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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 現場總線/網關

基于現場總線的連鑄機控制系統

發布日期：2022-04-18 點擊率：78

       近年來，鋼鐵行業競爭日漸激烈，而企業只有不斷進行技術改造，提高產品質量，降低生產成本，才能獲得進一步的發展。宣鋼為適應市場需要，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，進行了連鑄機的增流改造，目前單機年生產能力已超百萬噸。本文主要介紹了兩臺連鑄機改造后的自動化系統的網絡結構，總線布局及主要功能。

    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到國內先進水平，系統采用目前流行的三電一體化設計，大量使用現場總線技術，自動化系統軟硬件以Rockwell Automation的產品為主，構成三級網絡結構，實現連鑄機的生產的自動控制和生產調度指揮、產品質量控制。

    系統網絡結構如圖1：

    圖1 控制系統網絡結構圖

    從上圖可以看出，連鑄機的自動化系統考慮了實際應用的需要，充分利用軟硬件的資源特點，構建三層網絡結構，即信息層，控制層，設備層。

    1 信息層

    信息層要為連鑄機本體的操作、維護及廠級計算機系統提供網絡接口，訪問車間級的生產及管理數據，為全廠范圍內控制系統的數據匯集、監視提供服務，并接受生產調度指令，協調全廠生產。這一層的特點是數據量較大，但對實時性無過高要求，同時為便于不同廠商的PLC及計算機系統的互聯，進行必要的控制和協調，因而采用符合公共標準的TCP/IP協議的100Mbps速率以太網。

    考慮到工業控制對可靠性的要求和工業現場的惡劣環境，以太網采用冗余光線環網構成，兩臺工業級以太網交換機具備冗余管理功能。連鑄機的一臺服務器、四臺操作站通過以太網卡接入網絡，PLC系統每個安裝有CPU模塊的框架通過以太網接口模塊接入。

    2 控制層

    控制層負責在公用PLC系統、各鑄流PLC系統及遠程Flex I/O之間進行控制數據的傳遞、交換，協調控制，并且提供網絡編程、程序維護、設備組態、故障排除等功能。

    這一層的網絡不僅要求穩定可靠的連接，而且要確保信息傳遞的實時性。ControlNet采用總線拓撲結構，通訊速率5Mbps，其特色在于ControlNet是確定性的，這也就意味著網絡上的I/O設備和控制器都是在預定的時刻進行通訊的。ControlNet中的每一個部件都已經在組態時提前確定好了通訊時刻和時長，因此它非常穩定和可靠，特別適用于對時間要求較高的工業應用。同時為確保通訊不會出現中斷，在這一層我們使用了冗余的通訊介質來進一步提高可靠性。

    3 設備層

    設備層主要用于將主線傳動設備，即變頻器、軟啟動器直接連接到所屬的PLC系統中，不再通過傳統的數字、模擬量連接來實現控制，這樣做不僅方便而快速，還可以采集現場設備的數據，對其進行配置、監視和實時控制。這一層采用Remote IO網。

    三層網絡結構使得可以根據連鑄機系統的具體應用要求選擇合適的通訊方式，這種網絡架構不僅提供了EtherNet/IP、ControlNet、Remote IO網絡連接，還包含了面向自動控制而優化的高級軟件接口，以保證高效的數據傳輸。

    系統組成及功能

    1 硬件配置

    每臺連鑄機自動化系統硬件主要由9套Rockwell Automation公司的ControlLogix系列PLC、4臺操作站、1臺服務器以及遠程Flex I/O站組成，傳動系統中主生產線設備全部由矢量變頻器驅動，水泵使用軟啟動器，輔助傳動設備由MCC控制。儀表系統主要由鋼水快速及連續測溫系統、大包、中包稱重系統、結晶器液面監測及調節系統、結晶器水、二冷水流量檢測及調節系統組成。

    連鑄機公共系統采用一套帶擴展機架的PLC系統，用于連鑄機本體臺上及出坯部分共用設備的檢測控制，PLC系統每鑄流一套，用于本鑄流系統的監測、控制。操作站布置在主控室、切割操作室用于對連鑄機設備進行監視、操作、處理報警信息以及必要的人為干預。服務器用于收集生產數據，并進行處理、保存、傳輸。

    2 系統功能

    連鑄機自動化系統采用三電一體化設計，所有電控、儀控信號均接入PLC，安裝在現場的熱電阻、變送器、流量計及其它檢測儀表采集儀表數據，開關、限位等設備收集工藝生產過程數據和設備運行狀態，所有數據匯入PLC系統，再結合來自上位操作站的指令，按預先設定程序實現過程回路調節，電氣設備順序控制和傳動設備控制。

