基于現(xiàn)場總線技術(shù)的連鑄機自動化系統(tǒng)改造設(shè)計

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，新建了兩臺機型一致的六機六流連鑄機，并在隨后的升級改造中，進(jìn)行了連鑄機的增流改造，目前單機年生產(chǎn)能力已超百萬噸。本文主要介紹了兩臺連鑄機改造后的自動化系統(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#連鑄機是宣鋼的重點工程項目，其自動化控制水平已達(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，大量使用現(xiàn)場總線技術(shù)，自動化系統(tǒng)軟硬件以Rockwell Automation的產(chǎn)品為主，構(gòu)成三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)連鑄機的生產(chǎn)的自動控制和生產(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，連鑄機的自動化系統(tǒng)考慮了實際應(yīng)用的需要，充分利用軟硬件的資源特點，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

信息層要為連鑄機本體的操作、維護(hù)及廠級計算機系統(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)。這一層的特點是數(shù)據(jù)量較大，但對實時性無過高要求，同時為便于不同廠商的PLC及計算機系統(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)交換機具備冗余管理功能。連鑄機的一臺服務(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時性。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)定的時刻進(jìn)行通訊的。ControlNet中的每一個部件都已經(jīng)在組態(tài)時提前確定好了通訊時刻和時長，因此它非常穩(wěn)定和可靠，特別適用于對時間要求較高的工業(yè)應(yīng)用。同時為確保通訊不會出現(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設(shè)備，即變頻器、軟啟動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)視和實時控制。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。［page］

3、系統(tǒng)組成及功能

3.1硬件配置

每臺連鑄機自動化系統(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，傳動系統(tǒng)中主生產(chǎn)線設(shè)備全部由矢量變頻器驅(qū)動，水泵使用軟啟動器，輔助傳動設(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、二冷水流量檢測及調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。

連鑄機公共系統(tǒng)采用一套帶擴展機架的PLC系統(tǒng)，用于連鑄機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設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、操作、處理報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

連鑄機自動化系統(tǒng)采用三電一體化設(shè)計，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)，電氣設(shè)備順序控制和傳動設(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強度，提高鋼坯質(zhì)量，連鑄機還采集結(jié)晶器鋼水液位，通過電動缸調(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)具有手動和自動控制功能，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)計功能。

手動、自動控制：每流分四段配水，即足輥段、一段、二段、三段，每段設(shè)手動/自動轉(zhuǎn)換功能。手動方式時，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)拉速的快慢自動調(diào)節(jié)水量，在澆鑄過程中，可根據(jù)鋼坯溫度隨時修正給水量。二冷水調(diào)節(jié)流程圖如圖2所示。

基于現(xiàn)場總線技術(shù)對連鑄機的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和自動化系統(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、鋼種、斷面及各段的配水比，操作人員可隨時修改參數(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、振頻調(diào)節(jié)，拉矯機傳動，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，鑄坯分離機，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)線傳動設(shè)備全部采用了變頻器驅(qū)動，連鑄機從鋼包回轉(zhuǎn)臺直至橫向移鋼車等機械設(shè)備的傳動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RIO接口模塊組建的九個Remote I/O網(wǎng)絡(luò)上，構(gòu)成了基于Remote I/O網(wǎng)絡(luò)的傳動系統(tǒng)。綜合考慮Remote I/O網(wǎng)絡(luò)的連接距離和系統(tǒng)對實時性的要求，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)備的運行；又可從變頻器讀取各項數(shù)據(jù)，監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)實時傳送到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時、詳細(xì)的信息，并可以直接操作設(shè)備，甚至在變頻器發(fā)出報警，出現(xiàn)故障時，可以及時復(fù)位變頻器來避免因處理不及時而導(dǎo)致事故發(fā)生。連鑄機的電氣系統(tǒng)實現(xiàn)了傳動設(shè)備的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實時控制，使PLC對變頻器的驅(qū)動實現(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)的實時性、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、拉矯機及引錠桿、結(jié)晶器液面、結(jié)晶器振動、大包/中包稱重、液壓系統(tǒng)、驅(qū)動裝置運行狀態(tài)，PLC狀態(tài)等近20幅畫面。操作人員通過對HMI的監(jiān)控，可以實時觀察到設(shè)備的運行狀況，根據(jù)權(quán)限修改工藝參數(shù)，并及時處理報警事件，必要時可以人工干預(yù)設(shè)備運行。

3.2.4指揮調(diào)度系統(tǒng)

煉鋼是一個復(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)工藝特點影響，爐次交接、設(shè)備故障及操作不穩(wěn)定等都會不可避免地使生產(chǎn)過程出現(xiàn)波動、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)品信譽的損失。連鑄機需要及時了解上道工序情況，轉(zhuǎn)爐、精煉系統(tǒng)也必須掌握連鑄機的澆鑄情況，為了便于直觀、迅速了解生產(chǎn)全過程狀況，連鑄機的自動化系統(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

宣鋼煉鋼廠連鑄機自動化控制系統(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)計適應(yīng)了自動化的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)了連鑄機基礎(chǔ)生產(chǎn)工藝過程的自動化控制，完成了連鑄生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的自動聯(lián)鎖控制，介質(zhì)參數(shù)的檢測調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)的通訊處理、故障報警診斷以及生產(chǎn)狀況的在線監(jiān)控等功能。經(jīng)過三年多的運行驗證，系統(tǒng)控制功能先進(jìn)、穩(wěn)定可靠，有效地提高了勞動生產(chǎn)率，減輕了工作人員的勞動強度，對順利投產(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。