王海(萊蕪鋼鐵集團有限公司自動化部，271104)
摘要： 本文介紹了羅克韋爾自動化公司自控系統(tǒng)在矩形坯連鑄機中的應用，對自控系統(tǒng)的硬件組態(tài)以及控制功能及其實現(xiàn)作了主要描述。
關鍵詞： A-B PLC5 SLC500 以太網(wǎng) 鑄流 公用 火焰切割
一、概述
萊鋼煉鋼廠4a#連鑄機為一臺三機三流的矩形坯連鑄機，年生產能力為80萬噸，與中型軋機構成一條熱裝熱送短流程生產線。本文將對其基礎級自控系統(tǒng)進行詳細介紹。
二、生產工藝簡介
鋼水包由轉爐車間運至連鑄車間后，由車間行車將鋼水包置于大包回轉臺鋼包臂上，旋轉至澆注位后，鋼水由鋼包流入中間罐車，達到開澆液面后，澆鑄開始。鋼水經(jīng)中間罐車注入結晶器，經(jīng)過初次冷卻控制以及振動控制調節(jié)后，進入二冷區(qū)。自控系統(tǒng)自動跟蹤鑄坯的位置及長度，鑄坯到達冷卻段時，由二次冷卻系統(tǒng)對鑄坯進行水/氣的混合冷卻。系統(tǒng)跟蹤鋼坯頭到達矯直區(qū)時，拉矯機依次進行換壓操作；跟蹤到脫引錠位時，自動進行脫引錠操作。鋼坯達到定尺長度后，由火焰切割機實施切割，切割后由輸出輥道運出，再由橫向移鋼機運至熱送輥道，最后由熱送輥道運到中型加熱爐進行軋制。
三、系統(tǒng)構成及配置
系統(tǒng)采用了美國羅克韋爾自動化公司的PLC5作為主控制器，SLC500 用于火焰切割自動控制，選用羅克韋爾自動化公司1336系列的變頻器用于交流調速控制，遠程I/O模板用于切割區(qū)以及出坯區(qū)現(xiàn)場信號的控制，以工業(yè)以太網(wǎng)以及DH+網(wǎng)作為控制網(wǎng)絡。
在該系統(tǒng)中，共采用了4套A-B PLC-5/40E分別用于鑄機的公用系統(tǒng)以及鑄流系統(tǒng)的自動控制。根據(jù)系統(tǒng)的控制規(guī)模，并保留有25%左右的控制點余量，PLC系統(tǒng)的硬件配置如下：
公用系統(tǒng)：
主機架通過CPU上的通道1B（組態(tài)為Remote I/O Scanner方式）外帶了5只擴展機架、6塊Remote I/O模板以及4臺1336 PLUS變頻器。
具體配置為：
電源模板（1771-P7，16A）6塊、CPU（1785-L40E）1塊、AI模板（1771-IFE）3塊、AO模板（1771-OFE）3塊、RTD模板（1771-IR）1塊、高速計數(shù)模板（1771-VHSC）1塊、24VDC DI模板（1771-IBD）25塊、24VDC DO模板（1771-OBD）14塊、220VAC DI模板（1771-IMD）23塊、220VAC DO模板（1771-OMD）16塊、遠程I/O適配器（1771-ASB）5塊、遠程I/O模板（32入/32出：1791-IOBW）4塊、遠程I/O模板（16入/16出：1791-16BC）1塊、遠程I/O模板（24入/8出：1791-24B8）1塊、25匹馬力1336 PLUS變頻器（CAT 1336S-B025-AA-EN4-CTM1-HA2）2臺、20匹馬力1336 PLUS變頻器（CAT 1336S-B020-AA-EN4-CTM1-HA2）2臺。
鑄流系統(tǒng)：
用于鑄流控制的三套PLC系統(tǒng)的配置完全相同，均是：
主機架通過CPU上的通道1B（組態(tài)為Remote I/O Scanner方式）外帶了2只擴展機架、3塊Remote I/O模板以及7臺1336 FORCE變頻器；另外，采用了3套A-B公司的小型產品SLC 500 分別用于每流的火焰切割機的自動控制。SLC 500 PLC通過CPU上的DH+通訊口與PLC-5/40E的CPU上的通道1A通訊口（配置為DH+）連接構成了DH+網(wǎng)以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
