基于S7-400、300PLC的连铸电气控制系统的设计与实现

连铸自动化水平的提高, 直接关系到对保证铸坯质量、提高连铸机的劳动生产率、增加连铸机的金属收得率起着非常重要的作用。为了提高产品的市场竞争力以及与世界接轨, 唐钢二炼钢厂于2006年新上一台6流方坯连铸机。这种连铸机一次可拉出6条钢坯, 成材率高, 是世界冶金生产的发展方向。由于该连铸机流数多, 设计拉速高, 然而生产场地狭小, 如果由人工手动控制生产流程, 容易造成铸坯输送不畅, 这一问题在方坯连铸生产中尤为严重。因此, 在连铸生产过程中实现全自动控制非常重要。

1 控制对象及控制任务

这台连铸电气控制系统主要由公用PLC、流用PLC、火焰切割机PLC、电磁搅拌PLC和镭目电磁塞棒PLC组成。公用PLC的控制对象包括大包回转升降、中包车换包车的移动、拉矫液压站、推钢机及步进式翻转冷床、辊道及翻钢机。其中, 大包回转升降、中包车换包车的移动和拉矫液压站的控制包括油泵启/停控制、电磁溢流阀得电/失电控制、油箱油温控制以及液位高低限和油泵起动故障的声光报警;对于推钢机及步进式翻转冷床, 主要是控制推钢机的前进/退回及冷床的正反转及启/停动作;输送辊道启动/停止、翻钢机翻起/退回以及翻钢活动挡板的升/降动作等。流用PLC的控制对象为引锭杆、结晶器振动、拉矫辊脱矫辊的抬起压下, 主要控制自动送引锭过程、结晶器振动的振幅快慢及振动偏差、自动拉矫辊脱矫辊的抬起压下过程。火焰切割机PLC的控制对象为切割机全自动/半自动/手动切割、切割机的限位。电磁搅拌PLC主要控制搅拌系统的正常使用, 几给电磁搅拌设置参数的大小 (如电流和频率) 。镭目电磁塞棒PLC的控制是在浇钢条件为塞棒包的情况下, 为每个流的塞棒控制, 主要控制塞棒的高低来控制出钢的拉速。

2 控制系统的硬件组成

连铸电气控制系统的上位机采用两台研华工控机, 下位机采用7套西门子S7-400, PLC12套西门子S7-300 PLC, PLC9套西门子S7-200 PLC, 来完成这台连铸机公用设备、流用设备、火焰切割机、镭目电磁塞棒、电磁搅拌、烘烤、油气润滑的控制任务。

公用PLC采用CPU416-2中央处理单元, 由CP443-1通讯模板建立S7-400 PLC与Profibus-S7网络的联接。流用PLC设计为六套S7-400 PLC, 每一套单独控制每一流的生产设备, 由CPU416-3、CPU416-2中央处理单元, CP443-1通讯模板建立S7-400 PLC与Profibus-S7网络的联接, 及FM、A1、A0、D1、D0。火焰切割机、镭目电磁塞棒采用的是都是CPU315-2DP中央处理单元, 由CP342-5通讯模板建立S7-300 PLC与Profibus-S7网络的联接, 火焰切割机的I/O模块为SM321、SM322、SM322、SM332输入模块及输出模块, 镭目电磁塞棒I/O模块为SM322、SM331、SM332输入模块及输出模块。电磁搅拌、烘烤、油气润滑采用的是CPU224的中央处理单元, 由EM277通讯模板建立S7-200 PLC与Profibus-S7网络的联接, I/O模块为EM223、2个EM235输入模块及输出模块。

3 控制系统的设计策略

3.1 大包回转台, 中包和换包车结晶器振动的原理

大包回转台是由一个电机来带动大包旋转的, 但这个自动过程要经过定位销的由上升位到下降位, 气动阀得电, 定位销自动下来, 这时大包回转台才能旋转。自动过程只能在0~180°来旋转, 大包到位后定位销由下降位到上升位。

