基于現(xiàn)場總線的連鑄機(jī)控制系統(tǒng)

1、    基于現(xiàn)場總線的連鑄機(jī)控制系統(tǒng)（宣化鋼鐵公司煉鋼廠計(jì)控車間河北075100）摘要本文介紹了宣鋼煉鋼廠新建連鑄機(jī)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于三種現(xiàn)場總線構(gòu)建，討論了控制系統(tǒng)的原理與功能，控制系統(tǒng)能夠很好的滿足連鑄機(jī)自動(dòng)化控制的需要，并已在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞現(xiàn)場總線三電一體連鑄機(jī)ACONTROLSYSTEMOFCONTINUOUSCASTERBASEDONFIELDBUSAbstractThisarticleintroducetheautomaticcontrolsystemofXuanhuaSteelMakingPlantcontinuou

2、scaster,thesyste（宣化鋼鐵公司煉鋼廠計(jì)控車間 河北 075100）摘要 本文介紹了宣鋼煉鋼廠新建連鑄機(jī)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于三種現(xiàn)場總線構(gòu)建，討論了控制系統(tǒng)的原理與功能，控制系統(tǒng)能夠很好的滿足連鑄機(jī)自動(dòng)化控制的需要，并已在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞 現(xiàn)場總線 三電一體 連鑄機(jī)A CONTROL SYSTEM OF CONTINUOUS CASTER BASED ON FIELDBUSAbstract This a

3、rticle introduce the automatic control system of Xuanhua Steel Making Plant continuous caster, the system is builded based on three fieldbus, having discussed the principle an

4、d function of the control system, the control system can satisfied the requirement of continuous caster automatic control，the economic benefits are evidently improved.Key words 

5、60;Fielsbus; EIC; Continunous caster1前言近年來，鋼鐵行業(yè)競爭日漸激烈，而企業(yè)只有不斷進(jìn)行技術(shù)改造，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，才能獲得進(jìn)一步的發(fā)展。宣鋼為適應(yīng)市場需要，新建了兩臺機(jī)型一致的六機(jī)六流連鑄機(jī)，并在隨后的升級改造中，進(jìn)行了連鑄機(jī)的增流改造，目前單機(jī)年生產(chǎn)能力已超百萬噸。本文主要介紹了兩臺連鑄機(jī)改造后的自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，總線布局及主要功能。2概述宣鋼煉鋼廠4#、5#連鑄機(jī)是宣鋼的重點(diǎn)工程項(xiàng)目，其自動(dòng)化控制水平已達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，系統(tǒng)采用目前流行的三電一體化設(shè)計(jì)，大量使用現(xiàn)場總線技術(shù)，自動(dòng)化系統(tǒng)軟硬件以Rockwel

6、l Automation的產(chǎn)品為主，構(gòu)成三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)連鑄機(jī)的生產(chǎn)的自動(dòng)控制和生產(chǎn)調(diào)度指揮、產(chǎn)品質(zhì)量控制。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1：圖1控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖從上圖可以看出，連鑄機(jī)的自動(dòng)化系統(tǒng)考慮了實(shí)際應(yīng)用的需要，充分利用軟硬件的資源特點(diǎn)，構(gòu)建三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即信息層，控制層，設(shè)備層。2.1信息層信息層要為連鑄機(jī)本體的操作、維護(hù)及廠級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)接口，訪問車間級的生產(chǎn)及管理數(shù)據(jù)，為全廠范圍內(nèi)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯集、監(jiān)視提供服務(wù)，并接受生產(chǎn)調(diào)度指令，協(xié)調(diào)全廠生產(chǎn)。這一層的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量較大，但對實(shí)時(shí)性無過高要求，同時(shí)為便于不同廠商的PLC及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)，進(jìn)行必要的控制和協(xié)調(diào)，因而采用符合公