PLC5具體配置為：
電源模板（1771-P7，16A）3塊、CPU（1785-L40E）1塊、AI模板（1771-IFE）4塊、AO模板（1771-OFE）8塊、RTD模板（1771-IR）2塊、高速計數(shù)模板（1771-VHSC）1塊、24VDC DI模板（1771-IBD）5塊、24VDC DO模板（1771-OBD）4塊、220VAC DI模板（1771-IMD）7塊、220VAC DO模板（1771-OMD）5塊、遠程I/O適配器（1771-ASB）3塊、遠程I/O模板（1791-IOBW）3塊、25匹馬力1336 FORCE變頻器（CAT 1336T-B025-AA-GTIEN）4臺、40匹馬力1336 FORCE變頻器（CAT 1336T-B040-AA-GTIEN）3臺。
SLC500具體配置為：
電源模板（1746-P2）1塊、CPU（1747-L542）1塊、 DI模板（1746-ITB16）1塊、DI模板（1746-IB16）4塊、 DO模板（1746-OW16）2塊、DO模板（1746-OB16）2塊。
4套PLC5 通過各自CPU上的以太網(wǎng)口（通道2）掛在以太網(wǎng)上，并通過MSG指令相互傳遞數(shù)據(jù)；共25臺1336變頻器作為遠程站采用Remote I/O Scanner方式與PLC進行數(shù)據(jù)通訊：其啟動、停止、速度給定等指令均由PLC下達給變頻器，同時變頻器的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)以同樣形式反饋給PLC。另外，4臺高性能PⅢ工控機作為系統(tǒng)的上位機，通過以太網(wǎng)與PLC進行數(shù)據(jù)傳送，完成鑄機生產的監(jiān)控，其中3臺為操作員站，互為備用，用于生產的實時監(jiān)控；1臺為工程師站，可以完成對軟件系統(tǒng)的查閱、修改等工作（系統(tǒng)配置圖如圖1所示）。
四、軟件設計、系統(tǒng)控制功能及實現(xiàn)
4．1 PLC程序的設計：
控制程序使用羅克韋爾自動化公司專用編程軟件Rslogix5，并全部采用簡單易懂的梯形圖方式編制而成，分為公用控制程序及鑄流控制程序共4套。
每套控制程序均采用了流行的模塊化/結構化編程方法：根據(jù)控制對象、控制目的的不同把控制程序分為若干控制部分，由主程序在每次掃描周期中依次調用來實現(xiàn)各自的控制功能；在每一個梯形圖文件中，把控制功能相同的程序放在同一控制段中，并加以注釋。這種結構化編程方法使得程序的查閱、功能的擴充及修改變得更加容易，大大增強了程序的靈活性、可讀性、實用性和維護性。
4．2 監(jiān)控系統(tǒng)的設計：
上位監(jiān)控系統(tǒng)采用Rsview32制作，Rslinx負責完成與PLC的數(shù)據(jù)通訊。根據(jù)生產工藝、控制功能的要求，共制作了9大部分、共計40余幅監(jiān)控畫面。
4．3主要的控制功能及關鍵技術的實現(xiàn)：
主要控制功能：
該自動控制系統(tǒng)主要用于連鑄機生產的基礎級自動化控制，通過采用A-B自動化控制技術可完成基礎生產工藝過程的全自動化控制，實現(xiàn)連鑄生產現(xiàn)場設備的自動聯(lián)鎖，介質溫度、壓力、流量的檢測調節(jié)，數(shù)據(jù)的通訊處理、故障報警以及生產狀況的在線監(jiān)控等功能。
主要控制功能有：中間罐車行走、升降功能；結晶器冷卻水、二冷水、公用介質的流量及壓力檢測調節(jié)功能；推鋼機控制功能：橫移機控制功能；大包、中間包的鋼水測溫及稱重功能；大包旋轉及升降控制；液壓站控制；結晶器振動控制；拉矯機/拉矯輥控制；輸出輥道控制；結晶器冷卻水控制；二冷水控制；自動跟蹤控制；火焰切割控制以及生產的在線監(jiān)控等。