中包和换包车也是由电机带动工作的。它们在连锁条件满足的情况下可以给上电机正反转, 以确保移动过程的正常运行。当中包和换包车移动到慢行位时会减速移动, 当到停止限位时它们会自动停止移动, 当中包到浇注位时, 设备程序才允许浇钢。

结晶器振动是由位移传感器、矢能阀、液压阀来控制电气和机械工作的。位移传感器来测量结晶器上下振动的位移和偏差, 这个非常重要, 它可以直接影响铸坯的结构和质量好坏;矢能阀来控制结晶器上下振动。

3.2 大中包液压站、振动拉矫液压站

液压站为自动工作方式时, 首先进行工作油泵的选择。当系统压力≤5.5MPa时, 工作油泵启动, 经过1分钟延时后相应的电磁阀得电, 油泵向系统供油;当系统压力≥7MPa时, 电磁阀失电, 油泵停止供油。为了保障异常状况时的设备安全, 在油泵和电磁阀的控制回路中串入了油箱液位低限信号, 以保证在管路严重泄漏而造成低液位报警时, 延时一段时间后系统自动关闭油泵和电磁阀。此时, 不但在拉矫液压站进行声光报警, 而且相应的报警信息也将显示在上位机的监控画面中。

3.3 自动送引锭过程

自动送引锭过程的控制主要是引锭杆存放电机和拉矫机的运转/停止以及拉矫辊和脱矫辊的自动抬起/压下。在连铸生产中要切实保证控制的可靠性和操作的安全性。

3.4 铸坯切割过程

在自动工作状态下, 铸坯切割分为全自动、半自动、手动工作方式。全自动方式的切割指令为定尺仪发出的定尺信号;半自动切割方式为当铸坯达到定长时, 人为发出切割指令。在接收到切割指令后, 夹紧缸电磁阀及预热燃气、预热氧、切割氧电磁阀分别得电, 切割机开始进行铸坯切割。当铸坯切断后, 上述电磁阀一并失电, 回程缸电磁阀得电, 切割机返回至初始位置。经延时后回程缸电磁阀失电。至此, 铸坯的自动切割过程结束;手动方式切割就是从夹紧缸电磁阀及预热燃气、预热氧、切割氧都是由人为手动给的而且切割完毕后割车割枪的返回也是手动给电机返回。

3.5 步进式翻转及热送、冷床提升机

步进式翻转冷床的反转一般仅用于缩短冷床上铸坯的存放间隔, 冷床的正转动作则可以实现铸坯输送。冷床的正反转停止动作由安装在减速机轴上的主令控制器的正反转接点进行控制。由于停止在上齿位的冷床会阻碍推钢机的推钢操作, 因此要保证冷床停止时停在下齿位, 这一控制任务通过精确调整主令控制器接点来实现。热送、冷床提升机处于自动工作方式时, 如果热送、冷床提升机在推钢机退回后马上动作, 则会与推钢机发生碰撞, 造成设备损坏, 所以, 程序中设计推钢机退回动作一段时间后, 热送、冷床提升机方可连续正转。

4 结语

连铸系统的控制要点及难点主要有两个方面: (1) 确保操作安全。 (2) 设备各部分之间存在着复杂的联锁关系。实践证明, 该系统设计合理, 安全可靠, 减轻了工人的劳动强度, 提高了生产效率, 为唐钢取得良好的经济效益以及通过产品结构调整增强市场竞争力提供了技术上的保障。同时也充分地表明, 西门子S7-400、S7-300 PLC在唐钢连铸电气控制系统中的应用是非常成功的。

摘要：本文介绍了西门子S7-400、S7-300PLC在连铸电气控制系统中的应用, 着重讨论了系统的控制对象、控制任务、硬件组成和程序设计, 以及在设计中针对连铸系统的控制难点而采取的相应措施。

关键词：连铸机,PLC控制,S7-400,S7-300,PLC