主泵、起备用泵，并且报警。·油箱温度：范围设定为0100，高于50报警，停止全部相关设备；低于17报警；低于20开加热器，

33、高于30停止加热器；高于40开冷却阀，低于30停冷却阀。·油箱液位：范围设定为01500L，高于该油箱最大容积的98%报警，低于该油箱最大容积的84%报警，停止全部相关设备。·切断阀：每一个泵相关切断阀信号的丢失都会导致该泵运行停止。2.6.5 振动控制系统振动频率和振幅的计算公式：S=C1+C2*Vcf=C3+C4*VC+C5*Vc/2S式中：C1在浇铸速度为零时的振幅 (mm)C2 振幅/浇铸速度因素(mm/(m/min.)C3 在浇铸速度为零时的频率（cpmin）C4 频率/浇铸速度因素（cpmin/(m/min)）C5 负触发因素C6 非正弦因素S 振幅f 频率Vc

34、 拉速2.7 传动调速系统设计及斜出坯控制 作为斜出坯控制的关键环节，此次传动调速系统进行了重新设计和改造。2.7.1系统结构传动调速系统采用西门子6SE70系列变频器，根据工艺需要，选用直流母线结构，通过Profibus-DP网与PLC相连，由PLC控制，如图12所示。托辊系统包括：托辊整流/回馈单元三台， 38#、39#、40#托辊逆变器，每个逆变器各带两台电机，除38#北电机外，其余电机都带有编码器，形成速度闭环和坯长的测量；卷扬系统包括整流/回馈单元一台，逆变器一台，以及供电部分和电机。卷扬整流回馈C+D+托辊整流回馈C+D+直流母线直流母线DP网线卷扬逆变器40#逆变器39#逆变器3

35、8#逆变器MMMMMMM图12： 传动系统结构图2.7.2工作原理：·直流母线传动系统中，托辊系统分为38#、39#、40#三套系统，每套各带两台电机；卷扬系统要求很高的启、制动力矩和平稳的运行特性，根据这种要求，选用直流母线的连接结构。直流母线由整流/回馈单元供电。整流/回馈单元由两个反并联、6脉动晶闸管桥组成，而且能在两个方向上有电能流动，即可以使来自电网的能量提供给逆变器，也可以在制动时把多余的能量通过直流母线回馈回电网，实现快速制动。当传动系统为多电机传动时，采用直流母线形式，即将逆变器接到直流母线上时，如果有一个传动装置工作于发电状态时，可通过中间回路进行能量交换。

36、3;控制方式托辊传动系统主要负责拉坯速度控制和传送引锭链速度控制，同时利用转速反馈形成对钢坯的定尺测量，利用其速度变化率DV/DT完成对卷扬系统速度控制与转矩控制的转换。用39#托辊作为速度的主控制，在其中设置3级固定给定，12%、30%、80%作为主给定，分别对应三级速度，实现拉坯和引锭链传送的速度控制；设置点动电位计作为附加给定，实现速度的微调控制；设置正反向点动速度来实现点动操作。38#、40#托辊以39#托辊的转速反馈经PLC处理后作为速度主给定，达到整个托辊系统的速度同步。卷扬系统主要是控制接坯小车的速度和位置。对接坯小车的控制方式有两种，一种是速度方式控制，一种是力矩方式控制。接坯小车到达直轨上限位后，就切换为力矩方式控制，等待接坯，直至火焰切割机把钢坯切断，整个过程都为力矩方式控制。钢坯一旦被切断，马上就切换为速度方式控制，这个切换一定要准确、及时，否则会把小车和钢坯摔坏。小车在把钢坯送到出坯辊道，并返回直轨上限的过程为速度方式控制