7、共標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議的100Mbps速率以太網(wǎng)。考慮到工業(yè)控制對可靠性的要求和工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，以太網(wǎng)采用冗余光線環(huán)網(wǎng)構(gòu)成，兩臺工業(yè)級以太網(wǎng)交換機(jī)具備冗余管理功能。連鑄機(jī)的一臺服務(wù)器、四臺操作站通過以太網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡(luò)，PLC系統(tǒng)每個(gè)安裝有CPU模塊的框架通過以太網(wǎng)接口模塊接入。2.2控制層控制層負(fù)責(zé)在公用PLC系統(tǒng)、各鑄流PLC系統(tǒng)及遠(yuǎn)程Flex I/O之間進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的傳遞、交換，協(xié)調(diào)控制，并且提供網(wǎng)絡(luò)編程、程序維護(hù)、設(shè)備組態(tài)、故障排除等功能。這一層的網(wǎng)絡(luò)不僅要求穩(wěn)定可靠的連接，而且要確保信息傳遞的實(shí)時(shí)性。ControlNet采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通訊速率5Mbps，其特色在于Co

8、ntrolNet是確定性的，這也就意味著網(wǎng)絡(luò)上的I/O設(shè)備和控制器都是在預(yù)定的時(shí)刻進(jìn)行通訊的。ControlNet中的每一個(gè)部件都已經(jīng)在組態(tài)時(shí)提前確定好了通訊時(shí)刻和時(shí)長，因此它非常穩(wěn)定和可靠，特別適用于對時(shí)間要求較高的工業(yè)應(yīng)用。同時(shí)為確保通訊不會(huì)出現(xiàn)中斷，在這一層我們使用了冗余的通訊介質(zhì)來進(jìn)一步提高可靠性。2.3設(shè)備層設(shè)備層主要用于將主線傳動(dòng)設(shè)備，即變頻器、軟啟動(dòng)器直接連接到所屬的PLC系統(tǒng)中，不再通過傳統(tǒng)的數(shù)字、模擬量連接來實(shí)現(xiàn)控制，這樣做不僅方便而快速，還可以采集現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行配置、監(jiān)視和實(shí)時(shí)控制。這一層采用Remote IO網(wǎng)。三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得可以根據(jù)連鑄機(jī)系統(tǒng)的具體

9、應(yīng)用要求選擇合適的通訊方式，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不僅提供了EtherNet/IP、ControlNet、Remote IO網(wǎng)絡(luò)連接，還包含了面向自動(dòng)控制而優(yōu)化的高級軟件接口，以保證高效的數(shù)據(jù)傳輸。3.系統(tǒng)組成及功能3.1硬件配置每臺連鑄機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)硬件主要由9套Rockwell Automation公司的ControlLogix系列PLC、4臺操作站、1臺服務(wù)器以及遠(yuǎn)程Flex I/O站組成，傳動(dòng)系統(tǒng)中主生產(chǎn)線設(shè)備全部由矢量變頻器驅(qū)動(dòng)，水泵使用軟啟動(dòng)器，輔助傳動(dòng)設(shè)備由MCC控制。儀表系統(tǒng)主要由鋼水快速及連續(xù)測溫系統(tǒng)、大包、中包稱重系統(tǒng)、結(jié)晶器液面監(jiān)測及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、結(jié)晶器水、

10、二冷水流量檢測及調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。連鑄機(jī)公共系統(tǒng)采用一套帶擴(kuò)展機(jī)架的PLC系統(tǒng)，用于連鑄機(jī)本體臺上及出坯部分共用設(shè)備的檢測控制，PLC系統(tǒng)每鑄流一套，用于本鑄流系統(tǒng)的監(jiān)測、控制。操作站布置在主控室、切割操作室用于對連鑄機(jī)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、操作、處理報(bào)警信息以及必要的人為干預(yù)。服務(wù)器用于收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理、保存、傳輸。3.2系統(tǒng)功能連鑄機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)采用三電一體化設(shè)計(jì)，所有電控、儀控信號均接入PLC，安裝在現(xiàn)場的熱電阻、變送器、流量計(jì)及其它檢測儀表采集儀表數(shù)據(jù)，開關(guān)、限位等設(shè)備收集工藝生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，所有數(shù)據(jù)匯入PLC系統(tǒng)，再結(jié)合來自上位操作站的指令，按預(yù)先設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)過程回路調(diào)節(jié)，電氣