    1) 儀表系統

    儀表檢測主要包括大、中包鋼水溫度快速及連續測量，大、中包鋼水重量測量，結晶器水壓力、流量、進出口溫差測量，二次冷卻水壓力、各段流量測量、調節。為了降低操作工人的勞動強度，提高鋼坯質量，連鑄機還采集結晶器鋼水液位，通過電動缸調節中包塞棒開度，使鋼水液位保持穩定。

    二次冷卻水配水系統具有手動和自動控制功能，內容包括水量分配、水表設定、跟蹤調節、配水修正量調節、水流量、壓力、溫度及閥位的顯示。PLC實現現場數據采集、跟蹤調節，操作站完成水表的設定、水流量的顯示和數據記錄、數據打印和統計功能。

    手動、自動控制:每流分四段配水，即足輥段、一段、二段、三段，每段設手動/自動轉換功能。手動方式時，工作人員通過操作站畫面上直接設定調節閥閥門開度來改變水量大小；自動方式下，系統將按預先選好的水表根據拉速的快慢自動調節水量，在澆鑄過程中，可根據鋼坯溫度隨時修正給水量。二冷水調節流程圖如圖2所示。

    圖2 二冷水調節流程圖

    水表的選擇與修改:在操作站中預定數十套配水參數可供使用，參數的內容包括：編號、鋼種、斷面及各段的配水比，操作人員可隨時修改參數來改變配水。

    2) 電器系統

    電器設備的檢測和控制主要包括：大包回轉臺的旋轉、包臂升降、大包水口開閉，中間包車行走、對中、升降，結晶器振動、振頻調節，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，步進冷床的控制。液壓系統、油氣潤滑系統，干油潤滑系統的檢測、控制也由PLC完成。

    所有主生產線傳動設備全部采用了變頻器驅動，連鑄機從鋼包回轉臺直至橫向移鋼車等機械設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置的通訊接口聯接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網絡上，構成了基于Remote I/O網絡的傳動系統。綜合考慮Remote I/O網絡的連接距離和系統對實時性的要求，采用115.2Kbps的通訊速率。

    Remote I/O網工作在掃描器方式下，PLC處理器通過RIO接口模塊和遠程I/O適配器建立串行通訊鏈。變頻器的通訊接口為Remote I/O網中的網絡設備提供直接、數字的通訊鏈路，系統通過組態PLC的I/O標簽，利用通訊接口建立輸入、輸出數據鏈。對PLC而言，每臺變頻器被看作是一個安裝有I/O模塊的遠程框架，只需要對這些模塊進行讀寫，就可以向與其相連的變頻器發送命令，控制設備的運行；又可從變頻器讀取各項數據，監視設備的運行狀態，并將數據實時傳送到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、詳細的信息，并可以直接操作設備，甚至在變頻器發出報警，出現故障時，可以及時復位變頻器來避免因處理不及時而導致事故發生。連鑄機的電氣系統實現了傳動設備的遠程網絡實時控制，使PLC對變頻器的驅動實現了網絡化數字式控制，以一條通訊電纜取代了大量的硬接線，與傳統的模擬量、開關量控制方法相比，不僅大大提高了系統的實時性、精確性和可靠性，而且安裝、調試、維護的成本也相應得到降低。

    3) 操作站

    HMI畫面軟件根據工藝要求，設有主畫面、鑄流概貌、出坯區概貌、拉矯機及引錠桿、結晶器液面、結晶器振動、大包/中包稱重、液壓系統、驅動裝置運行狀態，PLC狀態等近20幅畫面。操作人員通過對HMI的監控，可以實時觀察到設備的運行狀況，根據權限修改工藝參數，并及時處理報警事件，必要時可以人工干預設備運行。

    4) 指揮調度系統

    煉鋼是一個復雜的生產流程，連鑄坯的質量受到澆鑄條件、過程狀態的直接影響，即使采用了先進的工藝、設備和技術，但由于連鑄生產工藝特點影響，爐次交接、設備故障及操作不穩定等都會不可避免地使生產過程出現波動、產生異常，從而使鑄坯質量受到不同程度的損害，對后道軋鋼工序和最終產品質量的影響不容忽視，給企業造成經濟和產品信譽的損失。連鑄機需要及時了解上道工序情況，轉爐、精煉系統也必須掌握連鑄機的澆鑄情況，為了便于直觀、迅速了解生產全過程狀況，連鑄機的自動化系統提供網絡借口，與轉爐、精煉、吹氬站等系統共同接入廠級管理網絡，為

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