基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的連鑄機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

近年來(lái)，鋼鐵行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)需要，新建了兩臺(tái)機(jī)型一致的六機(jī)六流連鑄機(jī)，并在隨后的升級(jí)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(wàn)噸。本文主要介紹了兩臺(tái)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(guó)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(chǎng)總線技術(shù)，自動(dòng)化系統(tǒng)軟硬件以Rockwell Automation的產(chǎn)品為主，構(gòu)成三級(jí)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(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)接口，訪問(wèn)車(chē)間級(jí)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(duì)實(shí)時(shí)性無(wú)過(guò)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(duì)可靠性的要求和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(tái)工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)具備冗余管理功能。連鑄機(jī)的一臺(tái)服務(wù)器、四臺(tái)操作站通過(guò)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(guò)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ControlNet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(zhǎng)，因此它非常穩(wěn)定和可靠，特別適用于對(duì)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(lái)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(guò)傳統(tǒng)的數(shù)字、模擬量連接來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，這樣做不僅方便而快速，還可以采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，對(duì)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(jí)軟件接口，以保證高效的數(shù)據(jù)傳輸。［page］

3、系統(tǒng)組成及功能

3.1硬件配置

每臺(tái)連鑄機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)硬件主要由9套R(shí)ockwell AutomaTIon公司的ControlLogix系列PLC、4臺(tái)操作站、1臺(tái)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(cè)溫系統(tǒng)、大包、中包稱(chēng)重系統(tǒng)、結(jié)晶器液面監(jiān)測(cè)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、結(jié)晶器水、二冷水流量檢測(cè)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(tái)上及出坯部分共用設(shè)備的檢測(cè)控制，PLC系統(tǒng)每鑄流一套，用于本鑄流系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制。操作站布置在主控室、切割操作室用于對(duì)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(hào)均接入PLC，安裝在現(xiàn)場(chǎng)的熱電阻、變送器、流量計(jì)及其它檢測(cè)儀表采集儀表數(shù)據(jù)，開(kāi)關(guān)、限位等設(shè)備收集工藝生產(chǎn)過(guò)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(lái)自上位操作站的指令，按預(yù)先設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程回路調(diào)節(jié)，電氣設(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(cè)主要包括大、中包鋼水溫度快速及連續(xù)測(cè)量，大、中包鋼水重量測(cè)量，結(jié)晶器水壓力、流量、進(jìn)出口溫差測(cè)量，二次冷卻水壓力、各段流量測(cè)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(guò)電動(dòng)缸調(diào)節(jié)中包塞棒開(kāi)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(chǎng)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、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(guò)操作站畫(huà)面上直接設(shè)定調(diào)節(jié)閥閥門(mén)開(kāi)度來(lái)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(guò)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。

基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)連鑄機(jī)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行改造

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(hào)、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(lái)改變配水。

3.2.2電器系統(tǒng)

電器設(shè)備的檢測(cè)和控制主要包括：大包回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)、包臂升降、大包水口開(kāi)閉，中間包車(chē)行走、對(duì)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(rùn)滑系統(tǒng)，干油潤(rùn)滑系統(tǒng)的檢測(cè)、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(tái)直至橫向移鋼車(chē)等機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)中共使用了一百多臺(tái)變頻器，功率范圍從0.75KW到45KW。所有變頻器通過(guò)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(duì)實(shí)時(shí)性的要求，采用115.2Kbps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(guò)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(guò)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(duì)PLC而言，每臺(tái)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(duì)這些模塊進(jìn)行讀寫(xiě)，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(guò)畫(huà)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)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(lái)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(duì)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(kāi)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(huà)面軟件根據(jù)工藝要求，設(shè)有主畫(huà)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(chēng)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(huà)面。操作人員通過(guò)對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(guò)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(jí)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(huà)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(shì)，實(shí)現(xiàn)了連鑄機(jī)基礎(chǔ)生產(chǎn)工藝過(guò)程的自動(dòng)化控制，完成了連鑄生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)聯(lián)鎖控制，介質(zhì)參數(shù)的檢測(cè)調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)的通訊處理、故障報(bào)警診斷以及生產(chǎn)狀況的在線監(jiān)控等功能。經(jīng)過(guò)三年多的運(yùn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)控制功能先進(jìn)、穩(wěn)定可靠，有效地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)順利投產(chǎn)、達(dá)產(chǎn)，增加生產(chǎn)效益以及維護(hù)安全生產(chǎn)都起到了積極的作用。