關鍵技術的實現(xiàn)：
① 變頻調速控制技術：中間罐車、拉矯機、結晶器、輸出輥道、橫移機等設備均采用了變頻調速控制技術。PLC通過Remote I/O Scanner通訊方式將控制命令傳達給變頻器，同時接收變頻器的狀態(tài)實時反饋信息；控制程序則通過采用MOV指令將啟/停、正/反轉、速度給定值等命令信息以輸出字的數(shù)據(jù)格式傳送給變頻器，從而實現(xiàn)變頻調速的自動控制。
圖 1
② 二冷區(qū)的全自動配水控制算法：
理論上理想的二冷配水控制曲線是一條二次曲線：F=aV2+bV+c，但是實現(xiàn)起來非常困難。為此，我們采用直線仿真曲線技術：采用三條斜率不同的直線來模擬二次曲線，根據(jù)當前的拉速及三條直線所對應的a、b值分別計算出三個配水量F1、F2、F3，然后取其最大值作為當前的實際給定值：Fsp = Max{F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3}（如圖2所示）。此外，軟件上通過PID指令完成七段回路儀表調節(jié)控制（控制框圖見圖3）。
③ 鑄流自動跟蹤技術：
PLC根據(jù)A-B增量型編碼器（安裝于3#拉矯機上，1024脈沖/圈）發(fā)送至高速計數(shù)模板的脈沖數(shù)，自動計算并完成送引錠模式、澆注模式下的拉矯機/拉矯輥、二冷區(qū)配水、電機測速以及鑄坯測長等全自動控制。
④ 火焰切割自控系統(tǒng)：
該系統(tǒng)單獨采用3套SLC500 PLC，并建立了DH+通訊手段與PLC5進行數(shù)據(jù)通訊。根據(jù)PLC5發(fā)送過來的鑄坯測長實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對鋼坯切割的自動化控制，并具有2種定尺（本機、上位）、3種操作方式（手動、半自動、全自動）的控制功能。同時PLC5根據(jù)SLC500的反饋信息控制輸出輥道的動作將切割完畢的鑄坯運出。控制程序則使用MSG指令來實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)信息的相互傳遞。
⑤ 鑄機生產的自動在線監(jiān)控技術：
采用Rsview32監(jiān)控技術、Rslinx通訊技術開發(fā)了鑄機生產的在線監(jiān)控系統(tǒng)。
圖 2
圖 3
五、結束語
該自控系統(tǒng)綜合集成了美國羅克韋爾自動化公司的PLC控制技術、畫面監(jiān)控技術、網(wǎng)絡通訊技術以及變頻調速技術，實現(xiàn)了連鑄機基礎生產工藝過程的自動化控制，可完成連鑄生產現(xiàn)場設備的自動聯(lián)鎖控制，介質參數(shù)的檢測調節(jié)，數(shù)據(jù)的通訊處理、故障報警診斷以及生產狀況的在線監(jiān)控等功能。經(jīng)過三年多的運行驗證，該系統(tǒng)控制功能先進、安全穩(wěn)定可靠，有效地提高了勞動生產率，改善了工作人員的工作環(huán)境，減輕了工作人員的勞動強度，為生產的順行提供了可靠的保障，并取得了十分顯著的經(jīng)濟效益。
參考文獻：
[1] ALLEN-BRADLEY INDUSTRIAL COMPUTER AND COMMUNICATION GROUP
作者簡介：
王海,1995年畢業(yè)于北京科技大學工業(yè)電氣自動化專業(yè)，先后參加了萊鋼12000立方米制氧機、矩形坯連鑄機、小方坯連鑄機、熱送輥道、氧氣頂吹轉爐、煤氣回收等自控系統(tǒng)的設計、開發(fā)、調試工作，目前從事煉鋼自動化的研究與應用工作。