11、設(shè)備順序控制和傳動(dòng)設(shè)備控制。3.2.1儀表系統(tǒng)儀表檢測主要包括大、中包鋼水溫度快速及連續(xù)測量，大、中包鋼水重量測量，結(jié)晶器水壓力、流量、進(jìn)出口溫差測量，二次冷卻水壓力、各段流量測量、調(diào)節(jié)。為了降低操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鋼坯質(zhì)量，連鑄機(jī)還采集結(jié)晶器鋼水液位，通過電動(dòng)缸調(diào)節(jié)中包塞棒開度，使鋼水液位保持穩(wěn)定。二次冷卻水配水系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)控制功能，內(nèi)容包括水量分配、水表設(shè)定、跟蹤調(diào)節(jié)、配水修正量調(diào)節(jié)、水流量、壓力、溫度及閥位的顯示。PLC實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、跟蹤調(diào)節(jié)，操作站完成水表的設(shè)定、水流量的顯示和數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)打印和統(tǒng)計(jì)功能。 手動(dòng)、自動(dòng)控制:每流分四段配水，即足輥段、一段、二段、

12、三段，每段設(shè)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。手動(dòng)方式時(shí)，工作人員通過操作站畫面上直接設(shè)定調(diào)節(jié)閥閥門開度來改變水量大??； 自動(dòng)方式下，系統(tǒng)將按預(yù)先選好的水表根據(jù)拉速的快慢自動(dòng)調(diào)節(jié)水量，在澆鑄過程中，可根據(jù)鋼坯溫度隨時(shí)修正給水量。二冷水調(diào)節(jié)流程圖如圖2所示。圖2 二冷水調(diào)節(jié)流程圖水表的選擇與修改:在操作站中預(yù)定數(shù)十套配水參數(shù)可供使用，參數(shù)的內(nèi)容包括：編號、鋼種、斷面及各段的配水比，操作人員可隨時(shí)修改參數(shù)來改變配水。3.2.2電器系統(tǒng)電器設(shè)備的檢測和控制主要包括：大包回轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)、包臂升降、大包水口開閉，中間包車行走、對中、升降，結(jié)晶器振動(dòng)、振頻調(diào)節(jié)，拉矯機(jī)傳動(dòng)，拉矯輥壓下，引錠桿上行、回收

13、跟蹤、脫坯、存放，鑄坯定尺切割，以及切割前后輥道，輸送輥道，翻鋼機(jī)，鑄坯分離機(jī)，步進(jìn)冷床的控制。液壓系統(tǒng)、油氣潤滑系統(tǒng)，干油潤滑系統(tǒng)的檢測、控制也由PLC完成。所有主生產(chǎn)線傳動(dòng)設(shè)備全部采用了變頻器驅(qū)動(dòng)，連鑄機(jī)從鋼包回轉(zhuǎn)臺直至橫向移鋼車等機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)中共使用了一百多臺變頻器，功率范圍從0.75KW到45KW。所有變頻器通過其內(nèi)置的通訊接口聯(lián)接Remote I/O通訊適配器，直接掛在由九個(gè)RIO接口模塊組建的九個(gè)Remote I/O網(wǎng)絡(luò)上，構(gòu)成了基于Remote I/O網(wǎng)絡(luò)的傳動(dòng)系統(tǒng)。綜合考慮Remote I/O網(wǎng)絡(luò)的連接距離和系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求，采用11

14、5.2Kbps的通訊速率。Remote I/O網(wǎng)工作在掃描器方式下，PLC處理器通過RIO接口模塊和遠(yuǎn)程I/O適配器建立串行通訊鏈。變頻器的通訊接口為Remote I/O網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供直接、數(shù)字的通訊鏈路，系統(tǒng)通過組態(tài)PLC的I/O標(biāo)簽，利用通訊接口建立輸入、輸出數(shù)據(jù)鏈。對PLC而言，每臺變頻器被看作是一個(gè)安裝有I/O模塊的遠(yuǎn)程框架，只需要對這些模塊進(jìn)行讀寫，就可以向與其相連的變頻器發(fā)送命令，控制設(shè)備的運(yùn)行；又可從變頻器讀取各項(xiàng)數(shù)據(jù)，監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到PLC中。通過畫面就可以在主控室的操作站顯示器上，為操作人員提供了實(shí)時(shí)、詳細(xì)的信息，并可以直接操作設(shè)

15、備，甚至在變頻器發(fā)出報(bào)警，出現(xiàn)故障時(shí)，可以及時(shí)復(fù)位變頻器來避免因處理不及時(shí)而導(dǎo)致事故發(fā)生。連鑄機(jī)的電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)設(shè)備的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)控制，使PLC對變頻器的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字式控制，以一條通訊電纜取代了大量的硬接線，與傳統(tǒng)的模擬量、開關(guān)量控制方法相比，不僅大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、精確性和可靠性，而且安裝、調(diào)試、維護(hù)的成本也相應(yīng)得到降低。3.2.3操作站HMI畫面軟件根據(jù)工藝要求，設(shè)有主畫面、鑄流概貌、出坯區(qū)概貌、拉矯機(jī)及引錠桿、結(jié)晶器液面、結(jié)晶器振動(dòng)、大包/中包稱重、液壓系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行狀態(tài)，PLC狀態(tài)等近20幅畫面。操作人員通過對HMI的監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)觀察到設(shè)備的運(yùn)行狀況，根據(jù)權(quán)限修改

16、工藝參數(shù)，并及時(shí)處理報(bào)警事件，必要時(shí)可以人工干預(yù)設(shè)備運(yùn)行。3.2.4指揮調(diào)度系統(tǒng)    煉鋼是一個(gè)復(fù)雜的生產(chǎn)流程，連鑄坯的質(zhì)量受到澆鑄條件、過程狀態(tài)的直接影響，即使采用了先進(jìn)的工藝、設(shè)備和技術(shù)，但由于連鑄生產(chǎn)工藝特點(diǎn)影響，爐次交接、設(shè)備故障及操作不穩(wěn)定等都會(huì)不可避免地使生產(chǎn)過程出現(xiàn)波動(dòng)、產(chǎn)生異常，從而使鑄坯質(zhì)量受到不同程度的損害，對后道軋鋼工序和最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響不容忽視，給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)品信譽(yù)的損失。連鑄機(jī)需要及時(shí)了解上道工序情況，轉(zhuǎn)爐、精煉系統(tǒng)也必須掌握連鑄機(jī)的澆鑄情況，為了便于直觀、迅速了解生產(chǎn)全過程狀況，連鑄機(jī)的自動(dòng)化系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)借口，與轉(zhuǎn)爐、精煉、吹氬站等系統(tǒng)共同接入廠級管理網(wǎng)絡(luò)，為生產(chǎn)調(diào)度統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮提供數(shù)據(jù)。4.應(yīng)用效果宣鋼煉鋼廠連鑄機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)綜合集成了PLC控制技術(shù)、畫面監(jiān)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)以及變頻調(diào)速技術(shù)，三電一體化的設(shè)計(jì)適應(yīng)了自動(dòng)化的發(fā)展趨勢，實(shí)現(xiàn)了連鑄機(jī)基礎(chǔ)生產(chǎn)工藝過程的自動(dòng)化控制，完成了連鑄生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的自動(dòng)聯(lián)鎖控制，介質(zhì)參數(shù)的檢測調(diào)節(jié)，